數(shù)控機(jī)床驅(qū)動裝置可靠性技術(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)動裝置的可靠性。該方法可操作性強(qiáng)，有一定的推廣價值。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；驅(qū)動裝置；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)動裝置有關(guān)。
１ 驅(qū)動裝置分析
１．１ 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)
數(shù)控機(jī)床驅(qū)動裝置（見圖１）包括驅(qū)動電動機(jī)、電動機(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)動裝置示例
１．２ 安裝時關(guān)鍵精度
數(shù)控機(jī)床驅(qū)動裝置安裝時應(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（電動機(jī)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(jī)座中電動機(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)動裝置主要精度為電動機(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(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，配合需精密吻合。
２ 、加工過程分析
由于三座中，電動機(jī)座的制造 精 度 起 作 用，因此，本文對電動機(jī)座的加工過程進(jìn)行分析。
２．１ 電動機(jī)座加工工藝
電動機(jī)座（見圖２）為數(shù)控機(jī)床Ｚ 向驅(qū)動裝置中與伺服電動機(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 電動機(jī)座尺寸圖
為了提高電動機(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 電動機(jī)座技術(shù)要求
電動機(jī)座的技術(shù)要求見表１。
表１ 電動機(jī)座的技術(shù)要求
２．３ 機(jī)械加工工藝過程
電動機(jī)座按成批生產(chǎn)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(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，電動機(jī)安裝面與孔系垂直度為０．０１ｍｍ，電動機(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(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０．０１ｍｍ，電動機(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)動裝置是由滾珠絲杠副、前端電動機(jī)座組件、后端軸承座組件、聯(lián)軸器及伺服電動機(jī)組成的，這種結(jié)構(gòu)有著很高的傳動精度、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(diǎn)接觸的滾動，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效率，可達(dá)９０％以上，為傳統(tǒng)滑動絲杠的 ３ 倍，并可實(shí)現(xiàn)可逆性傳動，使運(yùn)動部件的發(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個方向的軸向負(fù)荷，在有力矩作用時剛度很高，但同時這種結(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 度和軸向剛度都會提高，但同時溫升也會加大，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，同時不會造成磨損和提前失效，最大程度地避免了伺服電動機(jī)振動、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與徑向跳動。這兩項(xiàng)精度對所傳動部件的運(yùn)動精度有很大影響，國家標(biāo)準(zhǔn)對于絲杠的軸向竄動和徑向跳動有著嚴(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。要求安裝時絲杠軸線與伺服電動機(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／２５ｍｍ×２５ｍｍ。
２）軸承座與電動機(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，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，伺服電動機(jī)和電動機(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)過近幾年對大連機(jī)床集團(tuán)數(shù)控機(jī)床驅(qū)動裝置生產(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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