數控機床驅動裝置可靠性技術研究
2019-6-28 來源： 大連機床集團 工藝裝備 大連金潤液壓 作者：饒彥平 尹闊 呂靜
摘要：數控機床驅動裝置的穩定性決定了機床整機的可靠性。通過分析驅動裝置關鍵零部件的結構特點、加工及裝配過程的關鍵精度要求，提出了相關的精度保證方法以及評定過程，采用技術手段控制關鍵零件的加工方法，提高了零件的精度及穩定性，并根據結構特點采用合適的裝配方法，從而提高了驅動裝置的可靠性。該方法可操作性強，有一定的推廣價值。
關鍵詞：數控機床；驅動裝置；可靠性
目前，數控機床在制造業中所占的比重越來越大，數控機床在使用過程中的可靠性也越來越受到重視。在數控機床的可靠性中，定位精度及重復定位精度更是人們關注的焦點。機床的定位精度與重復定位精度決定了加工零件的精度，如數控車及數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零件表面質量等均與定位精度及重復定位精度有關。定位精度與重復定位精度與驅動裝置有關。
１ 驅動裝置分析
１．１ 驅動裝置結構
數控機床驅動裝置（見圖１）包括驅動電動機、電動機座、聯軸節、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 數控機床驅動裝置示例
１．２ 安裝時關鍵精度
數控機床驅動裝置安裝時應保證如下精度要求：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（電動機座及軸承座軸承孔）的加工及裝配時的同軸度誤差；３）螺母座與絲杠螺母接合面的平行度精度；４）電動機座中電動機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）后軸承鎖緊螺母預拉變形量控制要求。
１．３ 技術要求
驅動裝置主要精度為電動機座、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，其技術要求如下。
１）三座中的基準孔一般是裝軸承或電動機止口安裝孔，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～Ｒａ１．６μｍ。
３）與裝配基面平行或垂直的基準孔中心線，其平行或 垂 直 在 全 長 范 圍 內 要 求 為 ０．００５～０．０１ｍｍ。
４）當安裝基準面與基體連接有刮研要求時，配合需精密吻合。
２ 、加工過程分析
由于三座中，電動機座的制造 精 度 起 作 用，因此，本文對電動機座的加工過程進行分析。
２．１ 電動機座加工工藝
電動機座（見圖２）為數控機床Ｚ 向驅動裝置中與伺服電動機相連的關鍵零件，其總體尺寸不大，從其功能上看，一方面滿足與電動機的連接及與床體的連接；另一方面通過軸承支承絲杠和聯軸節等零件，故要求有較高的支承剛度，因此一般將其做成不規則的腔型結構（見圖２）。
圖２ 電動機座尺寸圖
為了提高電動機座的強度和剛度，一般采用力學性能較好的珠光體灰口鐵ＨＴ２５０或 ＨＴ３００鑄造而成。
２．２ 電動機座技術要求
電動機座的技術要求見表１。
表１ 電動機座的技術要求
２．３ 機械加工工藝過程
電動機座按成批生產時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（比較嚴格），距離公差為±０．０５ｍｍ，電動機安裝面與孔系垂直度為０．０１ｍｍ，電動機安裝孔與軸承安裝孔同軸度為０．０１ｍｍ。從各項幾何公差來看，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，材質比較軟，裝夾力量過大則容易變形，為保證工件各項精度，對于單件生產需要對安裝接合面進行刮研，保證平面度0.01 mｍ，在 坐 標 鏜 床 上 對 孔 系 進 行 精鏜，保證孔系與安裝接合面的平行度及電動機安裝孔與軸承安裝孔的同軸度。但是對于目前機床的批量生產，電動機座需要大批量加工制造，每天的產量在６０件以上，仍然使用傳統工藝對工件進行加工制造，需要增加坐標鏜床的數量，生產成本過大。
為了完成每天６０件的生產任務，在保證工件加工精度的前提下，筆者對工件的加工工藝進行了調整，使用立式加工中心（ＶＤＬ１０００）對安裝接合面進行粗銑留量，同時加工兩沉孔（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行粗加工，使用立式加工中心（ＭＤＶ５５ 帶 光 柵 尺）對安裝接合面進行精加工，同時加工兩定位銷孔（按 Ｈ７加工）孔距±０．０１ｍｍ，再以一面兩銷的定位形式對孔系進行精加工。如此方法，只需在原有設備基礎上新增２、臺立式加工中心（ＭＤＶ５５）設計制作４套液壓夾具，實行一人多機，即可降低每年數十萬元的生產成本。
２．５ 質量評定
試制的樣件經過三坐標檢測，安裝接合面平面度為０．０１ｍｍ，電動機安裝面與孔系垂直度在 ２００ｍｍ 長度上為０．０１ｍｍ，距離公差為±０．０２ｍｍ，電動機安裝孔與軸承安裝孔同軸度為０．００８ｍｍ。實踐證明，新的工藝方法能夠滿足圖樣設計要求。
