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數控機床驅動裝置可（kě）靠性（xìng）技術研究

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

摘要：數控機床驅動裝（zhuāng）置的穩定性決定了機床整（zhěng）機的可（kě）靠性。通過分析驅動裝置關鍵零部件的結構特點、加工及裝配過程的（de）關鍵精度要求，提出了相關的精度保（bǎo）證方法以及評定過程，采用技術手段控製關鍵零件的加（jiā）工方法，提高了零件的精度及穩定性，並根據結構特點采用合適的裝配方法，從而提高了驅動裝置的可靠性。該方法可操（cāo）作性強，有一定的推廣價值。

關鍵詞：數控機床；驅（qū）動裝置；可靠性

目前，數控機床在（zài）製造業中所占的比重越來越大，數控機床在使用（yòng）過程中的可靠性也（yě）越來越受（shòu）到重視。在數控機床的可靠性中，定位精度及重複定位精度更是人們關注（zhù）的焦點。機床的定位（wèi）精度與重（chóng）複定位精度決定（dìng）了加工零件（jiàn）的精度，如（rú）數控車及數控磨加工外圓的精度（dù）、加（jiā）工中（zhōng）心加工（gōng）零件（jiàn）的孔間位（wèi）置誤差與加工模具時零件表（biǎo）麵質量等均與定位精度及重複定位精度有關（guān）。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（fèn）析

１．１　驅動裝置結構

數（shù）控機床驅動裝（zhuāng）置（見圖１）包括驅動電動機、電（diàn）動機座（zuò）、聯軸節、前軸承、絲杠螺母、螺母座、滾柱／滾珠絲杠、軸承座、後軸（zhóu）承（chéng）和（hé）鎖緊螺母等。

圖１　數控機床驅（qū）動裝置示例

１．２　安裝時關（guān）鍵（jiàn）精度（dù）

數（shù）控機床驅動裝置安裝時應保證（zhèng）如下精度要求（qiú）：１）絲（sī）杠及螺母副本身的加工及裝配精度；２）安裝前後軸承外孔（電動機座及軸承座（zuò）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麵的平行（háng）度精度（dù）；４）電動機座中電動機安裝孔與（yǔ）軸承孔的同軸度精度；５）前軸承（chéng）鎖緊螺母的鎖（suǒ）緊扭矩控製要求；６）後軸承鎖緊螺（luó）母（mǔ）預拉變形量控製要求。

１．３　技術要求

驅動裝置主要精度為電（diàn）動機座（zuò）、螺母座、軸承座（以下簡稱三座）的製造精度，以及與之（zhī）相配零件的裝配（pèi）精度有關，其技術要（yào）求如下。

１）三（sān）座中的基準孔一般是裝軸承或電動機（jī）止口安裝（zhuāng）孔，其精度要求為ＩＴ６～ＩＴ７，表麵粗糙度要求（qiú）為Ｒａ１．６μｍ。

２）零件上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（de）相對位置及加（jiā）工中的定位精度，因而要有較高的平麵度和表（biǎo）麵粗糙度。其平麵度要求為０．０１～０．００５ｍｍ，表麵粗糙度要求為Ｒａ０．８～Ｒａ１．６μｍ。

３）與裝配基麵平行或垂（chuí）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）當安裝基（jī）準麵（miàn）與基（jī）體連接有（yǒu）刮研要求時，配合需精密吻合。

２　、加工過（guò）程分析

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

２．１　電動機（jī）座加工工藝

電動（dòng）機（jī）座（見（jiàn）圖２）為數控機床Ｚ向驅動裝置中與伺服電（diàn）動機相連的關鍵零件（jiàn），其（qí）總體尺寸不大，從其功能上看（kàn），一（yī）方（fāng）麵滿足與電動機的（de）連接及與床體的（de）連（lián）接；另一方麵通過（guò）軸承支承絲杠和聯軸節（jiē）等零件，故要求有較高的支承剛度（dù），因此一般將其做成不（bú）規則的腔型（xíng）結構（見圖２）。

圖２　電動機（jī）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好的珠光體灰口鐵ＨＴ２５０或ＨＴ３００鑄造而成。

２．２　電動機座技術要求

電動機座的技（jì）術要求見表１。

表（biǎo）１　電動機座的技術要求

２．３　機械加工工藝過程

電動（dòng）機座（zuò）按成批生產時的加工工藝過程（chéng）如下。

１）１０序：以安裝麵定位加工（gōng）工藝粗基準麵。

２）２０序：粗半精加工安（ān）裝麵及（jí）工藝（yì）孔。

３）３０序：以２０序安裝麵及工藝孔定位粗半精（jīng）加工各麵、孔。

４）４０序：精加工安（ān）裝（zhuāng）麵。

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

２．４　工（gōng）藝分析

２．４．１　精度要求

要求（qiú）孔係與安裝接合麵平行度為０．０１ｍｍ（比較嚴格），距離公差為±０．０５ｍｍ，電動機安裝麵與孔係垂直度為（wéi）０．０１ｍｍ，電動機安裝孔（kǒng）與軸（zhóu）承安裝（zhuāng）孔同軸度為０．０１ｍｍ。從各項幾何公差來看，此工件為高（gāo）精度工（gōng）件。

