模具行業(yè)新型機(jī)床主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2024-8-30 來源： 沈陽機(jī)床中捷友誼廠有限公司 作者：裴計(jì)達(dá)
【摘要】: 為了滿足模具行業(yè)的加工要求，對(duì)傳統(tǒng)型機(jī)床主軸箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種新型數(shù)控機(jī)床主軸箱和絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不僅提升了零件加工精度和表面質(zhì)量，還解決了主軸移動(dòng)速度慢、重復(fù)定位精度差及主軸箱熱伸長等一系列問題。
【關(guān)鍵詞】: 模具行業(yè) ; 機(jī)床 ; 主軸箱 ; 新型結(jié)構(gòu) ; 絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)
1. 序言
龍門式數(shù)控鏜銑床廣泛應(yīng)用于軍工、電力、冶金、礦山、工程機(jī)械、化工、模具及動(dòng)力等行業(yè)，是箱體類、殼體類、桁架類、機(jī)體和機(jī)座類零件的理想加工設(shè)備，尤其適合外形尺寸大、形狀復(fù)雜、精度要求高及加工工序多的箱體類、板類零件的銑削、鉆削、鏜削、鉸削及攻螺紋加工。
模具行業(yè)的發(fā)展，給模具行業(yè)用機(jī)床的研發(fā)帶來了更高的要求。由于模具行業(yè)零件加工的要求和難度提高，因此對(duì)機(jī)床性能參數(shù)的要求也隨之提高。模具行業(yè)除了對(duì)機(jī)床的移動(dòng)速度、精度要求比較高外，更重要的是對(duì)機(jī)床加工的穩(wěn)定性要求提高。新型結(jié)構(gòu)主軸箱的誕生，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)型機(jī)床主軸箱的缺陷。
2.傳統(tǒng)型主軸箱結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)型數(shù)控機(jī)床主軸箱由灰鐵 300 鑄造而成，導(dǎo)軌和滑枕是一體的，主軸箱移動(dòng)的距離為1000mm，滑鞍總長度約為 1100mm，滑枕和主軸總長度約為 2100mm。主軸箱總質(zhì)量約 5t。由于主軸箱的平衡采用兩個(gè)平衡液壓缸方式，所以在主軸箱移動(dòng)時(shí)有一定的延時(shí)時(shí)間，同步性能無法保證。又由于主軸箱的質(zhì)量比較大，所以移動(dòng)速度相應(yīng)會(huì)降低。滑鞍和滑枕之間主要靠貼塑面和鑲條配合接觸，主軸箱和滑枕之間的摩擦屬于滑動(dòng)摩擦，主軸箱貼塑面刮研的效果，直接影響主軸箱精度。原始方法主要是采用刮研接觸點(diǎn)的方法來保證滑鞍與滑枕之間的接觸率，表面上可以滿足在 25mm×25mm 范圍內(nèi)存在 8~10 個(gè)點(diǎn)的技術(shù)要求，但是在潤滑油積存量上存在缺陷，積存量較小，潤滑效果不佳。主軸箱經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，滑枕和滑鞍之間的接觸點(diǎn)磨損，接觸面增大，直接影響主軸箱精度，從而影響整機(jī)的幾何精度，導(dǎo)致機(jī)床質(zhì)量下降。
傳統(tǒng)型主軸箱結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其主軸為短鼻式，應(yīng)用于較深的模腔加工時(shí)，有可能與滑枕發(fā)生干涉，導(dǎo)致深腔無法加工。如果只能采用加長刀具的方式，則加工時(shí)易發(fā)生顫振，且增加成本。由于模具加工需要機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著加工時(shí)間的增加，主軸箱頻繁移動(dòng)會(huì)使絲杠溫度提高，導(dǎo)致絲杠產(chǎn)生熱伸長變形，所以對(duì)于精度較高的模具來說，精度一定會(huì)受到影響，同時(shí)也增加了加工成本。
圖 1 傳統(tǒng)型主軸箱結(jié)構(gòu)
3.傳統(tǒng)型絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)型主軸箱絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，分為固定端和拉伸端兩部分。固定端軸承安裝方式是整體面對(duì)面地安裝，兩個(gè)一組，一端兩組 ; 拉端軸承采取的也是整體面對(duì)面的安裝方式，不僅能增大軸承受的支撐力，還能增強(qiáng)軸承的軸向承載能力。
圖 2 傳統(tǒng)型主軸箱絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
