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2013 綠 色 科 技 工 程 與 應 用 研 討 會 (GTEA) 中 華 民 國 臺 灣 臺 中 市 國 立 勤 益 科 技 大 學
中 華 民 國 一 百 零 二 年 五 月 二 十 四 日
論 文 編 號 :GT9-010
使 用 有 限 元 素 分 析 法 探 討 滾 輪 裁 切 刀 具 之 機 械 性 質
楊 宗 霖
1 , 楊 茹 媛
2* , 潘 正 堂
1 , 陳 宏 毅
3 , 張 貴 芳
1
國 立 中 山 大 學 機 械 工 程 所
E-mail:D013020004@student.nsysu.edu.tw
2
國 立 屏 東 科 技 大 學 材 料 工 程 所
E-mail:ruyuan.yang@gmail.com
3
寶 緯 科 技 有 限 公 司
E-mail:pony@tennsure.com
3
摘 要
有 限 元 素 法 (Finite Element Method) 是 目 前 最 廣 為 學 術 界 與 工 業 界 使 用 的 分 析 工 具 之 一 , 其 應
用 領 域 相 當 廣 泛 , 舉 凡 固 力 、 流 力 、 熱 傳 、 製 造 、 以 及 結 構 設 計 等 , 都 可 以 有 限 元 素 法 分 析 或 模
擬 。 本 研 究 利 用 Auto Cad 繪 圖 軟 體 規 畫 出 所 需 之 滾 輪 裁 切 刀 具 , 再 以 ANSYS 12.0 有 限 元 素 分
析 軟 體 分 析 其 模 具 應 力 、 應 變 分 析 及 尺 寸 優 化 。 由 模 擬 結 果 顯 示 : 隨 著 刀 軸 上 所 配 置 的 刀 片 數 目
的 增 加 , 其 刀 軸 的 應 力 應 變 相 對 的 會 減 少 ; 然 而 , 相 對 的 對 於 裁 切 用 滾 刀 刀 片 本 身 所 需 承 受 的 應
力 應 變 則 相 對 地 增 加 許 多 , 亦 會 影 響 到 刀 片 的 使 用 壽 命
關 鍵 字 : 有 限 元 素 法 (Finite Element Method)、 刀 具 、 應 變 、 應 力
Abstract
The finite element method is one of the most widely used by academia and industry analysis tools, the
application domain is quite widely covered solid force, current capability, heat transfer, manufacturing, and
structural design can include things likefinite element analysis or simulation. In this study, using Auto Cad
drawing software regulation draw the required wheel cutting tool to analyze the mold stress and strain
analysis and sizing optimization, finite element analysis software ANSYS 12.0. The simulation results show:
With the increase in the number of the blade configuration in the cutter shaft, and the stress and strain of the
knife shaft opposite will decrease; However, the relative for trimming with Hob blade itself required to
withstand the stress and strain is relatively increase the number, will also affect the life of the blade.