２．４．２　材料特性（xìng）、加工方案及工藝措施

工件（jiàn）材料為灰（huī）口鑄鐵ＨＴ２５０或ＨＴ３００，材質比較軟，裝夾力（lì）量過大則容（róng）易變形，為（wéi）保證工（gōng）件（jiàn）各項精度，對於單件生產需要對安裝接合麵進行刮研，保證平麵度0.01 mｍ，在坐標鏜床上對孔係進行精鏜，保證孔係與安裝接合麵的平行度及電動機安裝孔與軸承安裝孔（kǒng）的同軸度。但是對於目（mù）前機床的（de）批量生產，電動（dòng）機座需要（yào）大批量加工製造，每天的產量（liàng）在（zài）６０件以上，仍然使用傳統工藝對工（gōng）件進行加工製造，需要增加坐標鏜床的數（shù）量，生產成本過大。

為了完成每（měi）天６０件的生產任務，在保證工件加工精度的前提下，筆者對工（gōng）件（jiàn）的加工工藝進行了調整，使用立式加工中心（ＶＤＬ１０００）對安裝（zhuāng）接合麵進行（háng）粗銑留量，同時加工兩沉孔（按Ｈ７加工成品）以（yǐ）一麵兩銷的定位（wèi）形式對孔（kǒng）係及工件其他部分進行粗加工，使用立式加工中心（ＭＤＶ５５帶（dài）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（àn）Ｈ７加工（gōng））孔距±０．０１ｍｍ，再以（yǐ）一麵兩銷的定位（wèi）形式（shì）對（duì）孔（kǒng）係進行精加工。如此方法，隻需在原有設備基礎上新增２、台立式加工中心（ＭＤＶ５５）設計製作４套液壓（yā）夾具，實行（háng）一（yī）人多機，即可（kě）降低每年數十萬元的生產成本。

２．５　質量評定

試製（zhì）的樣件經過三坐標檢測，安裝接合麵平麵度為０．０１ｍｍ，電動（dòng）機安裝麵與孔係垂直度在２００ｍｍ長度上為０．０１ｍｍ，距離公差為±０．０２ｍｍ，電（diàn）動機安裝孔與軸承（chéng）安裝孔同軸度為０．００８ｍｍ。實踐證明，新的工（gōng）藝方法能夠滿足圖（tú）樣（yàng）設計要求。

３　、裝配過程分析

３．１　主要裝配零件

該驅動裝置是由滾珠絲杠副、前端電動機座組件、後端軸承（chéng）座組件、聯軸器及伺服電動機組成的，這種結構（gòu）有著（zhe）很高的傳動精度（dù）、定位精度和重複定位精度。由於經過精密的（de）加工、裝配，加上絲杠的傳動效率高，所以它有較好的（de）高速特性。滾珠絲杠（gàng）副由絲杠與螺母兩大部分（fèn）組成（chéng），工作時借助鋼球在絲杠與螺母之間做點接（jiē）觸的滾動，從而實現絲杠或螺母的（de）位移。

近年來，滾珠絲杠副作為數控機床直（zhí）線驅動執行單（dān）元，在機（jī）床行業得到了廣泛的應用。滾珠絲（sī）杠副具有極高的（de）傳動效率，可達９０％以上，為傳統滑動絲杠的３倍，並（bìng）可實現可逆性傳動，使運（yùn）動部件的發熱量大幅降低。滾（gǔn）珠（zhū）絲杠副經過精密磨削、精密裝配和嚴格檢驗，因此，有（yǒu）很高的（de）傳動精度。由於絲杠、螺母和鋼球之間（jiān）均為點接觸（chù），且本身（shēn）經過（guò）硬化處理及多次定性處理，所以其磨損（sǔn）、變形極小，因而大大提高了其使用壽命（mìng）。

電動機座組件是絲杠（gàng）的主要支承單元，絲杠的前端（duān）支承在一對（duì）角接觸軸承上，兩軸承背靠背安裝，能承受徑向負荷和２個方向的軸向負荷，在有力矩作用時剛度很高（gāo），但同時這種結（jié）構（gòu）對（duì）軸承（chéng）孔的幾何（hé）公差要求較高；預緊力是決定角接觸軸承性能的（de）重要因素，預緊力越大，徑向剛度和軸向剛度都會提高，但同時溫升（shēng）也（yě）會加大，因（yīn）此（cǐ）在安裝過程中應采（cǎi）用（yòng）合適的力矩控製軸承的預緊力（lì），防止預緊力過大或過小。

