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數（shù）控機床驅動裝置可（kě）靠性技術研究

2019-6-28 來源（yuán）：大連機床集團工藝裝備大連金潤液壓作者：饒彥平尹（yǐn）闊（kuò）呂靜

摘要：數控機床驅動裝置的（de）穩定性決定了機床（chuáng）整機的可靠性。通過分析驅動裝置（zhì）關鍵零部件的結構特點、加工及裝配過程的關鍵精度要求，提出（chū）了相（xiàng）關的精度保證方法以（yǐ）及評定過程，采（cǎi）用技術手段控製關鍵零件的加工方法（fǎ），提高了零件的精度及穩定性，並根據結構特點采（cǎi）用（yòng）合適（shì）的裝配（pèi）方法，從而提高了驅動裝（zhuāng）置的可靠性。該方法可操作性強，有一定的推廣價值。

關鍵詞：數控機床；驅動（dòng）裝置；可靠性

目前，數控機（jī）床在製造業中所占的比重越（yuè）來越大，數控機床在使用過程中（zhōng）的可靠性也（yě）越來越受到重視。在數控機床的可靠性（xìng）中（zhōng），定位精度及重複定位精度更（gèng）是人們（men）關注的焦點（diǎn）。機床的定位精度（dù）與重複定位精度決定了（le）加工零（líng）件的精度，如數（shù）控車及數控磨加工外圓的（de）精度、加工中心加工（gōng）零件的孔間（jiān）位（wèi）置誤差與加工模具（jù）時零件表麵質量等均與定位精度（dù）及重複定位精度有關。定位精度與重複（fù）定位精度與驅動裝置有關。

１　驅動裝置分析

１．１　驅動裝置結構

數（shù）控機床驅動（dòng）裝置（zhì）（見圖１）包括驅動電動（dòng）機（jī）、電動機座、聯軸節、前（qián）軸（zhóu）承、絲杠螺母、螺（luó）母座、滾柱／滾珠絲杠、軸承座、後軸承和鎖緊螺母等。

圖（tú）１　數控（kòng）機床驅動（dòng）裝置（zhì）示例

１．２　安裝時關鍵精度

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

１．３　技術要求

驅動裝置主要精度（dù）為電動機座、螺母座、軸承座（以下（xià）簡（jiǎn）稱三座（zuò））的製造精度，以及與之相配零（líng）件的裝配精度有關，其技術要求如（rú）下。

１）三座中的基準孔（kǒng）一般是裝軸承或電動機止口安裝孔（kǒng），其精度要求為ＩＴ６～ＩＴ７，表（biǎo）麵粗糙度要求為Ｒａ１．６μｍ。

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

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

４）當安裝基準麵與基體連接有刮研要求時，配合需精密吻合。

２　、加工過程分析

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

２．１　電動機座加工工（gōng）藝

電動機座（見圖２）為（wéi）數控（kòng）機床（chuáng）Ｚ向驅動裝置中與（yǔ）伺服電動機相（xiàng）連的關（guān）鍵零件，其總體尺寸不大，從（cóng）其功能上看（kàn），一方麵滿足與電動機的連接及與床體（tǐ）的連接；另一方麵通過軸承支承絲杠和聯軸節等零件，故要求有較高的支（zhī）承剛（gāng）度，因此一般將其（qí）做（zuò）成不規則的腔（qiāng）型結構（見（jiàn）圖２）。

圖２　電動（dòng）機座尺寸圖

為了提高電動機座的（de）強度和剛度（dù），一般采用力（lì）學性能（néng）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

電動機座的技術要求見表１。

表１　電動機座的技術要（yào）求

２．３　機械加工工藝過程

電動機座按成批生產時的加工工藝過程如下。

１）１０序：以安裝麵（miàn）定位加工工藝（yì）粗基準麵。

２）２０序：粗半精加工（gōng）安裝麵及工藝孔（kǒng）。

３）３０序：以２０序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：以精加工後安裝麵及工（gōng）藝孔定位精（jīng）加工各麵、孔。

２．４　工藝分析（xī）

２．４．１　精度（dù）要求（qiú）

要求孔係與（yǔ）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（chuí）直度為０．０１ｍｍ，電動機安裝（zhuāng）孔與軸承安裝孔同軸度為（wéi）０．０１ｍｍ。從各項（xiàng）幾何公差來看（kàn），此工件為高精度工件。