絲杠作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)于機(jī)床加工起著重要的作用，但是由于傳動(dòng)絲杠在長時(shí)間工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量熱量，造成絲杠的伸長量逐漸增大，因此會(huì)影響機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，最終導(dǎo)致機(jī)床加工的零件精度質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。
新型主軸箱結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，滑鞍長度約為950mm，滑枕和主軸總長度約為 2000mm。主軸箱總質(zhì)量約為 3.5t。新型主軸箱選擇比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率大的伺服電動(dòng)機(jī)，利用伺服電動(dòng)機(jī)來控制主軸箱平衡。用直線導(dǎo)軌代替?zhèn)鹘y(tǒng)主軸箱貼塑的配合模式，不僅減少了裝配技術(shù)人員刮研的時(shí)間，還縮短了裝配周期。直線導(dǎo)軌不僅能夠保證主軸箱的移動(dòng)速度，而且能夠滿足模具行業(yè)加工的快速移動(dòng)要求。新型主軸箱增加了絲杠內(nèi)冷功能，絲杠兩端也改變了原有的軸承安裝模式，在固定端采用整體面對(duì)面的模式，拉伸端采用軸承整體大端朝上的模式。內(nèi)冷絲杠是利用油在絲杠中循環(huán)流動(dòng)來消除絲杠長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的 熱量，從而解決了絲杠發(fā)熱導(dǎo)致主軸箱變形的問題，提高了零件加工質(zhì)量。新型主軸箱的移動(dòng)速度可達(dá) 16m/min，而且主軸箱重復(fù)定位精度達(dá)到0.004mm，大幅降低了由熱溫升產(chǎn)生的熱量對(duì)絲杠熱變形的影響，不僅可以使機(jī)床溫度較快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而且還提高了機(jī)床自身的精度。新型主軸箱采用長鼻主軸，不僅降低了刀具成本，還
能夠滿足模具的深腔加工需求，提高了零件的加工效率。
圖 3 新型主軸箱結(jié)構(gòu)
5. 新型絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
新型主軸箱絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，分為固定端和拉伸端兩部分。其特征在于 Z 軸承載力大，主軸熱伸長變形量小。而且軸承在固定端和拉伸端的數(shù)量以及安裝方法比起傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也存在差異。
圖 4 新型主軸箱絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
在固定端傳動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)零件單元的裝配結(jié)構(gòu) : 先將軸承座與滑鞍結(jié)合，再依次裝入調(diào)整墊、軸承壓蓋、軸承和鎖緊螺母等零件，合并后一起穿入絲杠內(nèi)，通過絲杠定位，并用螺母消除軸承和其他部件之間的間隙，放入止動(dòng)墊圈后，使用另一個(gè)螺母進(jìn)行鎖緊，整體穿入軸承座內(nèi)，密封油封、O 型橡膠密封圈與油封座結(jié)合，與端蓋用螺釘按圓周均布螺孔與軸承座連接成一體，最后將緩沖墊用螺釘與壓蓋連接成一體。
在拉伸端傳動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)零件單元的裝配結(jié)構(gòu) : 先將防緩沖墊和壓蓋傳入絲杠待裝，將電動(dòng)機(jī)座通過螺釘按圓周均布孔與滑鞍連接，依次將調(diào)整墊、軸承等各自與絲杠結(jié)合，利用絲杠進(jìn)行定位，并用螺母消除軸承和其他部件之間的間隙，放入止動(dòng)墊圈，再使用另一個(gè)螺母進(jìn)行鎖緊，密封油封和 O 型橡膠密封圈分別與油封座結(jié)合。將另一個(gè)密封油封安裝在油封座內(nèi)，通過螺釘按圓周均布孔與油封座進(jìn)行連接，最后安裝壓蓋和墊圈，用螺釘按圓周均布孔與電動(dòng)機(jī)座連接成一體。
6. 絲杠預(yù)拉伸
絲杠在安裝時(shí)要進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。預(yù)拉伸（即加入預(yù)緊力）可消除軸向間隙，增加滾珠絲杠副的剛度，減少滾珠體、絲杠及螺母間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。不同型號(hào)絲杠的拉伸方式不同。用于精確定位且能夠根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程間接測量軸向行程的滾珠絲杠副稱為定位型滾珠絲杠副（positioning ball screw，P 型）。一般定位型滾珠絲杠副必須預(yù)緊，傳動(dòng)型滾珠絲杠副（transportball screw，T 型）可不預(yù)緊。
