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數控機床驅動裝置（zhì）可靠性技術研究

2019-6-28 來源：大連機床集團工藝裝備大連金潤液（yè）壓作者：饒彥平尹闊呂靜

摘要：數控機床驅動裝置的穩定性決定了機床整機的可靠性。通過分析驅動裝置關鍵零部件（jiàn）的結（jié）構特點、加工（gōng）及裝配過程的關（guān）鍵精度要求（qiú），提出了相關的精度保證方法以及評（píng）定過程，采用（yòng）技術手段控（kòng）製關鍵零件的加工方法，提高了零件的精度及穩定性，並根據結構特點（diǎn）采（cǎi）用合適的裝配方法，從而提高了驅動裝置的可靠（kào）性。該方法可操作性強，有一定的推廣價值。

關鍵詞（cí）：數控機床；驅動裝置；可靠性

目前，數控機床在製造業中所占的比重越來越大（dà），數控機床在使用過程中的可靠性也越來越受到重視。在數控機床的可靠性中，定位精度及重複（fù）定位精度更是人們（men）關注的焦點。機床的定（dìng）位精度與重複（fù）定位（wèi）精度決定了加工零件的精度，如數控車及數控磨加工外圓的精度、加工中心加工零件的孔間位置誤差與（yǔ）加工模具時零件表麵質量等均與（yǔ）定（dìng）位精度及重複定位精度有（yǒu）關。定位精度與重複定位精（jīng）度與驅動裝置有關。

１　驅動裝置分析

１．１　驅動裝置結構

數控機床驅動裝置（見圖（tú）１）包括驅動電動機、電動機座、聯軸節、前軸承、絲杠螺母、螺母座、滾（gǔn）柱／滾珠絲杠、軸承座、後軸承和鎖緊螺母等。

圖１　數（shù）控機床驅動裝置示例

１．２　安（ān）裝時關鍵精度

數控機床驅動裝置安裝時應保證如下精度要求：１）絲杠及螺母副本身的加工（gōng）及裝配精度；２）安（ān）裝前後軸承外孔（電動機（jī）座及軸承座軸承孔）的加工及裝配時的同軸度誤差；３）螺母座與絲杠螺母接合（hé）麵的平行度精度；４）電動機座中電動機（jī）安裝孔與軸承孔的同軸度精度；５）前軸承鎖緊螺母的鎖（suǒ）緊扭矩控製要求；６）後軸承鎖緊螺母預拉變形量控製要求。

１．３　技（jì）術（shù）要求

驅動裝置主要精度為電動機座、螺母座、軸承座（以（yǐ）下簡稱（chēng）三座）的製造精度，以（yǐ）及與之相（xiàng）配零（líng）件的裝配精度有關，其技術要求如下。

１）三座中的基準孔一般是（shì）裝軸（zhóu）承或電（diàn）動機止口安裝孔，其精度要求為ＩＴ６～ＩＴ７，表麵粗糙度要求為Ｒａ１．６μｍ。

２）零件上（shàng）用於連接的裝配基麵將直接影響三座與其相連接零件安裝時的相對位置及加工中的定位精度，因而要（yào）有較高的平麵度和（hé）表麵粗糙度（dù）。其（qí）平麵度要求為０．０１～０．００５ｍｍ，表麵粗糙度要求為Ｒａ０．８～Ｒａ１．６μｍ。

３）與裝（zhuāng）配基麵平行或垂直的基準孔中心線，其平行或垂直在全長範圍內要求為（wéi）０．００５～０．０１ｍｍ。

４）當安（ān）裝基準麵與基體連接有刮研要求時，配合需精密吻合（hé）。

２　、加工過程分析

由於三座中，電動機座（zuò）的製造精度起作（zuò）用，因此，本文對電動機座（zuò）的加工過程進行分析。

２．１　電動機座加工工藝

電動機座（見圖２）為數控機床Ｚ向驅動裝置中與伺服電動機（jī）相連的關鍵零件，其總體尺寸不大，從其功能上看，一方麵滿足與電動機的連接及與床體的連接；另一方麵通過軸承支承（chéng）絲杠（gàng）和聯軸節等零件，故要求（qiú）有較高的支承剛度，因此一般（bān）將其（qí）做（zuò）成不規則的腔型（xíng）結構（見圖２）。