Keywords: ANSYS, Finite element, rollers, cutting
1. 前 言
傳 統 裁 切 機 台 對 電 子 材 料 產 品 ( 如 : 泡 棉 、
膠 帶 ) 或 光 電 業 ( 如 顯 示 器 或 發 光 二 極 體 用 之 光
學 菱 鏡 片 、 反 射 片 、 抗 反 射 膜 ) 產 品 進 行 裁 切
時 , 是 利 用 裁 切 機 上 之 沖 床 帶 動 刀 片 作 下 壓 裁
切 之 動 作 , 即 可 讓 待 切 物 品 有 裁 切 之 刀 痕 , 使
用 者 可 依 此 刀 痕 將 表 面 材 質 如 貼 紙 、 膠 帶 等 撕
下 。 傳 統 裁 紙 刀 具 一 般 俗 稱 之 “ 木 材 刀 ” 或 “ 塑 膠
刀 ”, 將 上 述 之 刀 具 組 裝 至 裁 切 機 上 , 即 可 對 產
品 進 行 裁 切 。 然 而 , 在 實 際 操 作 中 卻 發 現 , 裁
切 裝 置 因 其 裁 切 加 工 的 操 作 速 度 受 限 於 裁 切 刀
跳 動 的 頻 率 , 使 得 其 操 作 速 度 有 一 極 限 [1]。
有 鑑 於 此 , 本 研 究 提 出 一 種 活 動 可 調 間 距
式 滾 輪 裁 切 刀 , 其 主 要 為 一 滾 輪 裁 切 刀 具 , 組
成 該 滾 輪 裁 切 刀 具 的 各 個 零 組 件 ( 包 含 組 裝 軸 、
滾 刀 刀 片 、 調 整 單 元 等 ) 都 可 以 拆 卸 更 換 或 任 意
重 新 組 裝 , 並 且 各 零 組 件 皆 可 針 對 刀 具 間 距 、
刀 具 數 目 、 裁 切 深 度 , 進 行 該 產 品 客 製 機 構 化
設 計 。 經 由 適 當 之 模 具 設 計 , 成 形 之 刀 具 再 經
由 蝕 刻 、 熱 處 理 技 術 及 表 面 處 理 後 , 各 零 組 件
可 重 新 組 裝 成 一 客 製 化 滾 輪 式 裁 切 刀 具 , 且 藉
由 該 滾 輪 式 裁 切 刀 具 可 迅 速 而 精 確 的 對 光 電 業
產 品 進 行 裁 切 。
另 一 方 面 , 為 了 找 出 本 研 究 之 活 動 可 調 間
距 式 滾 輪 裁 切 刀 之 最 佳 化 條 件 , 本 研 究 選 擇 以
針 對 結 構 本 身 較 為 複 雜 、 多 變 的 材 料 性 質 , 以
及 各 種 負 載 情 況 等 各 種 因 素 所 使 用 之 有 限 元 素
法 (Finite Element Method) 進 行 模 擬 與 分 析
[2-8]。
綜 上 所 述 , 本 研 究 係 利 用 Auto Cad 繪 圖 軟
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論 文 編 號 :GT9-010
體 規 畫 出 所 需 之 滾 輪 裁 切 刀 具 , 再 以 ANSYS
12.0 有 限 元 素 分 析 軟 體 分 析 活 動 可 調 間 距 式 滾 輪
裁 切 刀 應 力 、 應 變 分 析 及 尺 寸 優 化 等 機 械 性
質 , 期 以 早 日 應 用 於 相 關 領 域 範 疇 。
2. 實 驗 步 驟
滾 輪 裁 切 刀 具 模 型 之 設 計
本 研 究 針 對 模 具 開 發 設 計 部 份 , 係 以 Auto
Cad 繪 圖 軟 體 針 對 刀 具 間 距 、 刀 具 數 目 、 裁 切 深
度 , 進 行 產 品 可 重 組 客 製 機 構 化 , 設 計 圖 如 圖 1
所 示 。
刀 片 固 定 方 式 乃 是 藉 由 間 隙 套 筒 夾 持 並 運 用 摩
擦 力 帶 動 刀 片 滾 動 裁 切 紙 張 。 需 注 意 的 是 , 滾 動
過 程 不 可 能 會 有 橫 向 位 移 的 發 生 , 因 此 在 刀 軸 兩
側 側 壁 上 設 立 單 軸 向 簡 支 承 來 確 保 橫 向 不 滑
動 , 而 刀 軸 在 滾 動 的 同 時 為 了 確 保 與 輔 助 滾 輪 是
連 動 運 轉 , 在 刀 軸 上 有 兩 處 是 與 輔 助 滾 輪 是 滾 動
