一种数控车床进给丝杠热变形补偿设计

杨祥东，李晨光，孔祥志，王家兴

（沈阳机床股份有限公司，沈阳 110142）

0 引言

作为数控机床进给装置，一般采用紧密滚珠丝杠把电机的旋转运动转变成移动部件的直线运动，通常有三种布局形式：一是一端固定，一端自由；二是一端固定，一端支撑；三是两端固定，在小规格数控车床中一端固定一端支撑的这种方式被广泛采用［1］，如图1 所示。

图1 一端固定一端支撑的布局形式

由于在设计单主轴双刀架数控车床的时候，下刀架布局空间受限，本文采用的是丝杠固定、螺母旋转方式，即丝杠螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动。这种结构的优点在于螺母转动惯性小、运动灵活,可实现较高的转速,具有很好的启停特性，非常适合我厂HTC4030t 卧式数控车床对下刀架短行程、频繁运动的要求。另外，由于丝杠不动,避免了滚珠丝杠高速运转时所受到的临界转速限制等问题。可以对滚珠丝杠施加较大的预拉力,补偿丝杠的热变形和提高丝杠支承刚度［2］。

1 丝杠支撑结构

1.1 丝杠的选型

1）丝杠使用条件。本文设计的结构应用在单主轴双刀架卧式数控车床上，下刀架的快移速度12 m/min；加速时间0.15 ms；下刀架行程225 mm；移动部件的重量1.2 t；粗加工进给力4 000 N；精加工进给力2 000 N。

2）初选丝杠（THK 公司的DIR-4012-6）。丝杠外径d＝40mm；滚珠中心直径dp＝41.75 mm；丝杠沟槽谷直径d3＝34.4 mm；螺距P＝12 mm；额定动载荷Ca＝30 600 N；额定静载荷C0a＝72 300 N；额定DN 值为70 000 mm·r/min；预压系数为0.05；丝杠轴的惯性力矩为2.25 N·m；丝杠总长度Lsp＝682 mm；丝杠安装间距Lb＝365 mm。

3）丝杠选型校核。

（1）容许转速。丝杠最大转速：nmax=vmax/P=12 m/min÷（12×10-3m）=1 000 r/min；最大使用DN 值：DN1=40×1 000=40 000 mm·r/min＜70 000 mm·r/min，满足设计要求。

（2）静安全系数及容许轴向负荷如表1。

（3）丝 杠预载荷。满足粗加工进给力的预压力Fprmax1=4 000/3=1 333.35 N，丝杠预负荷=Ca×0.05=1 530＞1 333.35 N，满足设计要求。

1.2 丝杠的润滑

本文设计的进给装置中，采用普通DIR 系列的滚珠丝杠，对固定的丝杠进行润滑，设计了一个毛毡润滑结构，润滑油按设定的程序，定时滴在油毡上，随着丝母的上下移动，油毡刷过丝杠起到润滑滚珠的作用，这种结构以很低的价格实现丝杠固定，丝母旋转的设计意图，在实际应用中效果很好，结构如图2 所示。

1.3 丝杠的布局

伺服电机通过带轮、皮带把动力传到旋转丝杠螺母上，丝杠固定不动，丝杠螺母的旋转驱动滑板实现上下移动，其中丝杠螺母通过一组背靠背轴承固定在滑板上。为节省空间，我们选择丝杠螺母与带轮通过一组螺栓，固定在丝杠螺母座上，丝杠下端通过胀套固定在下轴承座上，丝杠上端通过平键限制它的转动，选用一组碟簧实现丝杠的预拉伸，当温度升高，引起丝杠轴端伸长，这时碟簧释放变形，弥补丝杠热变形，同时保证丝杠轴进给方向的刚度及精度。丝杠厂家给我们主机厂的数据是每米丝杠每温升1℃则变形0.012 mm，本文设计中采用GB1972-80X41-C1 型号的两两面对面，两组碟簧，有支承面碟簧压平时变形量的计算值为2.95 mm，以温升10℃为例，丝杠轴端位移量S=Lsp×0.012×10=0.682×0.012×10=0.082 mm。

表1 校核项

图2 油毡润滑结构

本文选择的碟簧单片变形前的高度H0=5.2 mm，设计压缩后的总高度19 mm，可以弥补轴向变形量为4×H0-19=1.8 mm，每个碟簧的变形量为1.8÷4=0.45 mm；在2.95 mm的变形范围内，同时可以足够弥补丝杠由于温升引起的热变形，结构如图3 所示。

图3 丝杠支承简图

2 结论

滚珠丝杠在数控机床的使用过程中，丝杠热变形在所难免，如何使热变形的危害降到最低是我们机床设计人员的主要解决难题之一，丝杠的热变形与机床的使用情况、支承方式、润滑方式、预紧力的大小等很多因素有关，在设计进给装置的时候需要注意以下几点：1）合理选择丝杠，根据使用情况，载荷情况确定丝杠的类型，在设计之初，进行全面的校核，确保丝杠选型的正确。2）预紧力也是影响丝杠轴承发热的主要因素。预紧力设定和控制还不能完全依照理论计算，需要参考使用经验，设计时应多加分析。3）正确预测丝杠热变形的发展方向，对热变形进行合理的补偿，以提高进给装置的刚度、精度。

［1］北京圣蓝拓数控技术有限公司.滚珠丝杠的安装形式与轴承的排列命名［J］.金属加工：冷加工，2008（7）：18-20.

［2］刘兴业，殷国富，刘立，等.龙门加工中心滚珠丝杠传动系统的温度场和热变形分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（4）：1-4.