基于提高機床加工精度的裝配預緊技術研究應用*

王海濤 李初曄

(中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

1 概述

數控機床的精度可分為靜態精度和動態精度，我們通常所說的機床精度是指靜態精度，它主要包括幾何精度、運動精度、傳動精度和定位精度等。機床的加工精度受靜態精度、動態精度、剛度、抗振性、熱穩定性、磨損等的影響。靜態精度雖不能完全反映機床的加工精度，但也起著決定性的作用。不同類型和不同加工要求的機床，對靜態精度有不同的要求，它主要取決于機床零部件的加工和裝配精度。

在數控機床整個的生產制造過程中，保證加工出合乎精度要求的零件是前提和基礎，然而要想達到機床所需的加工精度要求，其中的裝配工作非常關鍵。裝配質量的優劣，也即裝配精度的高低，最終決定整機的加工精度、運行穩定性和可靠性。通過研究分析，借鑒以前積累的設備裝配經驗，合理有效地選擇關鍵裝配點并加以控制，對提高數控機床的加工精度能起到保證作用，裝配預緊技術就是其中之一，預緊主要針對預緊力和預緊量兩部分進行量化并實施。

2 問題現狀

在數控機床的裝配過程中，需要施加預緊的部分比較普遍。預緊操作的合理與否，將直接影響主軸的回轉精度、傳動部件的運行精度以及軸承的使用壽命等，勢必最終影響數控機床的加工精度，其影響作用如圖1所示。

以某型機床為例，就包括諸如主軸軸系軸承的預緊(如圖2所示)、傳動部件中滾珠絲杠兩端支承軸承的預緊(如圖3所示)、滾珠絲杠本身的整體預緊(如圖4所示)、線性導軌滑軌固定的預緊(如圖5所示)以及機床重要零部件聯接處的螺紋預緊(如圖6所示)等，都是機床裝配時非常重要的關鍵點。因此，嚴格控制這些部位預緊力的大小，對整機的裝配質量以及精度保持性，將起到至關重要的作用。

眾所周知，受傳統裝配習慣以及某些客觀條件的限制，在實際的裝配過程中，我們常常忽視預緊這項工作，沒有一個比較確切的數值來加以科學的量化，一般僅憑自己的經驗施加預緊力和預緊量的大小，這樣的結果往往導致機床零部件裝配的不均衡性，也就是說，即使同一個人預緊多臺同類設備的同一部位，因受時間、環境和個人等因素的影響，所得到的結果也會不同;那么，不同的人預緊同一個部位的零部件，受工作方式、個體差異等的影響，往往相差會更多。因此，對于裝配時的預緊，尤其是關鍵部位的預緊，必須能夠量化，統一標準，以提高裝配預緊的精度，為確保整機的加工精度奠定堅實的基礎。

3 具體實施

3.1 主軸軸系預緊

主軸箱是數控機床的關鍵部件，主軸軸系結構(如圖2所示)的性能對工件的加工質量和機床效率都產生很大的影響。主軸剛度是主軸的重要性能之一，它在一定程度上反映了機床抵抗外載荷的能力，尤其是對精密機床的性能影響更為顯著。由于精密機床主軸一般是滾動軸承支承，為保證主軸系統具有優越的剛度、回轉精度、熱特性等靜動態特性，一般都在機床主軸裝配過程中，必須采用預緊技術，預緊方式有多種，這里不再一一贅述。另外，對于預緊力的大小，通常根據以往的使用經驗和眾多權威的實驗結果來最終確定。特別注意的是，如果軸承預緊力過大，一者會使軸承的溫升升高過快，使其壽命大大減少;二者，往往導致角接觸球軸承在高速運行時，出現“咬死”現象，破壞整個主軸的功能。因此，適當地施加預緊力，既要保證軸承的游隙，又能提高主軸的回轉精度，兩者缺一不可。

