基于蜗轮蜗杆结构的数控机床电动推杆式防护门设计

陈诗赠，胡真清，蒋修华，王有亮，贺国建

（乔锋智能装备股份有限公司，广东 东莞 523000）

0 引言

数控机床有“工业母机”之称，为制造业的生产提供了各种各样的机械加工设备，是衡量一个国家工业水平的重要指标。我国目前加大了工业母机的核心技术公关力度，积极出台了一系列政策扶持数控机床企业发展。根据资料预测，接下来几年，我国数控机床生产规模将会不断递增，2026年我国数控机床的产业规模将达到6 200 亿元。随着科技水平和生产技术的不断发展，对数控机床的加工精度、功能部件的寿命、人性化操作、工艺美学等方面提出了更高的要求，数控机床也逐步实现了自动化、柔性化、集成化发展，从而为企业的产品加工带来了高效生产模式［1］。

数控机床在加工零件过程中，都会出现大量的切屑，部分零件加工需要喷洒切削液，从而导致切屑和切削液大量飞溅，因此，数控机床都会设计有安全防护罩。目前，市面上的数控机床防护门主要通过人工进行开关门，自动防护门未能普及使用［2］。使用时间过长时容易出现滚轮与导轨配合误差过大、滚轮卡死、稳定性能差等问题。本文针对以上问题，设计开发出电动推杆式防护门。该自动防护门可以结合采用机械手替代人工取放工件，实现高效生产，杜绝安全隐患。安全防护门的整体电动推杆运行装置采用塑料外壳进行封闭设计，相比传统的敞开设计，能更好地避免切屑附着在传动机构上，减少切削液腐蚀内部电路和传动结构。该电动推杆式防护门在实际生产过程中，系统稳定性能好，配合机器手取放工件可大大提高生产效率，制作和后期维护成本低，可推广应用于注塑机、折弯机、剪切机等机械装备上的防护门。

1 设计原理

该电动推杆式防护门的基本工作原理：电机带动蜗杆旋转，蜗轮蜗杆的减速箱组进行减速，蜗轮带动螺杆，由旋转运动转化为直线运动的形式，从而实现数控机床防护门的开、关门动作。该电动推杆式防护门主要由驱动电机、减速齿轮箱组、螺杆、触点开关、防水塑料外壳等零部件组成，设计方案如图1 所示。其中，减速箱组是电动推杆装置的核心枢纽部分，整个电动推杆运行和工作依靠减速箱组连接和带动。由于该防护门在实际工作环境中经常会被切屑和切削液带来影响，更容易老化而缩短使用寿命，为了达到不影响外观和使用寿命的目的，在这个情况下，核心零部件需要做抗氧化处理。减速装置上采用的是蜗轮蜗杆传动结构，其在有限的运行空间内能起到相对高的减缓作用，传动噪声较小［3］。该装置需要达到的技术指标：推杆负载大于或等于60 kg，推杆速度需大于或等于20 mm／s。

图1 电动推杆式防护门模型

2 硬件结构

2.1 电动推杆的螺杆设计

2.1.1 螺杆参数

在电动推杆装置传动机构中，采用滚珠丝杠，该类型的丝杆在活动座内部和螺杆磨擦的接触面上使用钢珠，活动座内部和螺杆的运动方式从接触滑动变为滚动摩擦，精密度更高。同时采用梯形螺纹，其耐磨损强度更高，因此在考虑电动推杆的使用抗剪切强度和抗弯娶强度状态下，设计使用的螺杆类型为梯形螺纹［4］。根据设计方案的初步计算，螺杆参数初步选用牙数为4，节圆直径为16.10 mm，轴直角节距T1＝4.45 mm，齿型角（径度）α1＝30°。