３ 、裝配過程分析
３．１ 主要裝配零件
該驅動裝置是由滾珠絲杠副、前端電動機座組件、后端軸承座組件、聯軸器及伺服電動機組成的，這種結構有著很高的傳動精度、定位精度和重復定位精度。由于經過精密的加工、裝配，加上絲杠的傳動效率高，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，工作時借助鋼球在絲杠與螺母之間做點接觸的滾動，從而實現絲杠或螺母的位移。
近年來，滾珠絲杠副作為數控機床直線驅動執行單元，在機床行業得到了廣泛的應用。滾珠絲杠副具有極高的傳動效率，可達９０％以上，為傳統滑動絲杠的 ３ 倍，并可實現可逆性傳動，使運動部件的發熱量大幅降低。滾珠絲杠副經過精密磨削、精密裝配和嚴格檢驗，因此，有很高的傳動精度。由于絲杠、螺母和鋼球之間均為點接觸，且本身經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。
電動機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，能承受徑向負荷和２個方向的軸向負荷，在有力矩作用時剛度很高，但同時這種結構對軸承孔的幾何公差要求較高；預緊力是決定角接觸軸承性能的重要因素，預緊力越大，徑 向剛 度和軸向剛度都會提高，但同時溫升也會加大，因此在安裝過程中應采用合適的力矩控制軸承的預緊力，防止預緊力過大或過小。
聯軸器能在一定程度上補償連接件的軸向、角向和徑向偏差，同時不會造成磨損和提前失效，最大程度地避免了伺服電動機振動、發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，應最大程度地保證聯軸器的安裝精度。為確保數控機床進給系統的傳動精度、靈敏度和工作穩定性，在裝配過程中應使用合理的工具、工裝和檢具，才能保證裝配精度，獲得合格的產品。
３．２ 裝配要求
驅動裝置裝配要求如下。
１）絲杠組件自身的精度。滾珠絲杠副作為關鍵的滾動原件，對機構的性能舉足輕重，其精度的高低直接影響了整個機構的工作效果，因而應根據實際的工作要求（定位精度、傳動速度和扭矩等情況）選擇合適的絲杠組件。
２）絲杠中心線與導軌平行度。由于絲杠是精密部件，電動機座、軸承座的同心度以及軸線對床身導軌的平行度直接決定了絲杠安裝后的綜合精度，在整機試車過程中的定位精度、重復定位精度和反向偏差等都與絲杠安裝質量的好壞有著直接的關系；因此，在安裝絲杠前，應先檢測電動機座、軸承座的單項精度、兩座軸線對導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；之后再進行滾珠絲杠副和其余件的安裝。
３）絲杠裝配后的軸向竄動與徑向跳動。這兩項精度對所傳動部件的運動精度有很大影響，國家標準對于絲杠的軸向竄動和徑向跳動有著嚴 格的規定，主要通過軸承的預緊進行控制。
４）聯軸器的安裝精度。要求安裝時絲杠軸線與伺服電動機軸線同軸度為０．０１ｍｍ。３．３ 精度要求安裝過程中應重點保證如下精度。
３．３ 精度要求
安裝過程中應重點保證如下精度。
１）軸承座、電動機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／２５ｍｍ×２５ｍｍ。
２）軸承座與電動機座軸承孔軸線與床身導軌的平行度０．０１ｍｍ／２００ｍｍ。
３）軸承座與電動機座軸承孔軸線與床身導軌的等距度０．０２ｍｍ。
４）伺服電動機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，將電動機座、軸承座各接觸面、棱邊、內孔各處清理干凈，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、電動機座孔內分別裝上檢驗棒，采用專用找表胎，以床身導軌為基準，用千分表分別檢測兩檢驗棒的上母線、側母線，按具體情況調整各件；最后根據實測誤差配磨軸承座下的調整墊，以達到精度要求。精度合格后，將電動機座、軸承座分別打上錐銷孔，復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，應保證軸承端蓋壓靠到軸承外環上，前后鎖緊螺母應采用力矩扳手安裝并鎖緊。定絲杠螺母座時，應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。為補償由于加工過程中絲杠溫度引起的伸縮變形，在裝配時還應通過鎖緊螺母對絲杠進行預拉伸。
３）該聯軸器的安裝精度主要通過加工保證，即電動機座上的１１０Ｈ７孔與Ａ 孔的同軸度保證了安裝后徑向偏差的大小，伺服電動機和電動機座接合面與１１０Ｈ７孔的垂直度要求保證了安裝后角向偏差的大小，在加工過程中應重點保證其精度。
４ 結語
經過近幾年對大連機床集團數控機床驅動裝置生產過程中加工及裝配工藝的研究，產品質量和出廠精度穩定性有了明顯的提高，機床使用的可靠性也有了明顯的提高。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
