基于提高機床加工精度的裝配預(yù)緊技術(shù)研究應(yīng)用*

王海濤 李初曄

(中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

1 概述

數(shù)控機床的精度可分為靜態(tài)精度和動態(tài)精度，我們通常所說的機床精度是指靜態(tài)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(tài)精度、動態(tài)精度、剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、磨損等的影響。靜態(tài)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(tài)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(shù)控機床整個的生產(chǎn)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(chǔ)，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(guān)鍵。裝配質(zhì)量的優(yōu)劣，也即裝配精度的高低，最終決定整機的加工精度、運行穩(wěn)定性和可靠性。通過研究分析，借鑒以前積累的設(shè)備裝配經(jīng)驗，合理有效地選擇關(guān)鍵裝配點并加以控制，對提高數(shù)控機床的加工精度能起到保證作用，裝配預(yù)緊技術(shù)就是其中之一，預(yù)緊主要針對預(yù)緊力和預(yù)緊量兩部分進行量化并實施。

2 問題現(xiàn)狀

在數(shù)控機床的裝配過程中，需要施加預(yù)緊的部分比較普遍。預(yù)緊操作的合理與否，將直接影響主軸的回轉(zhuǎn)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(shù)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(yù)緊(如圖2所示)、傳動部件中滾珠絲杠兩端支承軸承的預(yù)緊(如圖3所示)、滾珠絲杠本身的整體預(yù)緊(如圖4所示)、線性導軌滑軌固定的預(yù)緊(如圖5所示)以及機床重要零部件聯(lián)接處的螺紋預(yù)緊(如圖6所示)等，都是機床裝配時非常重要的關(guān)鍵點。因此，嚴格控制這些部位預(yù)緊力的大小，對整機的裝配質(zhì)量以及精度保持性，將起到至關(guān)重要的作用。

眾所周知，受傳統(tǒng)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(yù)緊這項工作，沒有一個比較確切的數(shù)值來加以科學的量化，一般僅憑自己的經(jīng)驗施加預(yù)緊力和預(yù)緊量的大小，這樣的結(jié)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(yù)緊多臺同類設(shè)備的同一部位，因受時間、環(huán)境和個人等因素的影響，所得到的結(jié)果也會不同;那么，不同的人預(yù)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(yù)緊，尤其是關(guān)鍵部位的預(yù)緊，必須能夠量化，統(tǒng)一標準，以提高裝配預(yù)緊的精度，為確保整機的加工精度奠定堅實的基礎(chǔ)。

3 具體實施

3.1 主軸軸系預(yù)緊

主軸箱是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，主軸軸系結(jié)構(gòu)(如圖2所示)的性能對工件的加工質(zhì)量和機床效率都產(chǎn)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(tǒng)具有優(yōu)越的剛度、回轉(zhuǎn)精度、熱特性等靜動態(tài)特性，一般都在機床主軸裝配過程中，必須采用預(yù)緊技術(shù)，預(yù)緊方式有多種，這里不再一一贅述。另外，對于預(yù)緊力的大小，通常根據(jù)以往的使用經(jīng)驗和眾多權(quán)威的實驗結(jié)果來最終確定。特別注意的是，如果軸承預(yù)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(xiàn)“咬死”現(xiàn)象，破壞整個主軸的功能。因此，適當?shù)厥┘宇A(yù)緊力，既要保證軸承的游隙，又能提高主軸的回轉(zhuǎn)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(yù)緊力。

對于前支承處的軸承預(yù)緊，首先要根據(jù)軸承型號和等級，掌握軸承的游隙大小，通過修磨內(nèi)、外隔套3和4，以得到合理的軸向游隙;然后根據(jù)主軸承載大小、轉(zhuǎn)速和軸承的直徑等參數(shù)，選擇軸向預(yù)緊力F，根據(jù)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(shù)，一般取k=0.15～0.2;F為預(yù)緊力，N;d為螺紋直徑，mm。

最后根據(jù)結(jié)果，使用扭矩扳手設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值，將鎖緊螺母7擰緊。

