高精度靜壓大刀架設(shè)計(jì)

李立強(qiáng) 姜 輝 付政委

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

數(shù)控重型臥式車床X軸為大刀架沿刀架床身導(dǎo)軌（工件軸向）方向運(yùn)動(dòng)，Z軸為上刀架沿大刀架上導(dǎo)軌（工件徑向）方向運(yùn)動(dòng)。目前，傳統(tǒng)的大刀架Z軸進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，一般采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠副采用兩套滾針軸承定心、三套推力滾子軸承軸向定位、預(yù)緊的方式，即雙推對(duì)單推的傳統(tǒng)軸承布置結(jié)構(gòu)，在Z軸軸承布置結(jié)構(gòu)中，軸承和軸承安裝孔數(shù)量多、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，滾珠絲杠軸向、徑向綜合累積誤差大，經(jīng)常出現(xiàn)Z軸精度超差的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的大刀架X軸進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，一般采用雙齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，雖然雙齒輪經(jīng)過(guò)碟簧預(yù)緊后，消除了傳動(dòng)鏈的部分間隙，但由于雙齒輪預(yù)緊傳動(dòng)鏈之前的齒輪嚙合間隙無(wú)法消除，使機(jī)床X軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在反向間隙，嚴(yán)重制約著X軸的定位精度和重復(fù)定位精度，經(jīng)常出現(xiàn)X軸精度超差的現(xiàn)象，在X軸精度超差后，一般采取重新調(diào)配齒輪的辦法，大刀架X軸傳動(dòng)鏈中齒輪的通用性、互換性非常差，機(jī)床制造成本增加、浪費(fèi)嚴(yán)重。并且，由于碟簧預(yù)緊的雙齒輪齒條傳動(dòng)存在齒輪機(jī)械磨損，機(jī)床的精度保持性差、使用壽命低。另一方面，由于預(yù)緊的齒輪將主傳動(dòng)齒輪的輸出扭矩抵消了一部分，使伺服電動(dòng)機(jī)的有用輸出功率和機(jī)床整機(jī)效率降低了10%以上，在滿足相同最大切削扭矩的情況下，只能選用高一個(gè)規(guī)格的伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)，并且迫使伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件、電氣相關(guān)配套件同樣需要選用高一個(gè)規(guī)格的型號(hào)，使機(jī)床的外配套件、制造、使用、維護(hù)成本也相應(yīng)增加，浪費(fèi)尤其嚴(yán)重。目前的數(shù)控重型臥式車床大刀架X軸和Z軸進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，已不能滿足數(shù)控重型裝備制造業(yè)向高速度、高精度、高效率、高性價(jià)比、綠色環(huán)保方向發(fā)展的需要。

為了解決上述難題，我們對(duì)數(shù)控重型臥式車床大刀架X軸、Z軸進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，研制了大刀架Z軸高精度進(jìn)給結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器經(jīng)聯(lián)軸節(jié)直連滾珠絲杠副傳動(dòng)，滾珠絲杠副由前后兩套滾針/推力圓柱滾子組合軸承定位。其次，研制了X軸重載高精度傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該結(jié)構(gòu)為伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)靜壓蝸桿蝸母條傳動(dòng)。X軸、Z軸均使用光柵尺全行程反饋刀架、上刀架實(shí)際位置，即X軸和Z軸采用閉環(huán)控制。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的數(shù)控重型臥式車床大刀架X軸、Z軸進(jìn)給結(jié)構(gòu)具有精度高、剛度高、承載能力大的特點(diǎn)。

1 高精度靜壓大刀架結(jié)構(gòu)介紹

1．1 靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)

