談車床改造中滾珠絲桿的選用與安裝

廣西機電職業技術學院 崔明軍

談車床改造中滾珠絲桿的選用與安裝

廣西機電職業技術學院 崔明軍

利用數控裝置對CA6140普通車床進行數控改造，傳動裝置采用滾珠絲杠結構，進給驅動元件采用步進電機，刀架采用自動轉位刀架，數控系統采用某國產數控系統。對改造整體思路進行確定，并重點對滾珠絲桿的選用，包括對絲杠外徑、導程、滾珠的直徑和數量進行選擇。

滾珠絲桿；滾珠；絲桿安裝

1 設計任務

學校實訓教學中大量使用普通車床，學生手工操作，對動手能力的培養、勞動觀念的養成有好處，但是勞動環境差、勞動強度大，設備落后，為了增強學生對先進技術的認識和感知，結合學生畢業設計的要求，特提出利用數控裝置對CA6140普通車床進行數控化改造。

改造硬件配置：采用某國產數控系統、國產步進電機、滾珠絲桿結構、某PLC控制模塊、旋轉刀架。實現功能要求：對縱向、橫向進給開環控制，驅動元件采用步進電機，傳動裝置采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉位刀架。

2 數控機床的功能分析

CA6140車床主要用于加工常見的普通的軸類、盤類和螺紋零件。要求改造后機床具有如下的控制功能：進給控制方面能實現X和Y向的自動進給，刀架方面具備在換刀點自動改變刀位，主軸方面通過主軸變速實現不同切削速度、自動實現主軸正反轉，控制冷卻液的自動起停，具有坐標數值測量反饋功能，如圖1所示。

圖1 數控系統

3 改造設計的方案確定

改造方案選擇時，參考經濟型數控機床的結構，從成本和功能兩方面考慮，在滿足基本數字控制功能實現的前提下，要求對機床的改動盡可能少。確定機械部分改造總體方案為：

3.1 X向進給機構的改造

拆除的部分：溜板箱、大手輪、絲桿、光桿、齒輪式進給箱，保留的部分：原絲桿的安裝拖架、安裝孔和銷孔；滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，前端安裝步進電動機。

3.2 Y向進給機構的改造

拆除的部分：無；保留部分：原手動機構，用于調整操作，原有的支撐結構也保留。新裝部分：步進電動機安裝在中滑板的后側。在原中滑板側安裝止動限位塊。

3.3 刀架的改造

拆除原刀架和小滑板，替換為一個四工位電動刀架。

4 X向進給系統的設計

依據前述改造方案，拆除溜板箱、大手輪、絲桿、光桿、齒輪式進給箱，保留原絲桿的安裝拖架、安裝孔和銷孔，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置。對滾珠絲桿結構進行設計，絲桿直徑保持不變，求出絲桿其導程、滾珠大小。

4.1 原進給系統

原縱向進給系統采用梯形螺紋+梯形螺母機構。原梯形螺紋螺距P=6mm，絲桿直徑=40mm。梯形螺母為開合螺母。

4.2 改造思路

進給改為機動控制后，為方便控制，采用滾珠絲桿結構。

滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優點：傳動效率高，滾珠絲杠的傳動效率可達85%～98%，為滑動絲杠副的2～4倍；靈敏度高、傳動平穩，可以預緊；磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。

滾珠絲杠副有多種結構型式，按滾珠循環方式分為外循環和內循環兩大類。外循環回珠器用插管式的較多，內循環回珠器用腰形槽嵌塊式的較多，如圖2所示。

4.3 改造后進給系統

本案例中選用內循環滾動螺旋副：

絲桿軸的參數：絲桿軸外徑dm=40mm，絲桿基本導程Lo=6，Ca=16300，Coa=47100，絲桿螺紋升角λ=2。44'。

滾珠的選擇：Dw為滾珠直徑(mm)，滾珠直徑Dw=3.696mm；Z為滾珠總數量， Z=Z0×圓數×列數；Z0為一圈的滾珠數，Z0=(πdm/Dm)-3 (注：內循環);

Dw=3.969mm，Z0=（π×40/3.969-3=31.6613-3=28. 6613≈29(注：進位取整數)

滾珠總數量：Z=Z0×圓數×列數 =29*1*2=58(個)

經驗算，該滾珠絲杠副剛度滿足要求。

5 滾珠絲桿的安裝

5.1 滾珠絲桿安裝方式的選擇

有四種安裝方式，選用如下圖安裝方式（固定+支持式），如圖3所示。

圖3 安裝方式

圖4 絲桿組成圖

圖5 絲桿安裝圖

圖6 電機安裝圖

5.2 絲桿的安裝

滾珠絲桿一端安裝止推軸承，另一端安裝深溝球軸承（固定—支承式），左右安裝塊用2個螺栓和2個銷釘與床身連接。其特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結構復雜，僅適用于長絲杠，如圖4所示。

步進電機托架的設計，采用較厚的鋼板制成，沖電機孔，鉆7個螺紋孔和2個銷釘孔。步進電機用4個螺栓安裝在托架上，如圖5所示。托架用3個螺栓連接于床身，通過皮帶與絲桿連接。絲桿螺母安裝于滑塊連接體，連接體用2個銷和4個螺栓與滑板連為一體，外加鈑金罩，如圖6所示。

[1]張幼楨．金屬切削原理與機床設計[M]．北京:航空工業出版社,1998．

[2]晏初宏．數控機床與機械結構[M]．北京:機械工業出版社,2005．

[3]廖國穎．滾珠絲桿在車床數控化改裝時的選用優勢及其安裝和使用的注意事項[J]．黑龍江科技信息,2012,12．