數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置可靠性技術(shù)研究

饒彥平，尹 闊，呂 靜

(1.大連機(jī)床集團(tuán) 工藝裝備研究所，遼寧 大連 116600；2.大連金潤液壓公司 技術(shù)部，遼寧 大連 116600)

目前，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中所占的比重越來越大，數(shù)控機(jī)床在使用過程中的可靠性也越來越受到重視。在數(shù)控機(jī)床的可靠性中，定位精度及重復(fù)定位精度更是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。機(jī)床的定位精度與重復(fù)定位精度決定了加工零件的精度，如數(shù)控車及數(shù)控磨加工外圓的精度、加工中心加工零件的孔間位置誤差與加工模具時(shí)零件表面質(zhì)量等均與定位精度及重復(fù)定位精度有關(guān)。而定位精度與重復(fù)定位精度與驅(qū)動(dòng)裝置有關(guān)。

1 驅(qū)動(dòng)裝置分析

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置(見圖1)包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)座、聯(lián)軸節(jié)、前軸承、絲杠螺母、螺母座、滾柱/滾珠絲杠、軸承座、后軸承和鎖緊螺母等。

圖1 數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置示例

1.2 安裝時(shí)關(guān)鍵精度

數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置安裝時(shí)應(yīng)保證如下精度要求：1)絲杠及螺母副本身的加工及裝配精度；2)安裝前后軸承外孔(電動(dòng)機(jī)座及軸承座軸承孔)的加工及裝配時(shí)的同軸度誤差；3)螺母座與絲杠螺母接合面的平行度精度；4)電動(dòng)機(jī)座中電動(dòng)機(jī)安裝孔與軸承孔的同軸度精度；5)前軸承鎖緊螺母的鎖緊扭矩控制要求；6)后軸承鎖緊螺母預(yù)拉變形量控制要求。

1.3 技術(shù)要求

驅(qū)動(dòng)裝置主要精度為電動(dòng)機(jī)座、螺母座、軸承座(以下簡稱三座)的制造精度，以及與之相配零件的裝配精度有關(guān)，其技術(shù)要求如下。

1)三座中的基準(zhǔn)孔一般是裝軸承或電動(dòng)機(jī)止口安裝孔，其精度要求為IT6～I(xiàn)T7，表面粗糙度要求為Ra1.6 μm。

2)零件上用于連接的裝配基面將直接影響三座與其相連接零件安裝時(shí)的相對位置及加工中的定位精度，因而要有較高的平面度和表面粗糙度。其平面度要求為0.01～0.005 mm，表面粗糙度要求為Ra0.8～Ra1.6 μm。

3)與裝配基面平行或垂直的基準(zhǔn)孔中心線，其平行或垂直在全長范圍內(nèi)要求為0.005～0.01 mm。

4)當(dāng)安裝基準(zhǔn)面與基體連接有刮研要求時(shí)，配合需精密吻合。

2 加工過程分析

由于三座中，電動(dòng)機(jī)座的制造精度起作用，因此，本文對電動(dòng)機(jī)座的加工過程進(jìn)行分析。

2.1 電動(dòng)機(jī)座加工工藝

電動(dòng)機(jī)座(見圖2)為數(shù)控機(jī)床Z向驅(qū)動(dòng)裝置中與伺服電動(dòng)機(jī)相連的關(guān)鍵零件，其總體尺寸不大，從其功能上看，一方面滿足與電動(dòng)機(jī)的連接及與床體的連接；另一方面通過軸承支承絲杠和聯(lián)軸節(jié)等零件，故要求有較高的支承剛度，因此一般將其做成不規(guī)則的腔型結(jié)構(gòu)(見圖2)。為了提高電動(dòng)機(jī)座的強(qiáng)度和剛度，一般采用力學(xué)性能較好的珠光體灰口鐵HT250或HT300鑄造而成。

圖2 電動(dòng)機(jī)座尺寸圖

2.2 電動(dòng)機(jī)座技術(shù)要求

電動(dòng)機(jī)座的技術(shù)要求見表1。

表1 電動(dòng)機(jī)座的技術(shù)要求

2.3 機(jī)械加工工藝過程[1]

電動(dòng)機(jī)座按成批生產(chǎn)時(shí)的加工工藝過程如下。

1)10序：以安裝面定位加工工藝粗基準(zhǔn)面。

2)20序：粗半精加工安裝面及工藝孔。

3)30序：以20序安裝面及工藝孔定位粗半精加工各面、孔。

4)40序：精加工安裝面。

5)50序：以精加工后安裝面及工藝孔定位精加工各面、孔。

2.4 工藝分析

2.4.1 精度要求[2]