靜壓蝸桿蝸母條由雙聯(lián)油泵供油，從雙聯(lián)油泵引出流量相等的兩條油路通過(guò)兩條管線分別接至靜壓蝸桿左側(cè)配油盤的兩個(gè)進(jìn)油口上，配油盤與靜壓蝸桿之間的對(duì)接面，采用具有一定預(yù)緊力的滑動(dòng)配合，配油盤為軸向動(dòng)態(tài)進(jìn)油的方式供油。具體為配油盤安裝在靜壓蝸桿的左側(cè)固定不動(dòng)，靜壓蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，靜壓蝸桿左端面上開(kāi)有36個(gè)進(jìn)油孔，在配油盤徑向布置有兩個(gè)來(lái)油孔，在配油盤的右端面布置有兩個(gè)扇形出油槽，在扇形出油槽與徑向兩個(gè)來(lái)油孔之間斜鉆有兩個(gè)聯(lián)通油孔，使兩個(gè)扇形出油槽分別與徑向兩個(gè)來(lái)油孔相通。靜壓蝸桿的齒數(shù)為16，在靜壓蝸桿每一周齒的單側(cè)面上均布有18個(gè)出油孔，兩側(cè)面共有36個(gè)出油孔，即雙連油泵供油的兩條油路最終分別與蝸桿的16齒中每個(gè)齒兩側(cè)面出油口相通，保證蝸桿處于嚙合區(qū)的每側(cè)齒面，總保持有3～4個(gè)供油孔。其作用是:當(dāng)靜壓蝸桿的齒面進(jìn)入嚙合區(qū)時(shí)，配油盤向處于嚙合區(qū)的蝸桿軸向進(jìn)油油路供油，當(dāng)靜壓蝸桿的齒面脫離嚙合區(qū)時(shí)，配油盤便切斷齒面已脫離嚙合區(qū)的蝸桿軸向進(jìn)油油路，而與蝸桿下一個(gè)齒面進(jìn)入嚙合區(qū)的軸向進(jìn)油油路聯(lián)通，這不僅防止了流量損耗，而且也有利于保持靜壓蝸桿蝸母條的傳動(dòng)壓力。

配油盤的材料為銅，靜壓蝸桿的材料為鋼，靜壓蝸母條的材料為鑄鐵，齒面上有耐磨涂層。為便于加工和保證靜壓蝸母條的精度，蝸母條每15個(gè)齒制成一段，每段480 mm長(zhǎng)，高度為96 mm。各段靜壓蝸母條組裝在刀架床身定位面上，在靜壓蝸母條首尾兩段外側(cè)安裝有楔塊，通過(guò)楔塊的預(yù)壓緊，消除各段靜壓蝸母條之間的間隙，從而保證靜壓蝸母條的整體傳動(dòng)剛度和工作精度。

1．2 靜壓蝸桿蝸母條的工作原理

本靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)屬于定壓供油毛細(xì)管節(jié)流靜壓系統(tǒng)，在蝸母條齒的兩側(cè)開(kāi)有對(duì)置的弧形油腔，在靜壓蝸桿齒的兩側(cè)面每一個(gè)出油口處，各裝有一個(gè)心部帶有φ0.9 mm直徑節(jié)流阻尼孔的阻尼套，節(jié)流阻尼孔起到毛細(xì)管節(jié)流器的作用，在靜壓蝸桿不承受外載荷時(shí)，靜壓蝸桿的外齒處于蝸母條內(nèi)齒的中間位置，蝸母條內(nèi)齒的兩側(cè)面油腔將靜壓蝸桿的外齒軸向高剛度預(yù)緊，靜壓蝸桿處于有預(yù)緊的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。在靜壓蝸桿承受軸向外載荷作用時(shí)，靜壓蝸桿的外齒沿外載荷方向移動(dòng)了一個(gè)微小的距離，這個(gè)微小的距離使蝸母條內(nèi)齒的兩側(cè)面油腔產(chǎn)生一個(gè)壓力差，這個(gè)壓力差與外載荷大小相等、方向相反，使靜壓蝸桿處于一個(gè)新的平衡狀態(tài)，因而靜壓蝸桿在液體摩擦狀態(tài)下具有高的承載能力，靜壓蝸桿移動(dòng)的微小的距離通過(guò)光柵尺反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)相應(yīng)指令，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)相應(yīng)角度，最終驅(qū)動(dòng)靜壓蝸桿移動(dòng)至指定位置，實(shí)現(xiàn)Z軸的高精度定位。