滾珠絲杠軸的預(yù)拉伸也是非常必要的。為了提高滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的剛度和精度，對(duì)絲杠軸實(shí)施預(yù)拉伸是有效的。但是由于絲杠軸的各斷面不同，而溫升值又不易精確設(shè)定，所以按有關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算出的預(yù)緊力只能作為一個(gè)參考量。在生產(chǎn)實(shí)踐中常對(duì)具有負(fù)值方向目標(biāo)值的絲杠軸進(jìn)行預(yù)拉伸，使機(jī)床工作臺(tái)的定位精度曲線的走向接近水平即可。因?yàn)榫芗?jí)絲杠在出廠時(shí)都會(huì)考慮到溫升問題，所以絲杠的螺紋長度會(huì)比圖樣長度短。
在機(jī)床裝配時(shí)根據(jù)絲杠的長度，通過尾端的鎖緊螺母進(jìn)行預(yù)拉伸，具體預(yù)拉伸量或者扭矩通過計(jì)算并輔以經(jīng)驗(yàn)取得。主軸箱絲杠預(yù)拉伸方式如圖5 所示。
圖 5 主軸箱絲杠預(yù)拉伸方式
7. 軸承預(yù)緊
不光是絲杠要進(jìn)行預(yù)拉伸，軸承也需要預(yù)緊。軸承預(yù)緊一般分為定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊兩種。軸承由于其分離的整體結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)部存在間隙（即游隙）是正常情況，否則也無法轉(zhuǎn)動(dòng)。但是在實(shí)際運(yùn)用中，有時(shí)會(huì)對(duì)軸承預(yù)先施加一定的壓力，或者通過鎖定的方式，施加一定的載荷，使軸承內(nèi)部游隙在呈現(xiàn) “負(fù)值” 的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方法稱為 “軸承預(yù)緊”，常見于角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。
在施加預(yù)緊力后，滾動(dòng)體和內(nèi)外圈始終存在彈性壓力，對(duì)軸也會(huì)施加壓力，可以有效抵制主軸的跳動(dòng)，提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度與定位精度，振動(dòng)及噪聲也會(huì)降低，從而更適于高速旋轉(zhuǎn)。
但是過猶不及，若預(yù)緊過度，則會(huì)降低軸承壽命，摩擦增大導(dǎo)致軸承溫升過高過快，由此，在施加軸承預(yù)緊力時(shí)，需 “因用制宜”，根據(jù)使場景決定要施加的預(yù)緊量。
8. 數(shù)據(jù)驗(yàn)證
新型結(jié)構(gòu)絲杠研制成功后，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)絲杠的同款數(shù)控機(jī)床（不帶光柵尺）在同一環(huán)境（恒溫車間）中進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)快速往復(fù)開動(dòng) Z 軸，利用激光干涉儀對(duì)其進(jìn)行多次檢測，對(duì)絲杠兩端絲母座、軸承座及絲杠本身溫度進(jìn)行監(jiān)控，得到絲杠溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1。
表 1 絲杠溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)
由表 1 可以看出，新型主軸箱可大幅降低由熱溫升產(chǎn)生的熱量對(duì)絲杠熱變形的影響，提高工件的加工質(zhì)量和效率，還可以使機(jī)床溫度較快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
后續(xù)對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行跟蹤及數(shù)據(jù)采集，主軸箱的變形量和整體變化趨勢與表1數(shù)據(jù)基本相符，證明新型主軸箱結(jié)構(gòu)具有高穩(wěn)定性和可靠性，足以在模具行業(yè)占據(jù)一定的有利地位。
9. 結(jié)束語
通過對(duì)傳統(tǒng)型和新型主軸箱結(jié)構(gòu)的對(duì)比可知，新型主軸箱不僅變輕了，而且各項(xiàng)性能尤其在機(jī)床的穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢。經(jīng)過模具廠家的實(shí)際驗(yàn)證，它是一種結(jié)構(gòu)簡化、性能可靠的高精密主軸箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，零件的加工精度和表面質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足模具行業(yè)的要求，并且解決了主軸移動(dòng)速度慢、重復(fù)定位精度差及主軸箱熱伸長影響加工質(zhì)量等一系列問題。
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