圖２　電動機座尺寸圖

為了提高電動機座的強度和剛度，一般采用力學性能較（jiào）好的（de）珠光體灰口鐵ＨＴ２５０或ＨＴ３００鑄造而成。

２．２　電動機座技術要求

電動機座的技（jì）術（shù）要求見（jiàn）表１。

表１　電動機座的技術要求

２．３　機械加工工藝過程（chéng）

電動機（jī）座按（àn）成批生產時的加工工藝（yì）過程如下。

１）１０序：以安裝麵定位加工工藝粗基準麵。

２）２０序：粗半（bàn）精（jīng）加（jiā）工安裝麵及工藝孔。

３）３０序：以２０序（xù）安裝麵及工藝孔定位粗半精加工各麵、孔。

４）４０序：精加工安裝麵。

５）５０序：以精加工後安（ān）裝麵（miàn）及工藝孔定位精加工各麵、孔。

２．４　工藝分析

２．４．１　精度要求

要求孔係與安裝接合麵（miàn）平行（háng）度為０．０１ｍｍ（比較嚴格），距離公差為±０．０５ｍｍ，電動機安裝（zhuāng）麵（miàn）與孔係垂直度為（wéi）０．０１ｍｍ，電動（dòng）機安裝孔與軸承安裝（zhuāng）孔同軸度為０．０１ｍｍ。從（cóng）各項幾何（hé）公差來（lái）看，此工件為高精度工件。

２．４．２　材料特性、加工（gōng）方（fāng）案及工藝（yì）措施

工件材料（liào）為灰口鑄鐵ＨＴ２５０或ＨＴ３００，材質比較軟，裝夾力量過大則容易變（biàn）形，為保證工件各項精度（dù），對於單件生產需要對安裝接合麵進行刮研（yán），保證平麵度0.01 mｍ，在坐標鏜床上對孔係進行精鏜，保證孔（kǒng）係與安裝接合麵的平行度及電動機安裝（zhuāng）孔與軸承安裝（zhuāng）孔的（de）同軸度。但是對於目前機床的批量生產，電動機座需（xū）要大（dà）批量加工製造，每天的產量在６０件以上，仍然使用傳（chuán）統工藝對工件進行加工製造，需要增加（jiā）坐標鏜床的數量，生產成本過大。

為了（le）完成（chéng）每天６０件（jiàn）的生產任務，在保證工件加工精度的前提下，筆者對工件的加工工藝進行（háng）了調整，使用立式加工中心（ＶＤＬ１０００）對安裝接合麵進行粗銑留量，同時（shí）加工兩沉孔（按Ｈ７加（jiā）工成品）以一麵（miàn）兩銷的定位形（xíng）式對孔係及工（gōng）件其他部分進行粗（cū）加工，使用立式加工中心（ＭＤＶ５５帶光柵尺）對（duì）安裝接合麵進行精加工，同時加工兩定位銷孔（按Ｈ７加工）孔距±０．０１ｍｍ，再以一麵兩銷的定位形式對孔係進行精（jīng）加工（gōng）。如（rú）此方法，隻需在原有設備基（jī）礎上新增２、台（tái）立式加工中心（ＭＤＶ５５）設計製作４套液壓夾具，實行一人多機（jī），即可降低每（měi）年數十（shí）萬（wàn）元的生產成本。