接 觸 ( 圖 1(a) 刀 軸 中 最 大 外 徑 處 ), 因 此 在 此 處 設
定 一 滾 支 承 , 而 刀 片 本 身 是 不 與 輔 助 滾 輪 接 觸 。
(a)
模 型 之 建 立 [4, 5]
(b)
圖 1、 滾 輪 裁 切 刀 具 設 計 圖
利 用 商 用 AutoCAD 繪 圖 軟 體 繪 製 幾 何 外 型
建 構 , 之 後 匯 入 前 處 理 軟 體 處 ANSYS®-Mesh 建
構 網 格 處 理 後 , 再 由 ANSYS® Static Structural
分 析 模 組 進 行 數 值 分 析 。 其 研 究 設 計 之 求 解 流 程
圖 如 2 所 示 。
模 擬 之 邊 界 條 件 設 定 [9-10]
在 進 行 結 構 數 值 分 析 時 我 們 必 需 明 確 知 道
分 析 模 組 的 受 力 分 佈 及 其 固 定 邊 界 之 可 能 狀
況 , 模 擬 求 解 的 好 壞 及 精 確 與 否 便 在 於 此 , 而 活
動 可 調 式 滾 輪 裁 切 刀 具 開 發 研 究 重 點 在 於 刀 軸
與 刀 片 並 非 一 體 式 , 刀 軸 及 刀 片 本 身 在 進 行 裁 切
工 作 時 所 受 到 的 應 力 應 變 及 總 變 形 量 是 否 能 與
舊 有 固 定 式 刀 具 相 仿 , 可 控 制 精 度 軸 變 形 於 10
μm 內 , 因 此 此 次 模 擬 分 析 的 重 點 在 於 :
1. 刀 軸 及 刀 片 的 應 力 應 變 的 最 大 發 生 位 置 ;
2. 評 估 受 力 狀 況 是 否 符 合 設 計 預 期 。
3. 刀 具 最 大 變 形 量 是 否 符 合 公 司 要 求
在 此 次 模 擬 分 析 中 刀 具 的 固 定 邊 界 條 件 設
定 如 圖 1(a) 所 示 。 其 中 , 刀 軸 架 上 工 具 機 台 鎖 附
固 定 且 可 滾 動 , 因 此 在 刀 軸 兩 側 設 定 滾 支 承 , 而
圖 2、 模 組 設 計 及 模 擬 流 程 圖 [8]
而 在 分 析 受 力 分 佈 條 件 的 設 定 則 如 圖 1(B)
所 示 , 在 刀 軸 兩 側 施 加 一 可 將 刀 軸 固 定 的 力
(W), 此 一 力 量 大 小 50 N, 刀 軸 橫 向 受 到 一 夾 持
力 (Fb) 固 定 間 隙 套 筒 , 使 其 不 產 生 橫 向 位 移 , 此
一 鎖 固 力 設 定 為 30 N, 而 刀 軸 本 身 架 在 工 具 機 上
即 會 受 到 自 重 (G) 影 響 產 生 應 力 應 變 , 而 刀 片 在 運
作 裁 切 時 則 會 受 到 來 自 工 作 物 的 壓 力 , 因 此 在 每
一 刀 片 的 刀 峰 上 設 定 承 受 一 均 勻 的 壓 力 負 載
(F), 假 設 刀 片 受 到 重 負 載 的 狀 況 , 因 此 將 壓 力 負
載 設 定 為 400 N。
另 一 方 面 , 本 研 究 所 模 擬 之 活 動 可 調 間 距 式
滾 滾 輪 裁 切 刀 具 刀 片 組 裝 以 30 片 裁 切 刀 片 為
主 , 之 後 再 向 上 延 伸 模 擬 當 刀 片 為 40 片 或 50 片
時 的 應 力 應 變 分 佈 狀 況 , 並 分 析 在 此 組 裝 條 件 下
刀 片 及 刀 軸 是 否 合 乎 設 計 需 求 , 確 認 邊 界 及 設 計
要 求 後 便 將 模 型 經 由 繪 圖 軟 體 繪 製 完 成 後 匯 入
ANSYS, 並 依 圖 1 的 邊 界 條 件 及 受 力 條 件 假 設 進
行 邊 界 及 受 力 設 定 , 模 擬 時 所 用 之 材 料 條 件 為 不
銹 鋼 , 拉 伸 降 伏 強 度 為 2.07×10 8 Pa 抗 壓 強 度 為
2.07×10 8 Pa, 楊 氏 係 數 為 1.93×10 11 Pa, 蒲 松 比 為
0.31。
3 . 結 果 與 討 論
應 變 (Elastic Strain) 分 析