2 高精度靜壓大刀架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)介紹

（1）靜壓大刀架體與刀架床身之間導(dǎo)軌采用高剛度臥式階梯導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。大刀架體主承重的后導(dǎo)軌向下加厚一定的高度，床身后導(dǎo)軌與前導(dǎo)軌在垂向方向降低相應(yīng)的高度，在保證床身導(dǎo)軌剛度不降低的前提下，提高靜壓大刀架體主承重后導(dǎo)軌的剛度，使靜壓大刀架體后導(dǎo)軌承重面形成的矩形方箱結(jié)構(gòu)。在機(jī)床連續(xù)、高速、滿負(fù)荷切削條件下工作時(shí)，即在大刀架承受最大切削翻轉(zhuǎn)扭矩時(shí)，使主承載的靜壓大刀架后導(dǎo)軌仍保持高剛度、高精度。保證了靜壓大刀架體導(dǎo)軌油膜間隙的建立。大刀架采用恒流閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大刀架高速、高吸振性、永無(wú)磨損的目的。在上刀架沿靜壓大刀架上導(dǎo)軌Z軸運(yùn)動(dòng)方向上，靜壓大刀架體與上刀架體之間，采用高剛度T形閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，上刀架體受力狀態(tài)好，剛度高。

（2）靜壓大刀架X軸靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)具有高速、高精度、承載大、抗振性能好、無(wú)磨損的優(yōu)點(diǎn)。靜壓蝸桿蝸母條嚙合齒面處于液體摩擦狀態(tài)，靜壓摩擦系數(shù)小于0.005，靜壓蝸桿的起動(dòng)和回轉(zhuǎn)摩擦力矩小，傳動(dòng)效率非常高。由于靜壓蝸桿外部包圍著一層靜壓油膜，靜壓油膜有吸振的作用，因此靜壓蝸桿蝸母條的吸振性能非常好。在靜壓蝸桿牙兩側(cè)施加有靜壓預(yù)載，靜壓蝸桿牙兩側(cè)的壓力油相互平衡，兩側(cè)間隙基本相等，靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)的油膜剛度高、承載能力大，相當(dāng)于無(wú)間隙傳動(dòng)。由于靜壓油膜具有良好的糾正軸本身誤差的作用，能有效地減小由于靜壓蝸桿表面粗糙度及幾何誤差造成的徑向、軸向跳動(dòng)，可提高靜壓蝸桿回轉(zhuǎn)精度。因此靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)正反向定位精度高、精度保持性好、壽命長(zhǎng)，尤其適用于重型數(shù)控臥式車床高速重載荷條件下工作。

（3）通過(guò)研制了滾珠絲杠副由前后兩套滾針/推力圓柱滾子組合軸承定位的結(jié)構(gòu)，減少了軸承、軸承孔的數(shù)量，降低了機(jī)床的加工、裝配和外配套件的成本，降低了滾珠絲杠副定位軸承的綜合安裝累積誤差，從而大大提高了靜壓大刀架Z軸的精度和精度保持性。

經(jīng)過(guò)在2.5 m重型數(shù)控臥式車床使用后驗(yàn)證，高精度靜壓大刀架結(jié)構(gòu)，X軸和Z軸精度高，靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)承載能力大、抗振性能好、無(wú)磨損，尤其是靜壓蝸桿蝸母條結(jié)構(gòu)，已成為筆者公司在機(jī)床市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)。高精度靜壓大刀架結(jié)構(gòu)現(xiàn)已在我公司重型數(shù)控臥式車床系列產(chǎn)品上全面投入使用，使用效果良好，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。