２．５　質量評定（dìng）

試製的樣件經過（guò）三坐標檢測，安裝接合麵（miàn）平麵度為０．０１ｍｍ，電動機安裝麵與孔係垂直度在２００ｍｍ長度上為０．０１ｍｍ，距（jù）離（lí）公差為（wéi）±０．０２ｍｍ，電動機安裝（zhuāng）孔（kǒng）與軸承安（ān）裝孔同軸度為０．００８ｍｍ。實踐證明，新的工藝方法（fǎ）能夠滿足圖樣設計（jì）要（yào）求。

３　、裝配過（guò）程分析

３．１　主要裝配零件

該驅（qū）動裝置是由滾珠絲杠副、前端電動機座組件、後端（duān）軸承座組件、聯軸器及伺服電動機組成的，這種結（jié）構有（yǒu）著很高的傳動精度（dù）、定位精度和重複定（dìng）位精（jīng）度。由於經過精密的加（jiā）工、裝（zhuāng）配，加上絲杠的傳動效率（lǜ）高，所以（yǐ）它（tā）有較好的高（gāo）速特性。滾珠絲杠副由絲杠與螺母兩大部分組（zǔ）成，工作時借助鋼球在絲杠與螺母之（zhī）間做點接觸（chù）的（de）滾動，從而（ér）實現絲杠或螺母的位（wèi）移。

近年來，滾珠絲杠副作為數控機床直線驅動執行單元（yuán），在機床行業（yè）得（dé）到了廣泛的應用。滾珠絲（sī）杠副具有（yǒu）極高的傳動效率，可達９０％以上，為傳統滑動絲杠的３倍，並可實現可逆性傳動，使運動部件的發熱量大幅降低。滾珠絲杠副經（jīng）過精密磨削、精密裝配和嚴格檢驗，因此，有很高的（de）傳動精度。由於（yú）絲杠、螺母（mǔ）和鋼球之間均為點接觸（chù），且本身經過硬化處理及多次（cì）定性處（chù）理，所以其磨損、變形極小，因而大大（dà）提高了其（qí）使用壽命。

電動機座組件是絲杠的主要支承單元，絲杠的（de）前端支承在一對（duì）角接（jiē）觸軸承（chéng）上，兩軸承背靠（kào）背安裝，能承受徑向負荷和２個方向的軸向（xiàng）負荷，在有力矩作用時剛度很高，但同時這種結構對軸承孔的幾何公差要求較（jiào）高；預緊力是決定角接觸軸承性能的重要因素，預緊力越大，徑向剛度和軸向剛度都會提（tí）高，但同（tóng）時（shí）溫升也會加大，因此在安（ān）裝過程中應采用合適的力矩（jǔ）控（kòng）製軸承的預緊力，防止預緊力過大（dà）或過小。

聯軸器能在一定程度上補（bǔ）償連接件的軸向、角向和徑向偏差，同時不會造成磨損（sǔn）和提前失（shī）效，最大程度地避免了伺服電動機振動、發熱等因素對絲杠的影（yǐng）響。在安裝過程中，連接軸的對中性越好，它的使用壽命和（hé）傳遞效果就越好，因此，應最大程度地（dì）保證聯軸器的安裝精度。為確保數控（kòng）機床進給係統的（de）傳動精（jīng）度、靈敏（mǐn）度和工作穩定性，在裝配過（guò）程中應使用合理的工具、工裝和檢具（jù），才能保證裝配精度，獲得（dé）合格的產品。

３．２　裝配要求

驅動（dòng）裝置裝配要求如下。

１）絲杠組件自（zì）身的精度。滾珠絲杠副作為關鍵的滾動原件，對機構的性能舉足（zú）輕重，其精度的高低（dī）直接（jiē）影（yǐng）響了整個機構的工作效果，因而應根（gēn）據實際的工作要求（定位精度、傳動速度和扭矩等情況）選擇合適（shì）的絲杠組（zǔ）件。

