滚滑复合导轨在大型机床中的应用

2014-04-06王维

制造技术与机床 2014年1期

王维

(宜昌长机科技有限责任公司，湖北宜昌 443003)

风力发电行业迅猛发展，需要大量内齿齿圈，且模数大、齿宽宽，采用传统插齿加工工艺已经无法满足整个行业的需求，市场上迫切需求一种效率更高，加工范围更大，操作使用更为方便的机床。针对这一市场需求我公司专门开发了一款新型齿轮加工机床YK83350数控高速铣齿机，机床结构示意图如图1 所示。

机床由床身、立柱、工作台、铣刀架等主要部件组成。该机床采用成型硬质合金铣刀加工大型齿圈，效率是传统滚切法的10 倍，属于大切削量、大走刀速度的切削方式。为增强机床的切削刚性，机床采用了双层壁蜂窝筋结构设计，立柱设计重量达到了12 t、刀架溜板部分重量6 t、刀架配重铁4 t、为保证总重超过20 t 的立柱在床身上移动自如，机床床身导轨设计采用了滚滑复合导轨，在实际应用中取得了不错的效果。

1 直线滚动导轨分析

随着数控机床和精密加工技术的发展，对机床导向系统的要求越来越高，它是决定机床加工精度、工作效率和使用寿命的重要因素。许多设备都选用国内外专业工艺装备厂生产的机床功能部件——直线滚动导轨作为导向支承。由于直线滚动导轨使用淬硬的导轨和预紧(无间隙)的滚珠或滚柱滑块作为接触副，所以具有摩擦系数小、承载能力大、刚性好、使用寿命长的特点，可达到很高的进给速度和定位精度。直线滚动导轨的滑动摩擦系数f=0.003～0.004，而传统的贴塑导轨f=0.04，铸铁导轨f=0.12，可见直线滚动导轨的摩擦阻力仅为传统导轨的1/10～1/30。对直线滚动导轨而言，很小的进给力就能推动立柱前后移动，其低摩擦系数特性非常适用于铣齿机的立柱进给系统，可以有效避免机床进给系统产生爬行现象，提高机床进给系统的定位精度。但采用直线滚动导轨的机床极易产生振动，大型数控铣齿机采用的刀具是镶片成型铣刀，属于断续切削，切削过程中使机床床身受到很大的冲击，直线滚动导轨副阻尼极低，抗振性能很差，这周期性的冲击极易使机床产生振动而导致加工表面产生形状误差和波纹，而对闭环伺服控制系统还可能导致系统的不稳定。

2 滚滑复合导轨结构设计

为了克服直线导轨抗振性差的缺点，我们本次机床设计过程中采用了滚滑复合导轨，即滚动导轨与贴塑导轨并用的办法。如图2 所示。

在床身导轨8 的中间设置一条辅助导轨5，通过调整调节螺钉1，压缩弹簧3 加大作用在滚动轴承压在辅助导轨5 上的力F'，从而使作用在床身导轨8 上的压力减小为F-F'。摩擦系数不变，压力变小，床身导轨8 的摩擦阻力减小。辅助导轨5 上由于是滚动体，摩擦阻力几乎可以忽略，从而使运动部件能灵活移动。

3 卸荷系数的确定

卸荷量的大小用卸荷系数a 表示。

式中:F'为卸荷装置承受的载荷，F 为滑动导轨和卸荷装置所受的总载荷。a 如取得太小，则卸荷装置起的作用太小，支撑导轨面压力仍然很大，摩擦阻力仍较大，对低速运动平稳性的提高不大，对导轨耐磨性提高也不大。如a 取得太大，卸荷装置承受的载荷太大时又会使运动部件产生漂浮现象。因此卸荷系数应根据对机床的不同要求选取，对于大型机械或重型机床，减轻导轨载荷是主要目的，应取大值(a≈0.7)，对于高精度机床或仪器，应优先考虑导向精度和运动灵敏性，可取较小值(a≤0.5)。

4 实验结果对比

为验证该卸荷机构对机床进给系统精度的影响，我们在不同的卸荷系数的情况下，分别对机床进给系统的定位精度和重复定位精度进行了检测，如表1 和表2。

表1 测量评定项目目标值

表2 实测项目数据

从表2 实验结果可以看出，当机床卸荷滚轮不起作用的时候，第一组检测数据反应出机床定位精度出现严重的超差现象，定位精度达到0.08 mm，超过机床允许值0.055 mm;当机床卸荷系数为0.3 时，重新检测立柱定位精度可以发现测得的定位精度值明显减小，减小至0.042 mm;当机床卸荷参数达到0.5 时，再次检测机床定位精度和重复定位精度，测得数据为定位精度0.018 mm，重复定位精度0.012 mm，均已达到设计要求;当机床卸荷参数达到0.7 时，测得定位精度0.015 mm 和重复定位精度0.008 mm，定位精度进一步提高了，说明将滚滑复合导轨应用在大型机床进给系统的设计是取得了一定的效果。

有些高精度数控机床和机械装置，其导轨副处在伺服控制系统的位置闭环内，不仅要求导轨副有高灵敏度，还要有适当的粘性阻尼特性，以防止在制动过程中产生振荡而不稳定。这种新型滚滑复合导轨综合了滚动和塑料导轨的优点，它承载能力大、灵敏度和定位精度高并有适当的粘性阻尼特性。这种超静定的结构设计不仅承载力大、移动灵敏而且有较高的刚度。