谈车床改造中滚珠丝杆的选用与安装

广西机电职业技术学院 崔明军

谈车床改造中滚珠丝杆的选用与安装

广西机电职业技术学院 崔明军

利用数控装置对CA6140普通车床进行数控改造，传动装置采用滚珠丝杠结构，进给驱动元件采用步进电机，刀架采用自动转位刀架，数控系统采用某国产数控系统。对改造整体思路进行确定，并重点对滚珠丝杆的选用，包括对丝杠外径、导程、滚珠的直径和数量进行选择。

滚珠丝杆；滚珠；丝杆安装

1 设计任务

学校实训教学中大量使用普通车床，学生手工操作，对动手能力的培养、劳动观念的养成有好处，但是劳动环境差、劳动强度大，设备落后，为了增强学生对先进技术的认识和感知，结合学生毕业设计的要求，特提出利用数控装置对CA6140普通车床进行数控化改造。

改造硬件配置：采用某国产数控系统、国产步进电机、滚珠丝杆结构、某PLC控制模块、旋转刀架。实现功能要求：对纵向、横向进给开环控制，驱动元件采用步进电机，传动装置采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

2 数控机床的功能分析

CA6140车床主要用于加工常见的普通的轴类、盘类和螺纹零件。要求改造后机床具有如下的控制功能：进给控制方面能实现X和Y向的自动进给，刀架方面具备在换刀点自动改变刀位，主轴方面通过主轴变速实现不同切削速度、自动实现主轴正反转，控制冷却液的自动起停，具有坐标数值测量反馈功能，如图1所示。

图1 数控系统

3 改造设计的方案确定

改造方案选择时，参考经济型数控机床的结构，从成本和功能两方面考虑，在满足基本数字控制功能实现的前提下，要求对机床的改动尽可能少。确定机械部分改造总体方案为：

3.1 X向进给机构的改造

拆除的部分：溜板箱、大手轮、丝杆、光杆、齿轮式进给箱，保留的部分：原丝杆的安装拖架、安装孔和销孔；滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，前端安装步进电动机。

3.2 Y向进给机构的改造

拆除的部分：无；保留部分：原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留。新装部分：步进电动机安装在中滑板的后侧。在原中滑板侧安装止动限位块。

3.3 刀架的改造

拆除原刀架和小滑板，替换为一个四工位电动刀架。

4 X向进给系统的设计

依据前述改造方案，拆除溜板箱、大手轮、丝杆、光杆、齿轮式进给箱，保留原丝杆的安装拖架、安装孔和销孔，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置。对滚珠丝杆结构进行设计，丝杆直径保持不变，求出丝杆其导程、滚珠大小。

4.1 原进给系统

原纵向进给系统采用梯形螺纹+梯形螺母机构。原梯形螺纹螺距P=6mm，丝杆直径=40mm。梯形螺母为开合螺母。

4.2 改造思路

进给改为机动控制后，为方便控制，采用滚珠丝杆结构。

滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高，滚珠丝杠的传动效率可达85%～98%，为滑动丝杠副的2～4倍；灵敏度高、传动平稳，可以预紧；磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。

滚珠丝杠副有多种结构型式，按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多，如图2所示。

4.3 改造后进给系统

本案例中选用内循环滚动螺旋副：

丝杆轴的参数：丝杆轴外径dm=40mm，丝杆基本导程Lo=6，Ca=16300，Coa=47100，丝杆螺纹升角λ=2。44'。

滚珠的选择：Dw为滚珠直径(mm)，滚珠直径Dw=3.696mm；Z为滚珠总数量， Z=Z0×圆数×列数；Z0为一圈的滚珠数，Z0=(πdm/Dm)-3 (注：内循环);

Dw=3.969mm，Z0=（π×40/3.969-3=31.6613-3=28. 6613≈29(注：进位取整数)

滚珠总数量：Z=Z0×圆数×列数 =29*1*2=58(个)

经验算，该滚珠丝杠副刚度满足要求。

5 滚珠丝杆的安装

5.1 滚珠丝杆安装方式的选择

有四种安装方式，选用如下图安装方式（固定+支持式），如图3所示。

图3 安装方式

图4 丝杆组成图

图5 丝杆安装图

图6 电机安装图

5.2 丝杆的安装

滚珠丝杆一端安装止推轴承，另一端安装深沟球轴承（固定—支承式），左右安装块用2个螺栓和2个销钉与床身连接。其特点：轴向刚度较小，丝杠有伸缩余地，结构复杂，仅适用于长丝杠，如图4所示。

步进电机托架的设计，采用较厚的钢板制成，冲电机孔，钻7个螺纹孔和2个销钉孔。步进电机用4个螺栓安装在托架上，如图5所示。托架用3个螺栓连接于床身，通过皮带与丝杆连接。丝杆螺母安装于滑块连接体，连接体用2个销和4个螺栓与滑板连为一体，外加钣金罩，如图6所示。

[1]张幼桢．金属切削原理与机床设计[M]．北京:航空工业出版社,1998．

[2]晏初宏．数控机床与机械结构[M]．北京:机械工业出版社,2005．

[3]廖国颖．滚珠丝杆在车床数控化改装时的选用优势及其安装和使用的注意事项[J]．黑龙江科技信息,2012,12．