卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳維范 薛 丹

(①遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110161；②沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

滾珠絲杠副在工作時(shí)難免要發(fā)熱，其溫度將高于床身。滾珠絲杠的熱膨脹將使導(dǎo)程增大，影響機(jī)床定位精度[1-2]。研究表明，熱變形引起的誤差通常會(huì)占到工件加工總誤差的40%～70%[3-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般都采用快速升溫，待機(jī)床熱平衡后再進(jìn)行加工，這需要機(jī)床先熱機(jī)，造成生產(chǎn)效率降低。

目前，減小機(jī)床熱誤差主要有誤差預(yù)防和誤差補(bǔ)償兩種基本方法[6-7]。采用軟件補(bǔ)償消除誤差，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行大量的試驗(yàn)后建立誤差預(yù)測(cè)模型，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求較高，有時(shí)還需要進(jìn)行二次開發(fā)[8-9]。滾珠絲杠預(yù)拉伸就是在機(jī)床裝配時(shí)對(duì)滾珠絲杠軸向施加預(yù)拉伸力，使?jié)L珠絲杠被拉長(zhǎng)，而被拉伸后的滾珠絲杠在溫度再有變化時(shí)，只是內(nèi)應(yīng)力起變化，而螺距精度保持不變[10-11]。常見的滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)存在支承軸承因承受較大軸向力而導(dǎo)致使用壽命降低的問題。

在對(duì)某型數(shù)控車床原有X軸滾珠絲杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在滾珠絲杠兩端支承的軸承座內(nèi)設(shè)置推力球軸承，滾珠絲杠預(yù)拉伸產(chǎn)生的軸向力由推力軸承承擔(dān)，用于支承滾珠絲杠的推力角接觸球軸承達(dá)到了卸荷的目的。

1 數(shù)控車床X軸滾珠絲杠結(jié)構(gòu)

本文所研究的數(shù)控車床X軸滾珠絲杠原有結(jié)構(gòu)采用一端固定、一端簡(jiǎn)支的形式，如圖1所示。滾珠絲杠兩端分別采用2個(gè)20TAC47B推力角接觸球軸承4和9。在固定端軸承座5內(nèi)，滾珠絲杠6的左端軸向固定；在電機(jī)端軸承座8內(nèi)，滾珠絲杠6的右端與推力角接觸球軸承9之間留有軸向間隙，滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)向右端(電機(jī)端)延伸。

2 常見滾珠絲杠預(yù)拉伸方式存在的問題

2.1 滾珠絲杠預(yù)拉伸的理論分析與計(jì)算

滾珠絲杠運(yùn)行時(shí)發(fā)熱，致使?jié)L珠絲杠熱伸長(zhǎng)，其熱伸長(zhǎng)量為

ΔL=αL0ΔT

(1)

式中：ΔL為滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)量，mm;L0為滾珠絲杠的預(yù)拉伸的有效長(zhǎng)度，mm;ΔT為滾珠絲杠的溫升，℃;α為滾珠絲杠材料的線膨脹系數(shù)。

為了減小滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)對(duì)機(jī)床定位精度的影響，可對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，由胡克定律可得到滾珠絲杠的預(yù)拉伸力為

(2)

式中：Fa為對(duì)滾珠絲杠施加的預(yù)拉伸力，N；ΔL為滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)量，mm；E為滾珠絲杠材料的彈性模量，N/mm2；L0滾珠絲杠拉伸長(zhǎng)度，mm；A為滾珠絲杠底徑面積，mm2。

由文獻(xiàn)[12]知，螺紋預(yù)拉伸力矩為

T≈0.2Fad0

(3)

式中：T為鎖緊螺母鎖緊所施加的力矩，N·m；d0為鎖緊螺母螺紋公稱直徑，mm。

2.2 常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)存在的問題

如圖1所示，常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)一般將滾珠絲杠的一端固定，對(duì)另一端圓螺母12施加力矩，使?jié)L珠絲杠得到伸長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸。