如圖2所示，要達到上述目的，就要對7、15兩處的鎖緊螺母施加較為準確的預緊力。

對于前支承處的軸承預緊，首先要根據軸承型號和等級，掌握軸承的游隙大小，通過修磨內、外隔套3和4，以得到合理的軸向游隙;然后根據主軸承載大小、轉速和軸承的直徑等參數，選擇軸向預緊力F，根據以下公式可計算出擰緊扭矩:

式中:T0為擰緊扭矩，N·m;k為扭矩系數，一般取k=0.15～0.2;F為預緊力，N;d為螺紋直徑，mm。

最后根據結果，使用扭矩扳手設定相應的數值，將鎖緊螺母7擰緊。

對于后支承處軸承的預緊，也需要根據切削力、轉速等參數，參照工況，計算出主軸的溫升后的伸長量，然后根據軸承參數，在充分考慮軸承軸向游隙的基礎上，選擇合理的預緊力，通過修磨隔套11，來實現軸承的預緊和主軸熱伸長量的適量補償。同樣，擰緊扭矩由式(1)計算得到。

裝配現場完成后，在試運行時，可以通過對主軸的回轉精度、溫升和噪聲等進行相應的測量進行驗證。

3.2 絲杠支承預緊

傳動部分滾珠絲杠(如圖3所示)的預緊與主軸軸承有相通之處，兩端固定支承，只是滾珠絲杠軸承一般采用60°推力角接觸球軸承，這樣可以獲得較高的抗拉壓剛度。

該支承結構中，前、后支承處分別是三個一組和兩個一組的角接觸球軸承，主要是通過預緊1、9兩處的鎖緊螺母，調整好前后軸承的軸向游隙，以保證傳動時的回轉精度和滾珠絲杠的支承剛度。

在選擇成組的滾珠絲杠支承專用軸承時，最好選擇精度符合要求的任意配對組合的角接觸球軸承組，這樣既能保證使用精度，調整軸向間隙時也比較簡單易行。軸向游隙的控制，以前端支承為例，可以在測量后，通過修磨隔套3的厚度來實現，這樣較為簡單;對于預緊力的選擇，根據機床工作臺傳動時的工況和承受載荷大小，確定軸承型號后，參照軸承供應商提供的數據，結合本公司的經驗值，最終確定并應用，計算出擰緊力矩后，通過預緊鎖緊螺母完成。

滾珠絲杠前、后支承的實現流程相同。

3.3 絲杠整體預緊

對于滾珠絲杠的整體預緊，也即預拉伸，是為了補償絲杠工作時的熱伸長而采取的措施，可以大大提高絲杠傳動的剛度、精度和可靠性。

絲杠的整體預緊可以通過不少結構加以實現，這里只介紹比較簡單的一種(如圖4所示)。在滾珠絲杠后支承處和后支座2之間加一預緊量調整墊1，該調整方式相對簡單可靠。

首先計算出絲杠的熱伸長量 Δl0，根據熱伸長量公式:Δl0= α0lΔt，其中 α0為熱膨脹系數，查《機械設計手冊》手冊，鋼為 11×10－6(1/℃);l為絲杠有效長度(mm)，已知l=1 600 mm;Δt為絲杠的溫升(℃)，根據以往經驗，溫升值取Δt=3.5 ℃，于是計算得:Δl0≈0.06 mm。

在實際對絲杠進行整體預拉伸時，還應考慮工作狀態，根據滾珠絲杠的軸向剛度和軸向載荷的大小，由式Δl1=F1/K1(其中F1為滾珠絲杠軸向載荷;K1為滾珠絲杠軸向剛度)，可以計算出滾珠絲杠的軸向載荷產生的軸向位移量 Δl1的數值，該處經計算 Δl1≈0.015 mm。

因此可以得出，滾珠絲杠的位移量δ總=Δl0+Δl1≈0.075 mm。然后，根據δ總的數值，在對滾珠絲杠進行整體預緊時，適當將預緊量調整墊的厚度去除量δ等于或略大于δ總，即δ≥0.075 mm，這樣當滾珠絲杠熱伸長時，預拉伸力就會減小甚至消失，從而大大降低或消除行程誤差，最終達到提高絲杠運行精度的目的。需要指出的是:對于滾珠絲杠所受軸向載荷較小的傳動，Δl1可以忽略不計。

