030013 大秦鐵路股份有限公司太原北車輛段 山西 太原｜冀青海

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淺談數(shù)控絲杠車床開發(fā)

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介紹了一種專用絲杠加工車床的結(jié)構(gòu)，對(duì)母絲杠及液壓升降托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：絲杠車床；主軸箱；升降托架；消隙機(jī)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床在我單位輪對(duì)加工、車輛檢修中有廣泛應(yīng)用，維修中滾珠絲杠損壞、更換、維修較多，滾珠絲杠的質(zhì)量高低直接影響到機(jī)床加工精度，為此組織研制了專用絲杠的加工車床，本機(jī)床有別于傳統(tǒng)數(shù)控臥式車床，高精度數(shù)控絲杠車床設(shè)計(jì)需要考慮更多因素，因精密加工過(guò)程對(duì)熱，振動(dòng)所造成的影響反應(yīng)敏感，為了實(shí)現(xiàn)高精度，必須根據(jù)工件特點(diǎn)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)一種絲杠車床關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，體現(xiàn)絲杠車床的設(shè)計(jì)思路。

主軸箱部分

設(shè)計(jì)床頭箱要考慮的問(wèn)題很多，主要考慮由于熱，震動(dòng)等原因?qū)鹊挠绊?，所以設(shè)計(jì)高精密機(jī)床需要考慮的問(wèn)題多于通用機(jī)床的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)需要特殊設(shè)計(jì)。

本機(jī)床在工作時(shí)轉(zhuǎn)速為16～20轉(zhuǎn)/分鐘，定位為絲杠精加工設(shè)備，切削力很小。區(qū)別于傳統(tǒng)主軸箱的齒輪傳動(dòng)，本主軸箱傳遞動(dòng)力的方法是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳遞給蝸桿，由蝸桿傳遞給蝸輪，再由蝸輪與主軸直聯(lián)，將動(dòng)力傳遞給主軸，主軸將動(dòng)力傳遞給工件使工件旋轉(zhuǎn)。主電機(jī)采用落地式結(jié)構(gòu)，通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞到主軸箱，避免電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的針對(duì)對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。

a帶輪的卸荷

在帶輪將動(dòng)力傳遞給蝸桿時(shí)，由于皮帶的張緊，會(huì)將皮帶的拉力傳遞給蝸桿，使蝸桿受壓，蝸桿在這樣一個(gè)力的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲或影響其運(yùn)動(dòng)精度。為了消除該作用力，本機(jī)床采用帶輪卸荷結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將皮帶的拉力通過(guò)軸承傳遞給軸承座，而將我們所需要的旋轉(zhuǎn)力通過(guò)軸承蓋傳遞給蝸桿（見圖1右側(cè)）。

b床頭蝸輪蝸桿消除間隙

為了保證絲杠螺距的精確，主軸傳動(dòng)必須準(zhǔn)確，因此必須消除蝸輪蝸桿傳動(dòng)間隙，根據(jù)本機(jī)床的實(shí)際情況，自己設(shè)計(jì)專用傳動(dòng)消隙結(jié)構(gòu)。采用可消除間隙的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：選用雙導(dǎo)程蝸桿，將蝸桿左側(cè)加工有螺紋，在裝配及調(diào)整時(shí)，松開右端的螺母，調(diào)整左端的螺母，蝸桿在螺紋的作用下向另一端移動(dòng)，通過(guò)蝸桿的軸向移動(dòng)消除蝸桿與蝸輪之間的間隙（見圖1左側(cè)），調(diào)整到位后將松開的螺母緊固即可。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，輕載精加工工況，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行，不需要經(jīng)常調(diào)整。

在床頭的后端，在主軸上安裝有海德漢的角度編碼器，該角度編碼器在工作中測(cè)量主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，精確定位，通過(guò)系統(tǒng)的計(jì)算與進(jìn)給軸配合，完成加工。

床身部分的設(shè)計(jì)

床身采用雙山導(dǎo)軌，這種床身定位結(jié)構(gòu)屬于過(guò)定位，但通過(guò)加工及裝配控制，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較單山定位結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的運(yùn)行，消除單山窄定位出現(xiàn)的床鞍擺動(dòng)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)更高的精度及運(yùn)行穩(wěn)定性。圖2中所示外側(cè)兩個(gè)山型為床鞍用，內(nèi)側(cè)兩個(gè)山型為尾座用。

圖2　

母絲杠的設(shè)計(jì)