２．４．２　材料特性、加工方案及工藝措施

工件材料為灰口（kǒu）鑄鐵ＨＴ２５０或ＨＴ３００，材質比（bǐ）較軟，裝夾力量過大則容易變形，為保（bǎo）證工件各項精（jīng）度，對於單（dān）件（jiàn）生產需要（yào）對安裝接合麵進行刮研，保證平麵度（dù）0.01 mｍ，在坐標鏜（táng）床上對（duì）孔係進行（háng）精鏜，保證孔係與安裝接合（hé）麵的平行度（dù）及電動機安裝孔與軸承安裝孔的同軸度。但是對於目前機床的批量生產，電動機座需要大批量加工製造，每天的產量在６０件（jiàn）以上，仍然使用（yòng）傳統工藝對工件進行加工製造，需要增加坐標鏜床的數量，生產成本過大（dà）。

為了完成每天６０件的生產任務，在保證工件加工精度的前提下，筆者對工件的加工工藝進（jìn）行了調整，使用立式加工中（zhōng）心（ＶＤＬ１０００）對安裝接合（hé）麵進行粗銑留量，同（tóng）時加工兩沉孔（按Ｈ７加（jiā）工成品（pǐn））以一麵兩銷的定位形式對孔係及工件其他部分進行粗加工，使用（yòng）立式加工（gōng）中心（ＭＤＶ５５帶光柵尺）對安裝接合（hé）麵進行精加工，同時加工兩定位（wèi）銷孔（按Ｈ７加工）孔距±０．０１ｍｍ，再以一麵兩銷的（de）定位形式對孔係進行精加工。如此方法，隻需在原有設備（bèi）基礎（chǔ）上新增（zēng）２、台立式加工中心（ＭＤＶ５５）設計製作４套液壓（yā）夾具，實行一人（rén）多機，即可降低每年數十（shí）萬元（yuán）的（de）生產成本。

２．５　質量評定

試製的樣件經過三坐標檢測，安裝接（jiē）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）離公差為±０．０２ｍｍ，電動機（jī）安裝孔與軸（zhóu）承安裝（zhuāng）孔同（tóng）軸度為０．００８ｍｍ。實踐證明，新的工（gōng）藝方法能夠滿足圖樣設計要（yào）求。

３　、裝配過程分析

３．１　主（zhǔ）要裝配零件

該驅（qū）動裝置是由滾珠絲杠（gàng）副、前端電動機座組件、後端軸承座（zuò）組件、聯軸器及（jí）伺服電動機組成的，這種結構（gòu）有著很（hěn）高的傳動精度、定（dìng）位精度和重複定位精度。由於經過精密的加（jiā）工、裝（zhuāng）配，加上絲杠的傳動效率高，所以它有較好的高速特性。滾珠絲杠副由（yóu）絲杠與螺母兩大部分組成，工作時借助鋼球在絲杠與螺母之間做點接觸的滾動，從而實現絲（sī）杠或螺母的（de）位移。

近年來，滾珠絲杠副作為數控（kòng）機床直線驅動執行單元，在機床（chuáng）行業（yè）得到了廣泛的應用。滾珠絲杠（gàng）副具有極高的傳動效率，可達（dá）９０％以上，為傳（chuán）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（jiàng）低。滾珠絲杠副經過精密磨削、精密裝配和嚴（yán）格檢驗，因此，有很高的傳動（dòng）精度。由於絲杠、螺母和鋼球之間均為點接觸，且本身經過（guò）硬化處理及多次（cì）定性處理，所以其磨損、變（biàn）形極小，因而大大提高了其使用壽命。

電動機座組件是絲杠（gàng）的主要支承單元，絲杠的前端支承在一對角接觸軸承上，兩軸承（chéng）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（jǔ）作用時（shí）剛度（dù）很（hěn）高，但同時這（zhè）種結構對軸承孔的幾何公差要求較（jiào）高；預（yù）緊（jǐn）力是決定角接觸軸承性能的重要（yào）因素，預緊力越大，徑向剛度和軸向剛度都（dōu）會提高，但同時溫升（shēng）也會加大，因此在安裝過程中應（yīng）采用合（hé）適的力矩控製軸承的（de）預緊力（lì），防止預緊力過大或過小。

聯軸器（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（tóng）時不會（huì）造成磨損和提前失效（xiào），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響。在安裝過程中，連接軸的對中性（xìng）越好，它的使用壽命（mìng）和（hé）傳遞效果就越好，因此，應最大程度（dù）地保（bǎo）證聯軸器的安裝精度。為確（què）保數控機床（chuáng）進給係統的傳動精度、靈敏（mǐn）度和工作（zuò）穩定（dìng）性，在裝配過程中應使用合理的工具、工裝和檢具，才（cái）能（néng）保證裝（zhuāng）配精度，獲得合格的產品。