3.4 線性導軌預緊

線性導軌的安裝預緊(如圖5所示)包括導軌和滑塊的預緊兩部分。設計時確定下線性導軌副的型號后，一般按照生產商產品樣本或者使用說明書里提供的緊固螺釘所需的擰緊力矩，就能保證線性導軌副的運行精度和剛度。

另外，假如線性導軌生產商沒有提供擰緊力矩，可以通過查閱相關行業推薦標準，并結合以前裝配時的經驗值，來確定滑塊和導軌的緊固用螺釘的擰緊力矩。

再者，還可以根據機床對傳動部件的要求，對相關的零部件建模后，模擬線性導軌使用時的工況和載荷情況，使用ANSYS或其他有限元輔助軟件，進行初始條件設置、施加載荷以及劃分單元等工作，如圖6所示。通過分析計算，得到導軌副受力變形和緊固螺釘處所受到的拉壓力，再按照式(1)，也可計算出相應的擰緊力矩，在實施緊固時作參考使用。

3.5 重要聯接處預緊

每臺機床都存在重要零部件之間的聯接(如圖7所示)，這些聯接處的緊固螺釘或螺栓，其預緊力的合理與否，對于零部件在工作狀態時的承載能力影響很大，尤其是抗動載的能力。因此，應結合機床工作實際和聯接處零部件的受力情況，對緊固件施加適當的擰緊力矩，確保這些重要聯接處的可靠性和有效性。

表1 實施預緊控制前后機床重要指標對比

表2 加工件相關指標測量值

對于重要聯接處預緊力的大小，一是，參照國家行業標準的推薦值選取;二是，參考相關專業公司的數據進行選取;三是，同樣借助有限元軟件，通過模擬工況，分析計算，并對結果進行對比處理后選取。

4 加工驗證

在機床的裝配過程中，按照工藝要求，把以上各處預緊列為重點工序，嚴格控制預緊力或預緊量的大小，對該型數控機床實施裝配，并與原來沒進行預緊力控制的同型機床進行了比較，相關測量數據如表1和表2所示。

通過以上數據，我們可以看出，嚴格控制裝配過程中預緊操作，在一定程度上可以改善機床相關零部件的聯接精度和受力狀態，并提高了設備的靜態精度、動態精度以及加工精度，從而使數控機床的整體水平和檔次得到較大提升，為企業參與市場競爭提供了堅實的技術保障。

5 結語

本文對機床裝配過程中的預緊技術進行了較為深入的研究分析，并對預緊力和預緊量的大小提供了量化依據，通過機床自身的精度檢驗和生產加工驗證，使我們對預緊技術應用的重要性有了系統的認識。綜上，可以得到以下幾點理解和認識:

(1)預緊技術內涵較大，在機床裝配過程中應用十分普遍，這里只是列舉了比較有代表性的部分，并不說明其他部分不重要，所以對于需要預緊的任何地方，都要引起足夠的重視。

(2)機床設計人員在確定預緊力時，要兼顧各方面的因素，一定要權衡剛度、變形量和壽命等之間的利弊，使之盡可能處于最佳狀態。

(3)對于不同的加工設備、不同的加工精度以及不同的工況，進行預緊力計算時，要加以區別，合理選取相關參數，以最大限度地保證預緊力或預緊量的準確性。

(4)預緊技術的研究，理論和經驗固然重要，但還要結合實際，在一定范圍內，可借助直觀性較強的有限元軟件，對預緊處的承載變形、熱變形等進行分析計算，以校核、驗證裝配時的預緊操作，提高裝配的可靠性。

(5)提高機床裝配人員對預緊技術的認知度，是保證機床精度的重要基礎工作之一。

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