２）絲杠中心線與導軌（guǐ）平行（háng）度。由於絲杠是精密（mì）部件，電動機座、軸承座的同心度以及軸線對床身導軌的平行度直接決定了絲杠安裝後的綜合精度，在整機試車過程中的定位精度、重複定位精（jīng）度和反向（xiàng）偏差（chà）等都與絲杠安（ān）裝質量的好壞有著直接的關係；因此，在安裝絲杠前，應先檢測電動機座、軸承座的單項精度、兩座軸線對導軌的（de）等距度及接合麵的（de）接觸精度，並將各支座打上（shàng）錐銷孔（kǒng）定位；之後再進行滾珠絲杠副和其餘件的安裝。

３）絲杠裝配後的軸向（xiàng）竄動與徑向跳（tiào）動。這兩項精度對所傳動部件的運動精度有（yǒu）很大影響（xiǎng），國家標準對於絲杠（gàng）的軸（zhóu）向竄動和徑向（xiàng）跳動有著嚴（yán）格的規定，主要通過軸（zhóu）承的預（yù）緊進行控製。

４）聯軸器的安裝精度。要求安裝時絲杠軸線與伺服電動（dòng）機軸線同軸（zhóu）度為０．０１ｍｍ。３．３　精度要求安裝過程中應重點保證（zhèng）如下精度。

３．３　精度要求

安裝過程中應（yīng）重點保證如下精度（dù）。

１）軸承座、電動機座與床體（tǐ）接觸（chù）麵的接觸精度，螺母座端麵與接合麵的（de）接觸精度：８個／２５ｍｍ×２５ｍｍ。

２）軸承座與電動（dòng）機座軸承孔軸線與（yǔ）床身導軌的平行度０．０１ｍｍ／２００ｍｍ。

３）軸承座與電動機座（zuò）軸承孔軸線與床身導軌（guǐ）的等距度０．０２ｍｍ。

４）伺服電動機軸線與絲杠軸線的同軸（zhóu）度０．０１ｍｍ。

３．４　保證精度的措施

保證精度的措施如下。

１）首先，將電動機座、軸承座各接觸麵、棱邊、內孔各處清理幹淨，保證（zhèng）各安裝麵無飛邊後，將其固定到（dào）床體（tǐ）麵上；然（rán）後，將軸承座、電動機座孔內分別裝上（shàng）檢驗棒，采用專用找表胎，以床身導軌（guǐ）為基（jī）準，用（yòng）千分表分別檢測兩檢驗棒（bàng）的上母線、側母線，按具體情況調整各件；最後根據實測誤差配磨軸承座下的調整墊，以達到精度（dù）要（yào）求。精度合格後，將電動機座、軸（zhóu）承座分（fèn）別打上錐銷（xiāo）孔，複查各檢（jiǎn）棒精度合格後將檢棒拆下（xià）。

２）滾珠絲（sī）杠副安裝到軸（zhóu）承座過程中，應保證軸承端蓋壓靠（kào）到（dào）軸承外環上，前後鎖緊螺母應采用力矩扳手安裝並鎖緊。定（dìng）絲（sī）杠螺母座時，應檢測螺母座端麵與接合麵（miàn）的接觸，保證螺母座與螺（luó）母接合麵的平（píng）行度。為補償由於加工過程中絲杠溫度（dù）引起的伸縮變形（xíng），在裝配時還應通過鎖緊螺母（mǔ）對絲杠進行預拉伸。

３）該聯軸器的（de）安裝精度主要通過加（jiā）工保證，即電（diàn）動機座上的１１０Ｈ７孔與Ａ孔的同軸度保證（zhèng）了安裝後徑向偏差的大小，伺服電動機和電動機座接合麵與１１０Ｈ７孔（kǒng）的垂直度要求保證了安裝後角向偏（piān）差的大小，在加工過程中應重點保證其精度。

４　結語

經過近幾年對大連機床集（jí）團數控機（jī）床驅動裝置生產過程中加工及裝配工藝的研究，產品質量和出（chū）廠精度穩定性有了（le）明顯的提高，機床使用（yòng）的可靠性也有了明顯的提高。

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