聯軸（zhóu）器（qì）能在一定（dìng）程度上補償連接件的軸向、角向和徑向偏差，同時不會造（zào）成磨損（sǔn）和提前失效，最大程度地避免了伺服電動機（jī）振動、發熱等因素對絲杠的影響。在安裝過程中，連接軸（zhóu）的對中性越好，它的使用壽命和傳遞（dì）效果就越好，因此，應最大程度地保（bǎo）證聯軸器的安裝精度。為確保（bǎo）數控機床進給係統的傳動精度、靈敏度和工作穩定性，在裝配過程中應使用合理的工具、工裝和檢具，才能保證裝配（pèi）精度，獲得合格的產品。

３．２　裝配要求

驅（qū）動裝置裝配要求（qiú）如下。

１）絲杠組件自身的精度。滾珠（zhū）絲（sī）杠副作為關鍵的滾動原件，對機構的性能舉（jǔ）足（zú）輕重，其精度的高低直接影響了整個（gè）機構的工作效果，因而應根據實際的工作要求（定位精度、傳動速度和扭矩等情況）選擇合適的絲杠組件。

２）絲杠中心線與導軌平行度。由於絲杠是精密部（bù）件（jiàn），電動機座、軸承座的（de）同心度以及軸線對床（chuáng）身導軌的平行度直接決定（dìng）了絲杠（gàng）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（wèi）精度和反向偏差等都與絲杠安裝（zhuāng）質量的好壞有著直接（jiē）的關係；因此（cǐ），在安裝（zhuāng）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）等距度及接合麵的接觸精度，並將各支（zhī）座打上錐銷孔定（dìng）位；之後再進行滾珠絲杠副和其餘件的安裝。

３）絲杠（gàng）裝配後的軸向竄動與徑向（xiàng）跳動。這兩項精度對所傳動部件的運動精度有很大影響，國家標準（zhǔn）對於絲杠的軸向（xiàng）竄動和徑向跳動有著嚴格的規定，主要通過軸承的預緊進行控製（zhì）。

４）聯軸器的安裝精（jīng）度（dù）。要求安裝時絲杠軸線與伺服電（diàn）動（dòng）機軸線同軸度為０．０１ｍｍ。３．３　精（jīng）度要（yào）求安裝過程中應重點保證如下（xià）精度。

３．３　精度要求

安（ān）裝過程中應重點保（bǎo）證如下精度。

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

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

３）軸承座與電動機座軸承孔軸線與床身導軌的等距度０．０２ｍｍ。

４）伺服電動機軸線與絲杠軸（zhóu）線的同（tóng）軸度０．０１ｍｍ。

３．４　保證精度的（de）措（cuò）施

保證精度（dù）的措施如下。

１）首先，將電動機座、軸承座各接觸麵（miàn）、棱邊、內孔各處清理幹淨，保證各安裝麵無飛（fēi）邊後，將（jiāng）其固定到床體麵（miàn）上；然後，將軸承座、電動機座孔內分別裝上檢驗棒（bàng），采用專（zhuān）用找表胎（tāi），以床（chuáng）身導軌為基準，用千分表分別檢測兩檢驗棒的上母線、側母線，按具體情況調整各件；最後根據實測誤差（chà）配磨軸承座下的調整墊，以達到（dào）精度（dù）要求。精度合格後，將電動（dòng）機座、軸承座分別打上錐銷孔，複查各檢棒（bàng）精度合格（gé）後將檢棒拆（chāi）下。

２）滾珠（zhū）絲杠副安裝到（dào）軸承座過程中，應保證軸承端蓋壓靠到軸承外（wài）環上（shàng），前後鎖（suǒ）緊螺母（mǔ）應采用力（lì）矩扳手安裝並鎖緊。定絲杠螺母座時，應檢測螺母座（zuò）端麵與接合麵的接觸，保證（zhèng）螺母座與螺母接合麵的（de）平行度（dù）。為補償由於加工過程中絲杠（gàng）溫度引（yǐn）起的伸縮變形（xíng），在裝（zhuāng）配時還應通過鎖緊螺母對絲杠進行預拉伸。

３）該聯軸器的安裝精度主要通過加工（gōng）保證，即電動機座上的１１０Ｈ７孔與Ａ孔的同軸度保證了安裝後徑向偏差（chà）的大小，伺服電動機和電動機座接合麵與１１０Ｈ７孔的垂直（zhí）度要求保證了安裝後角向偏差的大小，在（zài）加工過程中應重（chóng）點保（bǎo）證其精度。

４　結語

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

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