３．２　裝配（pèi）要求

驅（qū）動（dòng）裝置裝配（pèi）要求如下。

１）絲杠組件自身的精度。滾珠絲杠副作為（wéi）關鍵的滾動原件，對機構的性能舉足輕重，其精度的高低直接影響了整個機（jī）構的工作效果，因而應根（gēn）據實（shí）際的工作要求（定位精度（dù）、傳（chuán）動速度和扭矩等情況）選擇合（hé）適的絲（sī）杠組件。

２）絲杠中心（xīn）線與（yǔ）導（dǎo）軌平行度。由於絲杠是精密部件，電動機座、軸承座的同心度以及軸線對床身導軌的平（píng）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、重複定位精度和反向（xiàng）偏差等都與絲杠安裝質量的好壞有著直接的關係；因此，在安裝絲杠前，應先檢（jiǎn）測電動機座、軸承（chéng）座的單項精度、兩座軸線對導軌的等距度及接合麵的接觸精度，並將各支座打上錐銷孔（kǒng）定位；之（zhī）後再進行滾珠絲杠副和（hé）其餘件的安裝。

３）絲杠裝配後的軸向竄動與徑（jìng）向跳動。這（zhè）兩項精度對所傳動部件的運動精度有很（hěn）大影響，國家（jiā）標準對於絲杠的軸向（xiàng）竄動和徑向跳動有著嚴格的規定，主要通過軸承（chéng）的預（yù）緊進行（háng）控製。

４）聯軸器（qì）的安裝精度。要求安裝時絲杠軸線與伺服電動機軸線同軸度為０．０１ｍｍ。３．３　精度要求安（ān）裝過程中應重點（diǎn）保證如（rú）下精（jīng）度。

３．３　精度要求

安裝過程中應重點保（bǎo）證如下精度。

１）軸承座、電（diàn）動（dòng）機座與床體接觸麵的接觸精度，螺母座（zuò）端麵與接合麵的接觸精度：８個／２５ｍｍ×２５ｍｍ。

２）軸承座（zuò）與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（dù）０．０２ｍｍ。

４）伺服電動機軸線與絲杠軸線的同軸度０．０１ｍｍ。

３．４　保證精度的措施

保證精度的措施（shī）如下。

１）首先（xiān），將電動機座、軸承座各接觸麵、棱（léng）邊、內孔各（gè）處清理幹淨，保證各安裝麵無飛邊後，將（jiāng）其固定到床體麵上；然後，將軸承座、電動機座孔內分別裝上檢驗棒，采用專用找表胎，以床身（shēn）導軌為基準，用千分（fèn）表分別檢測兩檢驗（yàn）棒的上母線、側（cè）母線，按具體（tǐ）情況調整（zhěng）各件；最後根據實測誤（wù）差配磨軸承座下的調整墊，以達到精度要求。精（jīng）度合格後，將（jiāng）電動機座、軸承座分別（bié）打上錐銷孔，複（fù）查各檢棒精度合格後將檢棒拆下。

２）滾珠絲杠副安裝到軸承座過（guò）程中，應保（bǎo）證軸承（chéng）端蓋壓靠到軸承外環上，前後鎖緊螺母應采用力（lì）矩扳手安裝並鎖緊。定絲杠螺母座時，應檢測螺母座端麵與接合麵的接觸，保證（zhèng）螺母座與螺母接合麵的平行度。為補償由於加工過程（chéng）中絲杠（gàng）溫度引起的伸縮變（biàn）形，在裝配時還應通過鎖緊螺母對絲杠進行預（yù）拉（lā）伸。

３）該聯軸器的安裝精度主要（yào）通（tōng）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的大小，伺服電動機和電動機座接合麵與１１０Ｈ７孔的垂（chuí）直度要求保證了安裝後角向（xiàng）偏差的大小，在加工過程中應重點保（bǎo）證（zhèng）其精度。

４　結語

經過近幾年對大連機（jī）床集（jí）團數控機床驅動裝置生產過程中加工（gōng）及裝配工藝的研究，產品質量和出廠精（jīng）度穩定（dìng）性有了明（míng）顯的提高，機床使（shǐ）用（yòng）的可靠（kào）性也有了明顯的提高（gāo）。

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