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論 文 編 號 :GT9-010
應 變 分 析 結 果 如 圖 7、8、9 所 示 , 由 圖 中 色
階 變 化 分 佈 狀 況 可 得 知 , 目 前 所 設 計 之 活 動 可 調
間 距 式 滾 輪 裁 切 刀 具 , 組 裝 刀 片 片 數 為 30 片 ,
其 最 大 應 變 發 生 處 發 生 在 配 置 在 兩 側 的 間 隙 套
筒 上 , 受 到 刀 片 與 刀 軸 的 側 向 變 形 推 擠 或 拉 伸 ,
最 大 變 形 量 為 7.64×10 -7 , 當 刀 片 組 裝 數 量 增 加 至
40 片 及 50 片 時 其 應 變 變 化 狀 況 則 如 圖 7 所 示 ,
由 圖 9 的 應 變 數 值 曲 線 可 得 知 , 當 刀 軸 上 所 組 裝
的 刀 片 數 目 為 30 片 時 , 刀 軸 上 最 大 的 變 形 量 為
7.64×10 -7 , 刀 片 數 目 為 40 片 時 , 刀 軸 上 最 大 的 變
形 量 為 1.26×10 -6 , 而 當 刀 片 數 目 為 50 片 時 , 刀
軸 上 最 大 的 變 形 量 為 3.62×10 -6 , 可 看 出 當 模 擬 刀
軸 上 所 組 裝 的 刀 片 數 目 為 30 片 時 在 間 隙 套 筒 上
有 一 較 小 的 應 變 量 , 隨 著 刀 片 數 目 的 增 加 , 則 間
隙 套 筒 的 應 變 量 則 跟 著 上 昇 。 綜 合 分 析 而 言 , 這
顯 示 依 目 前 刀 軸 的 組 裝 方 式 與 所 選 用 的 材 料 材
質 , 當 刀 具 放 上 工 具 機 台 後 , 刀 軸 的 因 自 重 與 鎖
固 方 式 使 得 間 隙 套 筒 受 力 產 生 的 尺 寸 應 變 , 且 當
刀 片 放 置 30 片 時 可 讓 間 隙 套 筒 有 較 小 的 應 變
量 , 但 這 三 組 刀 片 所 得 之 應 變 量 皆 極 為 微 小 , 整
體 增 加 的 幅 度 並 不 明 顯 , 都 在 材 料 容 許 的 範 圍 之
內 , 表 示 此 一 材 料 設 定 可 以 使 用 。
圖 4、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 40 片 刀 片 後 的 模 擬 應
變 分 析 圖
圖 5、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 50 片 刀 片 後 的 模 擬 應
變 分 析 圖
圖 3、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 30 片 刀 片 後 的 模 擬 應
變 分 析 圖
圖 6、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 不 同 刀 片 數 目 的 模 擬 應 變
分 析 圖
應 力 (Elastic Stress) 分 析
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論 文 編 號 :GT9-010
應 力 分 析 結 果 則 如 圖 7、8、9 所 示 , 由 圖 中
色 階 變 化 分 佈 狀 況 可 得 知 , 目 前 所 設 計 之 活 動 可
調 間 距 式 滾 輪 裁 切 刀 具 其 最 大 應 力 均 勻 發 生 在
刀 片 的 刀 峰 上 , 受 力 值 為 0.153 MPa, 遠 低 於 降
伏 強 度 3 個 數 量 級 , 因 此 可 以 確 認 本 計 劃 利 用 工
具 鋼 此 一 材 料 作 為 活 動 可 調 間 距 式 滾 輪 裁 切 刀
具 的 刀 片 並 不 會 在 使 用 後 馬 上 產 生 降 伏 破 壞 。
另 外 , 在 針 對 不 同 刀 片 數 目 對 刀 軸 應 力 影 響
分 析 則 可 得 知 刀 軸 本 身 受 到 重 力 及 輔 助 滾 輪 重