如圖2所示，為常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)受力分析圖。當(dāng)對(duì)圓螺母12(如圖1所示)施加力矩時(shí)，使?jié)L珠絲杠產(chǎn)生預(yù)拉伸力Fa常，兩圓螺母間AB段的滾珠絲杠被拉伸。預(yù)拉伸力Fa常由圓螺母通過軸套反作用給推力角接觸球軸承，因此推力角接觸球軸承承受了與預(yù)拉伸力大小相等、方向相反的軸向力Fz常，即Fa常=-Fz常。

采用常見預(yù)拉伸方式時(shí)，滾珠絲杠拉伸長(zhǎng)度為L(zhǎng)0常=600 mm，滾珠絲杠底徑按d=25 mm，圓螺母12螺紋公稱直徑d12=20 mm，溫升ΔT=4 ℃。由式(1)～(3)可以得到滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)量為ΔL常=29 μm，預(yù)拉伸力Fa常=4 840 N，圓螺母施加力矩T常=19.3 N·m。

為了提高軸承的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，經(jīng)常對(duì)推力角接觸球軸承施加預(yù)負(fù)荷(即軸向力)。根據(jù)NSK精密滾動(dòng)軸承樣本，查得兩個(gè)推力角接觸球軸承20TAC47B組合時(shí)預(yù)負(fù)荷為1 000 N，預(yù)負(fù)荷過大會(huì)帶來疲勞壽命降低，發(fā)熱增加，甚至在極端的場(chǎng)合發(fā)生軸承的磨損或燒結(jié)。因此，常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)會(huì)影響推力角接觸球軸承的使用壽命。

3 卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 固定端滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定端滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在固定端軸承座1中安裝推力球軸承4，推力球軸承4兩側(cè)分別用端蓋6和半圓環(huán)擋圈2(如圖4所示)在滾珠絲杠上軸向固定；兩個(gè)半圓環(huán)擋圈2用圈套3固定在滾珠絲杠的空刀槽上，端蓋6與絲杠之間設(shè)置密封圈5，端蓋6用螺釘7固定在軸承座1上。

3.2 預(yù)拉伸端滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)拉伸端滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在電機(jī)端軸承座9內(nèi)設(shè)置推力球軸承6；推力球軸承6由半圓環(huán)擋圈8、隔墊3、鎖緊螺母1在滾珠絲杠上軸向固定；兩個(gè)半圓環(huán)擋圈8由套圈7固定在滾珠絲杠的空刀槽上，隔墊3與滾珠絲杠之間設(shè)置密封圈5，鎖緊螺母1與電機(jī)端軸承座9采用螺紋連接；鎖緊螺母1與電機(jī)端軸承座9之間設(shè)有調(diào)整墊4，對(duì)鎖緊螺母1施加力矩，完成滾珠絲杠11的預(yù)拉伸，然后用頂絲2防松。在滾珠絲杠預(yù)拉伸前，先松開頂絲2，旋松鎖緊螺母1，取下調(diào)整墊4(如圖6所示)，根據(jù)理論計(jì)算并經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試確定預(yù)拉伸扭矩和調(diào)整墊4的磨削量。

3.3 卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)受力分析

如圖7所示，為卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)受力分析圖。當(dāng)對(duì)鎖緊螺母1(如圖5所示)施加力矩時(shí)，產(chǎn)生的預(yù)拉伸力Fa卸由鎖緊螺母→隔墊→推力球軸承→半圓環(huán)擋圈傳遞給滾珠絲杠，兩對(duì)半圓環(huán)擋圈間CD段(不再是AB段)的滾珠絲杠被拉伸。預(yù)拉伸力Fa卸由半圓環(huán)擋圈反作用給推力球軸承，即推力球軸承承受軸向力Fz卸。推力角接觸球軸承就不再承受由預(yù)拉伸引起的軸向力，從而實(shí)現(xiàn)卸荷的目的。

采用卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)時(shí)，滾珠絲杠拉伸長(zhǎng)度L0卸=450 mm，滾珠絲杠底徑按d=25 mm，鎖緊螺母1(如圖5所示)螺紋公稱直徑d1=54 mm，溫升ΔT=4 ℃，由式(1)～(3)可以得到滾珠絲杠熱伸長(zhǎng)量ΔL卸=22 μm，預(yù)拉伸力Fa卸=4 900 N，鎖緊螺母施加力矩T卸=53 N·m。