要求孔系與安裝接合面平行度為0.01 mm(比較嚴(yán)格)，距離公差為±0.05 mm，電動(dòng)機(jī)安裝面與孔系垂直度為0.01 mm，電動(dòng)機(jī)安裝孔與軸承安裝孔同軸度為0.01 mm。從各項(xiàng)幾何公差來看，此工件為高精度工件。

2.4.2 材料特性、加工方案及工藝措施

工件材料為灰口鑄鐵HT250或HT300，材質(zhì)比較軟，裝夾力量過大則容易變形，為保證工件各項(xiàng)精度，對于單件生產(chǎn)需要對安裝接合面進(jìn)行刮研，保證平面度0.01 mm，在坐標(biāo)鏜床上對孔系進(jìn)行精鏜，保證孔系與安裝接合面的平行度及電動(dòng)機(jī)安裝孔與軸承安裝孔的同軸度。

但是對于目前機(jī)床的批量生產(chǎn)，電動(dòng)機(jī)座需要大批量加工制造，每天的產(chǎn)量在60件以上，仍然使用傳統(tǒng)工藝對工件進(jìn)行加工制造，需要增加坐標(biāo)鏜床的數(shù)量，生產(chǎn)成本過大。為了完成每天60件的生產(chǎn)任務(wù)，在保證工件加工精度的前提下，筆者對工件的加工工藝進(jìn)行了調(diào)整，使用立式加工中心(VDL1000)對安裝接合面進(jìn)行粗銑留量，同時(shí)加工兩沉孔(按H7加工成品)，以一面兩銷的定位形式對孔系及工件其他部分進(jìn)行粗加工，使用立式加工中心(MDV55帶光柵尺)對安裝接合面進(jìn)行精加工，同時(shí)加工兩定位銷孔(按H7加工)孔距±0.01 mm，再以一面兩銷的定位形式對孔系進(jìn)行精加工。如此方法，只需在原有設(shè)備基礎(chǔ)上新增2臺立式加工中心(MDV55)，設(shè)計(jì)制作4套液壓夾具，實(shí)行一人多機(jī)，即可降低每年數(shù)十萬元的生產(chǎn)成本。

2.5 質(zhì)量評定

試制的樣件經(jīng)過三坐標(biāo)檢測，安裝接合面平面度為0.01 mm，電動(dòng)機(jī)安裝面與孔系垂直度在200 mm長度上為0.01 mm，距離公差為±0.02 mm，電動(dòng)機(jī)安裝孔與軸承安裝孔同軸度為0.008 mm。實(shí)踐證明，新的工藝方法能夠滿足圖樣設(shè)計(jì)要求。

3 裝配過程分析

3.1 主要裝配零件

該驅(qū)動(dòng)裝置是由滾珠絲杠副、前端電動(dòng)機(jī)座組件、后端軸承座組件、聯(lián)軸器及伺服電動(dòng)機(jī)組成的，這種結(jié)構(gòu)有著很高的傳動(dòng)精度、定位精度和重復(fù)定位精度。由于經(jīng)過精密的加工、裝配，加上絲杠的傳動(dòng)效率高，所以它有較好的高速特性。

滾珠絲杠副由絲杠與螺母兩大部分組成，工作時(shí)借助鋼球在絲杠與螺母之間做點(diǎn)接觸的滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絲杠或螺母的位移。近年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠副具有極高的傳動(dòng)效率，可達(dá)90%以上，為傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的3倍，并可實(shí)現(xiàn)可逆性傳動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)部件的發(fā)熱量大幅降低。滾珠絲杠副經(jīng)過精密磨削、精密裝配和嚴(yán)格檢驗(yàn)，因此，有很高的傳動(dòng)精度。由于絲杠、螺母和鋼球之間均為點(diǎn)接觸，且本身經(jīng)過硬化處理及多次定性處理，所以其磨損、變形極小，因而大大提高了其使用壽命。

電動(dòng)機(jī)座組件是絲杠的主要支承單元，絲杠的前端支承在一對角接觸軸承上，兩軸承背靠背安裝，能承受徑向負(fù)荷和2個(gè)方向的軸向負(fù)荷，在有力矩作用時(shí)剛度很高，但同時(shí)這種結(jié)構(gòu)對軸承孔的幾何公差要求較高；預(yù)緊力是決定角接觸軸承性能的重要因素，預(yù)緊力越大，徑向剛度和軸向剛度都會(huì)提高，但同時(shí)溫升也會(huì)加大，因此在安裝過程中應(yīng)采用合適的力矩控制軸承的預(yù)緊力，防止預(yù)緊力過大或過小。