量 的 影 響 而 產 生 的 應 力 並 不 大 , 由 圖 7、8、9 的
色 階 圖 亦 明 白 顯 示 出 刀 軸 所 受 之 應 力 並 不 明
顯 。 而 刀 片 本 身 所 受 到 的 相 對 應 力 曲 線 如 圖 10
所 示 , 刀 片 為 30 片 時 , 刀 片 所 受 到 的 應 力 值 為
0.153 MPa, 刀 片 為 40 片 時 , 所 受 到 的 應 力 值 為
0.252 MPa, 此 時 刀 片 所 受 到 的 應 力 值 為 最 大 , 而
當 刀 片 為 50 片 時 , 刀 片 所 受 到 的 應 力 值 為 0.356
MPa, 應 力 狀 態 呈 現 , 圖 11、12、13 亦 顯 示 出 配
置 多 片 刀 片 於 刀 軸 上 所 產 生 的 額 外 風 險 , 若 刀 片
本 身 材 料 韌 性 及 強 度 不 夠 , 單 重 力 的 影 響 便 足 以
使 刀 峰 產 生 永 久 形 變 , 進 而 降 低 刀 片 使 用 壽 命 ,
而 本 計 劃 所 採 用 之 材 料 為 工 具 鋼 , 模 擬 所 得 出 之
結 果 顯 示 皆 在 材 料 安 全 使 用 範 圍 內 , 可 放 心 使
用 。
圖 8、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 40 片 刀 片 後 的 模 擬 應
力 模 擬 圖
圖 9、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 50 片 刀 片 後 的 模 擬 應
力 模 擬 圖
圖 7、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 30 片 刀 片 後 的 模
擬 應 力 模 擬 圖
圖 10、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 不 同 刀 片 數 目 的 模 擬 應 力
模 擬 圖
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接 觸 面 壓 力 (Contact Pressure) 分 佈 分 析
接 觸 面 壓 力 分 佈 分 析 結 果 如 圖 9、10、11 所
示 , 此 次 分 析 結 果 由 於 受 到 邊 界 條 件 及 刀 軸 和 輔
助 滾 輪 配 置 位 置 的 關 係 , 針 對 刀 片 與 刀 軸 及 刀 軸
和 輔 助 滾 輪 及 工 具 機 台 間 的 壓 力 分 佈 情 況 做 一
模 擬 , 由 圖 可 知 , 於 刀 軸 跟 刀 片 間 最 大 的 壓 力 發
生 點 在 於 左 右 兩 側 刀 片 與 刀 軸 上 刀 片 定 位 環 接
觸 的 側 壁 上 , 刀 軸 配 置 30 片 刀 片 時 其 左 右 側 最
外 緣 刀 片 側 壁 所 承 受 的 壓 力 值 為 0.174 MPa, 而
工 具 機 台 與 軸 間 的 壓 力 最 大 發 生 區 域 則 為 輔 助
滾 輪 與 機 台 間 支 承 位 置 , 這 現 像 亦 表 示 此 處 是 最
易 受 到 長 時 間 運 作 而 產 生 磨 耗 損 壞 的 位 置 。
進 一 步 對 刀 軸 進 行 組 裝 不 同 數 量 裁 刀 刀 片
模 擬 分 析 時 其 結 果 如 圖 12 所 示 , 當 刀 片 數 目 為
30 片 時 , 刀 片 側 壁 所 承 受 之 最 大 壓 力 為 0.174
MPa, 刀 片 數 目 為 40 片 時 則 提 昇 至 0.451 MPa,
刀 片 數 目 為 50 片 時 則 略 降 至 0.473 MPa。 此 一 結
果 與 圖 14 所 呈 現 之 應 力 變 化 圖 相 互 呼 應 。
圖 12、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 40 片 刀 片 後 的 模 擬
接 觸 面 壓 力 分 佈 圖
