滾珠絲杠預(yù)緊力及其平衡油缸支撐力對雙柱立車加工精度的影響研究

劉銀鋒 黃 穎楊長青 姜 輝焦建華張 宇王 款

(①齊齊哈爾工程學(xué)院機(jī)電工程系，黑龍江 齊齊哈爾 161005；②齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

雙柱立車刀架通常采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑枕在豎直方向的移動，為提高滾珠絲杠使用壽命通常采用平衡油缸結(jié)構(gòu)來減小滾珠絲杠的軸向力。一般情況下，滾珠絲杠預(yù)緊力及其平衡油缸作用力對滑枕剛度可以忽略，但是當(dāng)工件對精度有較高要求，且切削工況滑枕伸出較長時，這種影響就不能忽略。我院校辦工廠齊三機(jī)床有限公司DVT500雙柱立車，機(jī)床各項(xiàng)檢驗(yàn)參數(shù)均完全合格，在加工缸筒內(nèi)圓時，滑枕需伸出2 000 mm，多次試切精度指標(biāo)均超差，無法找到原因。排除安裝調(diào)試等可能性因素后，經(jīng)過分析，初步認(rèn)定滑枕自身存在變形現(xiàn)象，為驗(yàn)證此觀點(diǎn)，對此刀架進(jìn)行了有限元分析計(jì)算。

1 分析模型建立及其前處理

該刀架滑枕長度5 100 mm，滑枕滑座(上下滑塊間)包容長度2 000 mm,滑枕豎直方向行程2 000 mm，滑枕方截面280 mm×280 mm。如圖1所示，滑枕在滑座中心通過導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)上下移動，在滾珠絲杠預(yù)緊力及平衡油缸支撐力共同作用下，隨著滑枕位置的變化，滑枕受力狀態(tài)在相應(yīng)變化，導(dǎo)軌塊夾持位置是滑枕的支撐點(diǎn)。為模擬滑枕受力狀態(tài)，建立刀架的有限元分析模型，將滑枕、回轉(zhuǎn)滑座及其平衡油缸支架、滾珠絲杠支架裝配在一起，固定滑座與橫梁接觸面、滑枕包容面按圖紙做出，將平衡油缸支撐力加載在平衡油缸支架上，將滾珠絲杠預(yù)緊力加載在兩個滾珠絲杠支架上(見圖2)。平衡油缸支撐力等于滑枕重量，滾珠絲杠預(yù)緊力按圖紙技術(shù)要求給定。

2 數(shù)據(jù)分析

為掌握滑枕不同受力狀態(tài)的變形情況，分三次進(jìn)行計(jì)算。第一次計(jì)算初始狀態(tài)，即滑枕伸出0 mm，第二次計(jì)算滑枕伸出至行程的一半，即滑枕伸出1 000 mm,第三次計(jì)算極限狀態(tài)，即滑枕伸出2 000 mm。每一次計(jì)算狀態(tài)下得出滑枕從底端(距離0)開始逐點(diǎn)向上直至頂端(即滑枕全長5 100 mm處)的各點(diǎn)變形數(shù)值如表1根據(jù)變形數(shù)據(jù)可以得到更直觀的3種狀態(tài)滑枕變形曲線如圖3。