對于后支承處軸承的預(yù)緊，也需要根據(jù)切削力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，參照工況，計算出主軸的溫升后的伸長量，然后根據(jù)軸承參數(shù)，在充分考慮軸承軸向游隙的基礎(chǔ)上，選擇合理的預(yù)緊力，通過修磨隔套11，來實現(xiàn)軸承的預(yù)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(xiàn)場完成后，在試運行時，可以通過對主軸的回轉(zhuǎn)精度、溫升和噪聲等進行相應(yīng)的測量進行驗證。

3.2 絲杠支承預(yù)緊

傳動部分滾珠絲杠(如圖3所示)的預(yù)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(jié)構(gòu)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(yù)緊1、9兩處的鎖緊螺母，調(diào)整好前后軸承的軸向游隙，以保證傳動時的回轉(zhuǎn)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(diào)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(xiàn)，這樣較為簡單;對于預(yù)緊力的選擇，根據(jù)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(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合本公司的經(jīng)驗值，最終確定并應(yīng)用，計算出擰緊力矩后，通過預(yù)緊鎖緊螺母完成。

滾珠絲杠前、后支承的實現(xiàn)流程相同。

3.3 絲杠整體預(yù)緊

對于滾珠絲杠的整體預(yù)緊，也即預(yù)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(yù)緊可以通過不少結(jié)構(gòu)加以實現(xiàn)，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(yù)緊量調(diào)整墊1，該調(diào)整方式相對簡單可靠。

首先計算出絲杠的熱伸長量 Δl0，根據(jù)熱伸長量公式:Δl0= α0lΔt，其中 α0為熱膨脹系數(shù)，查《機械設(shè)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(jù)以往經(jīng)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(yù)拉伸時，還應(yīng)考慮工作狀態(tài)，根據(jù)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(chǎn)生的軸向位移量 Δl1的數(shù)值，該處經(jīng)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(jù)δ總的數(shù)值，在對滾珠絲杠進行整體預(yù)緊時，適當將預(yù)緊量調(diào)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(yù)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(yù)緊

線性導軌的安裝預(yù)緊(如圖5所示)包括導軌和滑塊的預(yù)緊兩部分。設(shè)計時確定下線性導軌副的型號后，一般按照生產(chǎn)商產(chǎn)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(chǎn)商沒有提供擰緊力矩，可以通過查閱相關(guān)行業(yè)推薦標準，并結(jié)合以前裝配時的經(jīng)驗值，來確定滑塊和導軌的緊固用螺釘?shù)臄Q緊力矩。

再者，還可以根據(jù)機床對傳動部件的要求，對相關(guān)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(shè)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(yīng)的擰緊力矩，在實施緊固時作參考使用。

3.5 重要聯(lián)接處預(yù)緊

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

表1 實施預(yù)緊控制前后機床重要指標對比

表2 加工件相關(guān)指標測量值

對于重要聯(lián)接處預(yù)緊力的大小，一是，參照國家行業(yè)標準的推薦值選取;二是，參考相關(guān)專業(yè)公司的數(shù)據(jù)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(jié)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(yù)緊列為重點工序，嚴格控制預(yù)緊力或預(yù)緊量的大小，對該型數(shù)控機床實施裝配，并與原來沒進行預(yù)緊力控制的同型機床進行了比較，相關(guān)測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

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

5 結(jié)語

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

(1)預(yù)緊技術(shù)內(nèi)涵較大，在機床裝配過程中應(yīng)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(yù)緊的任何地方，都要引起足夠的重視。

(2)機床設(shè)計人員在確定預(yù)緊力時，要兼顧各方面的因素，一定要權(quán)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(tài)。

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

(4)預(yù)緊技術(shù)的研究，理論和經(jīng)驗固然重要，但還要結(jié)合實際，在一定范圍內(nèi)，可借助直觀性較強的有限元軟件，對預(yù)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(yù)緊操作，提高裝配的可靠性。

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

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