圖 13、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 50 片 刀 片 後 的 模 擬
接 觸 面 壓 力 分 佈 圖
圖 11、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 組 裝 30 片 刀 片 後 的 模 擬
接 觸 面 壓 力 分 佈 圖
圖 14、 滾 輪 裁 切 刀 具 在 不 同 刀 片 數 目 模 擬 接
觸 面 壓 力 分 佈 圖
4. 結 論
本 研 究 成 功 得 以 有 限 元 素 分 析 法 針 對 滾 輪
裁 切 刀 具 作 一 詳 盡 的 探 討 :
a. 模 擬 結 果 顯 示 , 隨 著 刀 軸 上 所 配 置 的 刀
片 數 目 的 增 加 其 刀 軸 的 應 力 應 變 相 對 的
減 少 , 但 相 對 的 對 於 裁 切 用 滾 刀 刀 片 本
身 所 需 承 受 的 應 力 應 變 則 相 對 地 增 加 許
多 , 也 會 影 響 到 刀 片 的 使 用 壽 命 ;
b. 藉 由 接 觸 面 的 分 析 顯 示 , 刀 具 及 機 台 在
運 轉 時 所 承 受 之 最 大 壓 力 發 生 處 在 進 行
相 關 設 計 上 此 處 需 要 特 別 進 行 強 化 處
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論 文 編 號 :GT9-010
理 , 以 延 長 使 用 壽 命 。
5. 致 謝
本 研 究 感 謝 高 雄 市 地 方 型 SBIR 計 劃 ( 計 劃
編 號 :10104) 經 費 之 支 持
6. 參 考 文 獻
1. 一 種 滾 筒 式 裁 切 裝 置 , 台 灣 專 利 第 424662
號 。
2. 洪 士 烜 , 應 用 ANSYS/LS-DYNA 模 擬 正 交
金 屬 切 削 切 屑 形 成 機 構 及 溫 度 之 研 究 , 大 同
大 學 , 碩 士 論 文 ,2008。
3. 王 新 榮 、 陳 時 錦 , 有 限 元 素 法 及 其 應 用 , 中
央 圖 書 ,1999。
4. 李 輝 煌 ,ANSYS 工 程 分 析 基 礎 與 觀 念 , 高
立 圖 書 ,2005。
5. S.Kyriakides and P.K.Shaw, Response and
Stability of Elastoplastic Circular Pipe under
Combined Bending and External Pressure, Int.
J. Solids Struct.,Vol.18, No.11, p.957-973,
1982.
6. P.K.Shaw and S.Kyriakides, Inelastic Analysis
of Thin-Walled Tubes under Cyclic Bending,
Int. J. Solids Struct., Vol.21, No.11,
pp.1073-1100, 1985.
7. S.Kyriakides and P.K.Shaw, Inelastic Buckling
of Tubes under Cyclic Bending, ASME, J. of
Pressure Vessel Tech., Vol. 109, pp.169-178,
1987.
8. E.Cornoa and S.Kyriakides, On the Collapse
of Inelastic Tubes under Combined Bending
and Pressure, Int. J. Solids Struct., Vol.24,
No.5, pp.505-535, 1988.
9. 林 清 安 ,Pro/ENGINEER Wildfire 2.0 基 楚 入
門 與 範 例 , 知 城 數 位 科 技 股 份 有 限 公 司 ,
2005。
10. 康 淵 、 陳 信 吉 ,“ANSYS 入 門 ", 全 華 圖 書 ,
2006。
595