HMC63e立柱及主軸箱拖動設計

王闖， 趙敏崢， 肖宏波

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110141）

0 引言

HMC63e臥式加工中心的立柱為鑄造框形結構。主軸箱沿立柱導軌上、下移動，實現Y向進給。主軸箱在立柱兩導軌中間，兩導軌為滾柱直線導軌。在立柱兩導軌間設有滾珠絲杠副。滾珠絲杠的兩端由軸承支承，分別固定在立柱的兩端。滾珠絲杠的上端通過彈性聯軸節與交流伺服電機相連，滾珠絲杠螺母的法蘭盤固定在主軸箱上的支承面上，交流伺服電機驅動滾珠絲杠，使主軸箱沿立柱導軌上、下移動。立柱及主軸箱拖動結構如圖1所示。

1 Y軸滾珠絲杠的選擇設計

預選電機型號為1FK7105，nmax=5 000 r/min。

已知Y向行程為Y=900 mm，快速移動速度為V=24 m/min，主軸箱高度為H=600 mm，主軸箱的重量為880 kg。

1）導程S。主軸箱快速移動速度為24 m/min，查資料S≥Vmax/nmax=24 000÷5 000=4.8 mm 所以初選S=8 mm。

2）預估算滾珠絲杠的全長L。L=Y+H+上下支承的長度=900+600+255+265=2 020 mm。

3）Y軸滾珠絲杠的直徑D的選擇。初選S=8 mm，V=24m/min，nmax=5 000 r/min，查資料可知，N=V/S=3 000 r/min，DXN≤120 000，D≤120 000/3 000≤40 mm。

借鑒同類產品之前設計，取DX=55 mm，DXN=55×3 000=16 500＞120 000，所以需增大導程S。取S=12 mm，則 n=24 000÷12=2 000 r/min，則 DxN=55×2 000=110 000<120 000，所以選擇S=12 mm，D=55 mm。滾珠絲杠的循環方式選擇為外循環方式，滾珠絲杠型號選為NFN5512HSS-7.5RRG0+2020LC5。

2 Y軸滾珠絲杠的預拉伸ΔL

預拉伸的長度為

式中：α為滾珠絲杠的熱膨脹系數，對于合金鋼α=1.1×10-5/℃；Δt為滾珠絲杠與立柱之間的溫差，若為恒溫車間，Δt=2～3 ℃。ΔL=1.1×10-5×2 020×2=0.044 44 mm，圓整后取ΔL=0.04 mm。

滾珠絲杠的預拉伸有以下作用：1）補償絲杠變形；2）提高絲杠拉壓剛度；3）提高推力軸承的軸向剛度；4）提高軸承座的軸向剛度。

3 Y軸滾珠絲杠的剛度驗算

滾珠絲杠的總剛度可通過公式1/K=1/Ks+1/Kn+1/KB計算得到。式中：1/Ks為滾珠絲杠的剛度；1/Kn為螺母的剛度；1/KB為支承軸承的剛度。

3.1 滾珠絲杠的剛度

3.2 螺母的剛度

LS為螺母支承表面至有效滾道之間的長度。

剛度Kn=A×E/（1000LS）=1/4×3.14×49.22×2.1×102÷1 919=2.08×105N/μm。

3.3 支承軸承的剛度

查手冊可知 KB=2 650 N/μm，1/K=1/KS+1/Kn+1/KB=1÷2.21÷105+1÷2.08÷105+1÷2 650，K=2642 N/μm。所以滾珠絲杠副的總變形量為 ΔL=F/K=5 870÷2 642=2.22 μm。F為銑削力，F=5 870 N。

因為HMC63e臥式加工中心Y向定位精度為0.01mm，且滾珠絲杠的變形小于定位精度的1/2，即ΔL＜5 μm，故該滾珠絲杠選擇合理。

4 驅動馬達的選擇

絲杠直徑D=55 mm，導程S=12 mm，降速比為1。

1）設絲杠總長2 020 mm，絲杠轉動慣量Js=0.78D4L×10-12=0.78×554×2020×10-12=0.0144 kg·m2。

3）主軸箱折算到絲杠上的轉動慣量（總重880 kg）：

e.空載啟動力矩M=Mamax+Mf+M0+Mg=24.2+0.09+1.2+18.3=43.79 N·m。

數控機床的快速空載啟動力矩一般符合Mmax=λMr。Mr為馬達額定轉矩；λ為瞬間過載指數，對于交流伺服電機，λ=1.5～2。

f.馬達力矩。Mmax＞M=43.79 N·m。

g.馬達額定扭矩 Mr=Mmax/λ=43.79÷1.5=29.2 N·m。

查馬達樣本，選Y軸馬達型號為1FK7105-5AC71-1DH5，功率為7.75 kW，扭矩為37 N·m，額定轉速為2 000 r/min。

h.臨界轉速的計算。

安全系數為0.8，絲杠轉速在臨界轉速內滿足要求。

5 導軌的選擇

本機床選用的導軌是THK直線導軌。

直線導軌具有導軌表面摩損少、容許負荷大、在所有方向上都具有高剛性、定位精度高、容易獲得較高的行走精度、能長期維持高精度、能無間隙輕快地運動、具有出色的高速性、維修保養簡便可用于各種各樣環境、具有很好的互換性、交貨及時等優點。

1）導軌系列的選擇。選取SRG系列，因該系列采用滾柱保持器，能獲得低摩擦的平滑運動，是實現長期運行而免維護的超高剛性滾柱導軌，符合本機床的要求。

2）線性導軌尺寸的確定。對于線性導軌，公稱型號與滾珠絲杠軸直徑近似相等，現滾珠絲杠的直徑D=55 mm，參照樣本可得，線性導軌型號為SRG55。

3）導軌長度L的確定。L=行程＋沖程＋主軸箱的高度=900+100+600=1 600 mm。依此，查樣本線性導軌型號選為SRG55R2SSC1E+1620LPⅡ。

4）線性導軌的潤滑方式。為了使用方便采用集中潤滑方式。

5）安裝方式的選擇。線性導軌側壓方法選用錐形塊（如圖2所示），左側為調整側，右側為基準側。

圖2 線性導軌的安裝方式

［1］《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1986.

［2］ 陳宏鈞.簡明機械加工工藝手冊［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］ 尹曉霞.TH6940立柱及主軸箱拖動的設計［C］//科學發展與社會責任（A卷）——第五屆沈陽科學學術年會文集.2008.

［4］ 孫崗存，趙旭靖.HMC160型臥式加工中心主傳動系統的設計［J］.制造技術與機床，2011（10）：79-81.