4 卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

4.1 滾珠絲杠預(yù)拉伸量的測(cè)試

為驗(yàn)證滾珠絲杠預(yù)拉伸量與鎖緊螺母施加力矩之間的關(guān)系，并確定調(diào)整墊的磨削量，需要對(duì)數(shù)控車床X軸滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn)。

首先，在滾珠絲杠預(yù)拉伸端拆下調(diào)整墊。將兩個(gè)千分表表座固定在床身上，測(cè)頭分別與滾珠絲杠端部垂直，如圖8所示。

滾珠絲杠拉伸后右端向右變形δ2，由于另一端滾珠絲杠整體也要向右移動(dòng)δ1，因此，測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)1的差值為滾珠絲杠的實(shí)測(cè)預(yù)拉伸量，即

δ實(shí)測(cè)=δ2-δ1

(4)

實(shí)際測(cè)得δ2=24 μm、δ1=1 μm，由式(4)得到δ實(shí)測(cè)=23 μm，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值ΔL卸=22 μm基本相符。由此可以確定調(diào)整墊的磨削量為24 μm，鎖緊螺母施加力矩T卸=53 N·m。

4.2 滾珠絲杠預(yù)拉伸效果試驗(yàn)

按滾珠絲杠未預(yù)拉伸、常見滾珠絲杠預(yù)拉伸和卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸3種結(jié)構(gòu)分別在同一臺(tái)數(shù)控車床上進(jìn)行溫升和定位誤差測(cè)試。

在進(jìn)行滾珠絲杠未預(yù)拉伸和常見滾珠絲杠預(yù)拉伸兩種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，可在兩軸承座內(nèi)(如圖3、圖5所示)不安裝推力球軸承、套圈、半圓環(huán)擋圈等零件。常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)對(duì)圓螺母10(如圖5所示)施加力矩T常=19.3 N·m。

3種滾珠絲杠結(jié)構(gòu)裝配完成的數(shù)控車床在測(cè)試前均需停機(jī)24 h以上。數(shù)控車床X軸以8 m/min的快移速度進(jìn)行全程熱機(jī)，每次熱機(jī)10 min，直到熱平衡狀態(tài)，之后停機(jī)讓機(jī)床自然冷卻。每運(yùn)行一次熱機(jī)程序，用溫度測(cè)試儀分別測(cè)出滾珠絲杠電機(jī)端軸承座、固定端軸承座及滾珠絲杠螺母副的溫度T1、T2和T3，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。同時(shí)用激光干涉儀測(cè)量X軸定位誤差，如圖10所示。

測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為18.5 ℃，3種不同滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的數(shù)控車床運(yùn)行70 min左右時(shí)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，測(cè)試得到各測(cè)試點(diǎn)最大溫升見表1。

表1 3種不同結(jié)構(gòu)各測(cè)試點(diǎn)最大溫升 ℃

通過試驗(yàn)可以看出，常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)較滾珠絲杠未預(yù)拉伸和卸荷式預(yù)拉伸兩種結(jié)構(gòu)各測(cè)試點(diǎn)的溫升均有不同程度升高，兩軸承座溫升提高2 ℃左右。卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)與滾珠絲杠未預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)相比，各測(cè)試點(diǎn)溫升未超過0.3 ℃。因此，采用卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)可以使支承軸承的溫升得到控制。

由圖10可以看出，滾珠絲杠未預(yù)拉伸、常見預(yù)拉伸和卸荷式預(yù)拉伸3種結(jié)構(gòu)形式測(cè)得的X軸定位誤差分別是14.3 μm、4.9 μm和3.6 μm?？梢?，滾珠絲杠預(yù)拉伸可以提高數(shù)控車床的定位精度，卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)較常見滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)的數(shù)控車床定位精度高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)某型數(shù)控車床一端固定、一端簡(jiǎn)支的X軸滾珠絲杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)。按照理論計(jì)算值對(duì)數(shù)控車床X軸滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn)，確定了預(yù)拉伸力矩和調(diào)整墊的磨削量。通過運(yùn)行試驗(yàn)表明，卸荷式滾珠絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)可以提升數(shù)控車床X軸的定位精度，同時(shí)也減小了推力角接觸球軸承的溫升，實(shí)現(xiàn)了滾珠絲杠支承軸承卸荷的目的。