根據(jù)變形數(shù)據(jù)可知，滑枕在伸出為O的初始狀態(tài)下，在滾珠絲杠預(yù)緊力及其平衡油缸支撐力作用下滑枕自身變形最大，頂端最大數(shù)值達(dá)到0.403 mm，隨著滑枕伸出，該數(shù)值逐漸變小，到滑枕完全伸出狀態(tài)，該數(shù)值為0.06 mm，即若有工件需要滑枕伸出全行程，從初始位置至行程結(jié)束頂端的變形位移達(dá)0.403-0.06=0.343 mm。由于此變形位移位于滑枕頂端，若不考慮整體變形通過滑塊包容面間隙傳遞效果，可認(rèn)為該變形位移對加工精度不構(gòu)成影響。由于變形數(shù)據(jù)中距離初始位置2 500 mm以內(nèi)數(shù)據(jù)非常小，將該部分變形曲線放大得到變形曲線見圖4。可以明顯看出，滑枕伸出一半行程1 000 mm以及滑枕在初始狀態(tài)下兩種狀態(tài)變形數(shù)據(jù)基本為零，即可以說此時滾珠絲杠預(yù)緊力及其平衡油缸支撐力對滑枕加工精度并未造成影響。當(dāng)滑枕伸出到最大行程2 000 mm時，滑枕呈現(xiàn)出趨近于線性的變形趨勢，滑枕懸伸底端最大變形0.007 mm。分析表明，此時平衡油缸下支座已經(jīng)移動至滑塊與滑枕包容面以下，下支座處的拉力對滑枕的作用相當(dāng)于在懸臂梁上施加了一個轉(zhuǎn)矩。理論分析與仿真計(jì)算的結(jié)果，證實(shí)了該機(jī)床此加工狀態(tài)精度超差的問題所在。

表1 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)

滑枕伸出0 mm滑枕伸出1 000 mm滑枕伸出2 000 mm距離變形距離變形距離變形00000-0.0072 02602 166070-0.0062 166-0.0012 3050.001210-0.0062 305-0.0032 4450.001349-0.0052 445-0.0062 5850.001629-0.0052 585-0.0112 7250.001768-0.0042 725-0.0182 8640908-0.0042 864-0.0263 00401 048-0.0033 004-0.0373 144-0.0021 467-0.0023 144-0.0493 284-0.0051 607-0.0023 284-0.0633 423-0.011 747-0.0013 423-0.0783 563-0.0172 30503 563-0.0963 703-0.0262 7250.0013 703-0.1153 842-0.0373 5630.0013 842-0.1363 982-0.0493 84203 982-0.1584 122-0.0633 98204 122-0.1834 262-0.0794 122-0.0024 262-0.2094 401-0.0964 262-0.0054 401-0.2374 541-0.1164 401-0.014 541-0.2674 681-0.1374 541-0.0164 681-0.2984 821-0.1594 681-0.0254 821-0.3314 960-0.1844 821-0.0354 960-0.3675 000-0.1914 960-0.0475 100-0.4035 100-0.215 100-0.06

3 結(jié)論及總結(jié)

根據(jù)以上分析，當(dāng)滾珠絲杠下支座位于導(dǎo)軌塊與滑枕包容面內(nèi)時，可認(rèn)為滾珠絲杠預(yù)緊力及其平衡油缸支撐力對加工精度沒有影響。當(dāng)滑枕伸出使?jié)L珠絲杠下支座位于導(dǎo)軌滑塊與滑枕包容面下端時，計(jì)取滑枕長度為2 150 mm，即在此范圍以外加工精度不受影

響，在此范圍內(nèi)加工誤差從0一直增加到0.007 mm。根據(jù)此數(shù)據(jù)，對滑枕中部對應(yīng)導(dǎo)軌塊滑與滑枕包容面相應(yīng)位置進(jìn)行反變形工藝處理，使滑枕移動至相應(yīng)位置時會在徑向產(chǎn)生整體位移，該位移正好抵消滾珠絲杠預(yù)緊力及平衡油缸支撐力產(chǎn)生的彎曲變形在滑枕端部產(chǎn)生的彎曲變形，從而消除加工誤差，達(dá)到提高加工精度的目的。實(shí)際現(xiàn)場對滑枕進(jìn)行處理后，加工精度回復(fù)正常，完全滿足了加工要求。

此問題的產(chǎn)生主要原因在于滑枕行程過長，包容面長度不足，滾珠絲杠下支座超出了滑枕包容面，滑枕加工部分處于彎曲應(yīng)力狀態(tài)所致。為避免此類問題的發(fā)生，建議相關(guān)機(jī)床設(shè)計(jì)廠家合理調(diào)整滾珠絲杠支座位置，使其在滑枕全行程范圍內(nèi)都不超出導(dǎo)軌面與滑枕包容面，這對保證機(jī)床各種加工狀態(tài)加工精度指標(biāo)意義重大。