一種數控車床進給絲杠熱變形補償設計

楊祥東，李晨光，孔祥志，王家興

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110142）

0 引言

作為數控機床進給裝置，一般采用緊密滾珠絲杠把電機的旋轉運動轉變成移動部件的直線運動，通常有三種布局形式：一是一端固定，一端自由；二是一端固定，一端支撐；三是兩端固定，在小規格數控車床中一端固定一端支撐的這種方式被廣泛采用［1］，如圖1 所示。

圖1 一端固定一端支撐的布局形式

由于在設計單主軸雙刀架數控車床的時候，下刀架布局空間受限，本文采用的是絲杠固定、螺母旋轉方式，即絲杠螺母一邊轉動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動。這種結構的優點在于螺母轉動慣性小、運動靈活,可實現較高的轉速,具有很好的啟停特性，非常適合我廠HTC4030t 臥式數控車床對下刀架短行程、頻繁運動的要求。另外，由于絲杠不動,避免了滾珠絲杠高速運轉時所受到的臨界轉速限制等問題。可以對滾珠絲杠施加較大的預拉力,補償絲杠的熱變形和提高絲杠支承剛度［2］。

1 絲杠支撐結構

1.1 絲杠的選型

1）絲杠使用條件。本文設計的結構應用在單主軸雙刀架臥式數控車床上，下刀架的快移速度12 m/min；加速時間0.15 ms；下刀架行程225 mm；移動部件的重量1.2 t；粗加工進給力4 000 N；精加工進給力2 000 N。

2）初選絲杠（THK 公司的DIR-4012-6）。絲杠外徑d＝40mm；滾珠中心直徑dp＝41.75 mm；絲杠溝槽谷直徑d3＝34.4 mm；螺距P＝12 mm；額定動載荷Ca＝30 600 N；額定靜載荷C0a＝72 300 N；額定DN 值為70 000 mm·r/min；預壓系數為0.05；絲杠軸的慣性力矩為2.25 N·m；絲杠總長度Lsp＝682 mm；絲杠安裝間距Lb＝365 mm。

3）絲杠選型校核。

（1）容許轉速。絲杠最大轉速：nmax=vmax/P=12 m/min÷（12×10-3m）=1 000 r/min；最大使用DN 值：DN1=40×1 000=40 000 mm·r/min＜70 000 mm·r/min，滿足設計要求。

（2）靜安全系數及容許軸向負荷如表1。

（3）絲 杠預載荷。滿足粗加工進給力的預壓力Fprmax1=4 000/3=1 333.35 N，絲杠預負荷=Ca×0.05=1 530＞1 333.35 N，滿足設計要求。

1.2 絲杠的潤滑

本文設計的進給裝置中，采用普通DIR 系列的滾珠絲杠，對固定的絲杠進行潤滑，設計了一個毛氈潤滑結構，潤滑油按設定的程序，定時滴在油氈上，隨著絲母的上下移動，油氈刷過絲杠起到潤滑滾珠的作用，這種結構以很低的價格實現絲杠固定，絲母旋轉的設計意圖，在實際應用中效果很好，結構如圖2 所示。

1.3 絲杠的布局

伺服電機通過帶輪、皮帶把動力傳到旋轉絲杠螺母上，絲杠固定不動，絲杠螺母的旋轉驅動滑板實現上下移動，其中絲杠螺母通過一組背靠背軸承固定在滑板上。為節省空間，我們選擇絲杠螺母與帶輪通過一組螺栓，固定在絲杠螺母座上，絲杠下端通過脹套固定在下軸承座上，絲杠上端通過平鍵限制它的轉動，選用一組碟簧實現絲杠的預拉伸，當溫度升高，引起絲杠軸端伸長，這時碟簧釋放變形，彌補絲杠熱變形，同時保證絲杠軸進給方向的剛度及精度。絲杠廠家給我們主機廠的數據是每米絲杠每溫升1℃則變形0.012 mm，本文設計中采用GB1972-80X41-C1 型號的兩兩面對面，兩組碟簧，有支承面碟簧壓平時變形量的計算值為2.95 mm，以溫升10℃為例，絲杠軸端位移量S=Lsp×0.012×10=0.682×0.012×10=0.082 mm。

表1 校核項

圖2 油氈潤滑結構

本文選擇的碟簧單片變形前的高度H0=5.2 mm，設計壓縮后的總高度19 mm，可以彌補軸向變形量為4×H0-19=1.8 mm，每個碟簧的變形量為1.8÷4=0.45 mm；在2.95 mm的變形范圍內，同時可以足夠彌補絲杠由于溫升引起的熱變形，結構如圖3 所示。

圖3 絲杠支承簡圖

2 結論

滾珠絲杠在數控機床的使用過程中，絲杠熱變形在所難免，如何使熱變形的危害降到最低是我們機床設計人員的主要解決難題之一，絲杠的熱變形與機床的使用情況、支承方式、潤滑方式、預緊力的大小等很多因素有關，在設計進給裝置的時候需要注意以下幾點：1）合理選擇絲杠，根據使用情況，載荷情況確定絲杠的類型，在設計之初，進行全面的校核，確保絲杠選型的正確。2）預緊力也是影響絲杠軸承發熱的主要因素。預緊力設定和控制還不能完全依照理論計算，需要參考使用經驗，設計時應多加分析。3）正確預測絲杠熱變形的發展方向，對熱變形進行合理的補償，以提高進給裝置的剛度、精度。

［1］北京圣藍拓數控技術有限公司.滾珠絲杠的安裝形式與軸承的排列命名［J］.金屬加工：冷加工，2008（7）：18-20.

［2］劉興業，殷國富，劉立，等.龍門加工中心滾珠絲杠傳動系統的溫度場和熱變形分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（4）：1-4.