母絲杠選擇高精度滾珠絲杠，長(zhǎng)規(guī)格的絲杠安裝一般采用兩種形式，一種是一端與伺服電機(jī)連接，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)；一種是采用絲杠動(dòng)，絲杠螺母旋轉(zhuǎn)方式。比較兩種方式，前者為傳統(tǒng)方式，如果絲杠長(zhǎng)度自身慣量較大，則帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)的電機(jī)功率必須更大；后者電機(jī)一般安裝在床鞍上，僅用于驅(qū)動(dòng)絲母旋轉(zhuǎn)，因此電機(jī)功率較小，但電機(jī)的振動(dòng)會(huì)傳遞給床鞍，影響加工精度。綜合考慮該機(jī)床為精密加工設(shè)備，因此采用前者傳動(dòng)方式。

絲杠采用一端定位（圖3），一端（圖4）預(yù)拉伸但不完全定位的方法，這樣做的原因：由于滾珠絲杠在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，絲杠會(huì)由于熱變形的原因伸長(zhǎng)，如果兩端都定位，則絲杠變彎影響加工精度，且易產(chǎn)生振動(dòng)。絲杠受熱伸長(zhǎng)超過(guò)預(yù)拉伸量后，向不完全定位的方向微量伸長(zhǎng)，不影響絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

圖 3

圖 4

由于高精度滾珠絲杠對(duì)熱，振動(dòng)所造成的影響反應(yīng)敏感，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮，盡可能讓其安裝在遠(yuǎn)離熱源、振源。電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的熱和震動(dòng)。

絲杠托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

高精度數(shù)控絲杠車床母絲杠由于絲杠長(zhǎng)，臥式安裝時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲撓度，因此必須考慮采用一定數(shù)量的支撐托架。托架數(shù)量的確定根據(jù)絲杠撓度的大小，機(jī)床的精度要求等有關(guān)。

絲杠的撓度計(jì)算遵循下述公式：

I 絲杠最小斷面慣性矩（mm4）

通過(guò)計(jì)算，可以算出絲杠整體撓度，絲杠懸長(zhǎng)6868mm撓度為3.65mm，作為高精度絲杠車床，這是絕對(duì)不行的。根據(jù)撓度公式及機(jī)床的情況，進(jìn)行分析，確定支撐的數(shù)量，支撐的選擇應(yīng)該根據(jù)機(jī)床的具體情況，根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)床的精度要求，合理的選擇支撐個(gè)數(shù)，同時(shí)要考慮到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)對(duì)支撐的影響，床鞍運(yùn)動(dòng)的速度，支撐升降速度等等。由于床鞍運(yùn)動(dòng)時(shí)，支撐必須讓開與床鞍相連接的螺母，因此必須考慮由此帶來(lái)的母絲杠的撓度變化。理論上支撐越多越好，因?yàn)樵跐L珠絲杠螺母通過(guò)時(shí)，會(huì)有一個(gè)支撐躲開螺母，這樣滾珠絲杠在不考慮床鞍通過(guò)螺母對(duì)絲杠作用的情況下，絲杠懸長(zhǎng)加大，撓度增加，根據(jù)撓度的變化來(lái)最終確定支撐的數(shù)量。根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的要求，滿足精度，本機(jī)床最終確定11個(gè)支撐。在這種情況下，各支撐點(diǎn)間絲杠撓度為0.00017mm，個(gè)別支撐的脫離對(duì)整體撓度影響不大。

具體到絲杠托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮，我們采用了圖5所示的液壓升降式的托架設(shè)計(jì)方式，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

a托輥滾輪采用齒盤鎖緊定位，確保支撐過(guò)程中滾輪不偏擺，保持穩(wěn)定托持，托輥采用滾動(dòng)式結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)?。?/p>

b托架升降采用液壓控制，反應(yīng)迅速可靠，在齒盤上升后壓力不變，保證托架穩(wěn)定，升降速度迅捷，減少增加撓度的風(fēng)險(xiǎn)；

c采用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，出現(xiàn)意外自動(dòng)報(bào)警。

圖5　

綜上，通過(guò)該數(shù)控絲杠車床成功研制并在各類絲杠加工過(guò)程中的應(yīng)用，機(jī)床性能穩(wěn)定，精度高。解決了批量長(zhǎng)規(guī)格絲杠的加工產(chǎn)能不足的問(wèn)題，同時(shí)該機(jī)床的試制成功也為后期同類產(chǎn)品的開發(fā)起到良好的借鑒意義。

參考：

［1］ 陳心昭等.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2006.6.