數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置可靠性技術(shù)研究
2019-6-28 來源： 大連機(jī)床集團(tuán) 工藝裝備 大連金潤液壓 作者：饒彥平 尹闊 呂靜
摘要：數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置的穩(wěn)定性決定了機(jī)床整機(jī)的可靠性。通過分析驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工及裝配過程的關(guān)鍵精度要求，提出了相關(guān)的精度保證方法以及評(píng)定過程，采用技術(shù)手段控制關(guān)鍵零件的加工方法，提高了零件的精度及穩(wěn)定性，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用合適的裝配方法，從而提高了驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性。該方法可操作性強(qiáng)，有一定的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；驅(qū)動(dòng)裝置；可靠性
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)。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～ＩＴ７，表面粗糙度要求為Ｒａ１．６μｍ。
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(duì)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～Ｒａ１．６μｍ。
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 ０．００５～０．０１ｍｍ。
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(duì)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）。
圖２ 電動(dòng)機(jī)座尺寸圖
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。
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
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
要求孔系與安裝接合面平行度為０．０１ｍｍ（比較嚴(yán)格），距離公差為±０．０５ｍｍ，電動(dòng)機(jī)安裝面與孔系垂直度為０．０１ｍｍ，電動(dòng)機(jī)安裝孔與軸承安裝孔同軸度為０．０１ｍｍ。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(duì)于單件生產(chǎn)需要對(duì)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(duì) 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(duì)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(duì)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(duì)工件的加工工藝進(jìn)行了調(diào)整，使用立式加工中心（ＶＤＬ１０００）對(duì)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(duì)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(duì)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±０．０１ｍｍ，再以一面兩銷的定位形式對(duì)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(tái)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(píng)定
試制的樣件經(jīng)過三坐標(biāo)檢測，安裝接合面平面度為０．０１ｍｍ，電動(dòng)機(jī)安裝面與孔系垂直度在 ２００ｍｍ 長度上為０．０１ｍｍ，距離公差為±０．０２ｍｍ，電動(dòng)機(jī)安裝孔與軸承安裝孔同軸度為０．００８ｍｍ。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(duì)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(duì)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(duì)絲杠的影響。在安裝過程中，連接軸的對(duì)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。
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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０．０１ｍｍ。３．３ 精度要求安裝過程中應(yīng)重點(diǎn)保證如下精度。
３．３ 精度要求
安裝過程中應(yīng)重點(diǎn)保證如下精度。
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)／２５ｍｍ×２５ｍｍ。
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０．０１ｍｍ／２００ｍｍ。
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０．０２ｍｍ。
４）伺服電動(dòng)機(jī)軸線與絲杠軸線的同軸度０．０１ｍｍ。
３．４ 保證精度的措施
保證精度的措施如下。
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。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(duì)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１１０Ｈ７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１１０Ｈ７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(duì)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。
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