聯(lián)軸器能在一定程度上補(bǔ)償連接件的軸向、角向和徑向偏差，同時(shí)不會(huì)造成磨損和提前失效，最大程度地避免了伺服電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、發(fā)熱等因素對絲杠的影響。在安裝過程中，連接軸的對中性越好，它的使用壽命和傳遞效果就越好，因此，應(yīng)最大程度地保證聯(lián)軸器的安裝精度。

為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和工作穩(wěn)定性，在裝配過程中應(yīng)使用合理的工具、工裝和檢具，才能保證裝配精度，獲得合格的產(chǎn)品。

3.2 裝配要求

驅(qū)動(dòng)裝置裝配要求如下[3]。

1)絲杠組件自身的精度。滾珠絲杠副作為關(guān)鍵的滾動(dòng)原件，對機(jī)構(gòu)的性能舉足輕重，其精度的高低直接影響了整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作效果，因而應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工作要求(定位精度、傳動(dòng)速度和扭矩等情況)選擇合適的絲杠組件。

2)絲杠中心線與導(dǎo)軌平行度。由于絲杠是精密部件，電動(dòng)機(jī)座、軸承座的同心度以及軸線對床身導(dǎo)軌的平行度直接決定了絲杠安裝后的綜合精度，在整機(jī)試車過程中的定位精度、重復(fù)定位精度和反向偏差等都與絲杠安裝質(zhì)量的好壞有著直接的關(guān)系；因此，在安裝絲杠前，應(yīng)先檢測電動(dòng)機(jī)座、軸承座的單項(xiàng)精度、兩座軸線對導(dǎo)軌的等距度及接合面的接觸精度，并將各支座打上錐銷孔定位；之后再進(jìn)行滾珠絲杠副和其余件的安裝。

3)絲杠裝配后的軸向竄動(dòng)與徑向跳動(dòng)。這兩項(xiàng)精度對所傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度有很大影響，國家標(biāo)準(zhǔn)對于絲杠的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)有著嚴(yán)格的規(guī)定，主要通過軸承的預(yù)緊進(jìn)行控制。

4)聯(lián)軸器的安裝精度。要求安裝時(shí)絲杠軸線與伺服電動(dòng)機(jī)軸線同軸度為φ0.01 mm。

3.3 精度要求

安裝過程中應(yīng)重點(diǎn)保證如下精度[4]。

1)軸承座、電動(dòng)機(jī)座與床體接觸面的接觸精度，螺母座端面與接合面的接觸精度：8個(gè)/25 mm×25 mm。

2)軸承座與電動(dòng)機(jī)座軸承孔軸線與床身導(dǎo)軌的平行度0.01 mm/200 mm。

3)軸承座與電動(dòng)機(jī)座軸承孔軸線與床身導(dǎo)軌的等距度0.02 mm。

4)伺服電動(dòng)機(jī)軸線與絲杠軸線的同軸度φ0.01 mm。

3.4 保證精度的措施

保證精度的措施如下[5]。

1)首先，將電動(dòng)機(jī)座、軸承座各接觸面、棱邊、內(nèi)孔各處清理干凈，保證各安裝面無飛邊后，將其固定到床體面上；然后，將軸承座、電動(dòng)機(jī)座孔內(nèi)分別裝上檢驗(yàn)棒，采用專用找表胎，以床身導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，用千分表分別檢測兩檢驗(yàn)棒的上母線、側(cè)母線，按具體情況調(diào)整各件；最后根據(jù)實(shí)測誤差配磨軸承座下的調(diào)整墊，以達(dá)到精度要求。精度合格后，將電動(dòng)機(jī)座、軸承座分別打上錐銷孔，復(fù)查各檢棒精度合格后將檢棒拆下。

2)滾珠絲杠副安裝到軸承座過程中，應(yīng)保證軸承端蓋壓靠到軸承外環(huán)上，前后鎖緊螺母應(yīng)采用力矩扳手安裝并鎖緊。固定絲杠螺母座時(shí)，應(yīng)檢測螺母座端面與接合面的接觸，保證螺母座與螺母接合面的平行度。為補(bǔ)償由于加工過程中絲杠溫度引起的伸縮變形，在裝配時(shí)還應(yīng)通過鎖緊螺母對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。

3)該聯(lián)軸器的安裝精度主要通過加工保證，即電動(dòng)機(jī)座上的φ110H7孔與A孔的同軸度保證了安裝后徑向偏差的大小，伺服電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)座接合面與φ110H7孔的垂直度要求保證了安裝后角向偏差的大小，在加工過程中應(yīng)重點(diǎn)保證其精度。

4 結(jié)語

經(jīng)過近幾年對大連機(jī)床集團(tuán)數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置生產(chǎn)過程中加工及裝配工藝的研究，產(chǎn)品質(zhì)量和出廠精度穩(wěn)定性有了明顯的提高，機(jī)床使用的可靠性也有了明顯的提高。