2.1.2 螺杆效率

根据装置采用的螺杆型号，查阅相关资料［5］，得出其外径为17.8 mm，导程为17.8 mm，牙数为4，圆直径为16.1，根据螺杆的导程角公式：

式中D为螺杆节圆直径。

因此得出：

该装置在实际运行中，所承受的负载为60 kg，该负载作用于螺杆上，所需要的转矩为：

设定装置活动底座与螺杆的动摩擦因数为0.1，因此得出：

当装置运行负载为60 kg 时，螺杆所需的转矩为Mt。

2.1.3 电动推杆的螺杆抗剪切强度校核

根据装置中螺杆型号参数，查阅资料［6］得出螺纹公称直径d ＝17.8 mm，螺纹牙数n ＝4，工作扭矩T ＝2.34 N·m，螺距P ＝17.8 mm，螺纹中径d2＝16.1 mm。对螺杆而言，抗剪切强度校核应满足。查阅相关资料［7］，得出表1 所示各参数值。

表1 抗剪切强度校核相关计算结果

2.1.4 电动推杆的螺杆抗弯曲强度校核

该装置选用的螺杆和螺母材质均一致，但是螺母的抗弯曲强度要高于螺杆，因此需要校核螺杆的抗弯曲强度。计算时，一般可将螺杆的一小圈螺纹当成一副悬臂梁，如图2 所示，沿着螺纹小径展开［8］。当装置带有负荷时，螺杆上的螺纹所得的平均作用力F／z 加载于中径d2的圆周上，因此，对于螺杆而言，其螺纹根部容易断裂界面A-A的抗弯曲强度参数为：

图2 螺杆的一圈螺纹悬臂梁示意图

其中b为螺纹牙底宽度，b ＝0.5 p。根据螺杆参数和螺杆抗剪切强度计算表1 可得：轴向力F ＝12.5 MPa，结合圈数z ＝1，外径d 为ϕ17.8 mm，节径d2为ϕ16.1 mm，底径d1为ϕ14.03，p ＝17.8 mm 可算出σb＝152 MPa≤［σb］＝420 MPa。所以其弯曲强度符合要求。

2.2 涡轮蜗杆参数设计

2.2.1 电动推杆的螺杆参数设计

在机械装置中，若存在空间互相垂直连轴的传递运动，通常使用蜗轮蜗杆传动机构，如图3所示。在减速传动中，选择轴交角为90°的空间互相垂直连轴的减速运动为最常用，在此传动条件下能获得较大的单级传动比的性能［9］。在传递动力时，传动比取值i一般为5 ～80之间，而在实际的应用中，通常选择范围为15 ～50。在此机构中，蜗轮蜗杆起到传递运动的作用，根据经验值，传动比i值可达到1 000。它能实现较大的传动比，使得各结构的配合更加紧凑；在运动过程中传动平稳，使用时噪声很小。

图3 蜗轮蜗杆结构

在设计过程中，几何参数的选择是设计在传动的蜗杆首要步骤，然后再计算得出蜗杆传动的各项几何尺寸［10］。确定选取的蜗杆传动主要的几何参数为：模数m，压力角α，传动比i12，蜗杆直径系数q，蜗杆头数Z1，蜗轮齿数Z2，蜗杆导程角γ，中心距a，齿数比u，蜗轮变位系数X2。关于模数m标准值的选取，由于考虑的到使用空间及强度问题，本装置选取蜗杆齿数Z1＝1，蜗轮蜗杆的模数m ＝1.25，蜗轮齿数为Z2＝39。

根据蜗轮蜗杆的计算公式，可得出蜗杆的牙数为1，压力角为14.5°，节圆为14 mm，导程为3.927 mm，导程角为5.1°，外圆直径为16.5 mm。而涡轮的轴直角模数为1.25，齿数为39，轴向压力角为14.5°，法向压力角为14.75°，螺旋角为5.102°，节圆为48.75 mm。

2.2.2 涡轮与蜗杆的受力关系

查阅相关资料［11］，得出齿间正向力、涡轮蜗杆切线力的计算公式分别如下。

式中：Pn为齿间的正向力；Pt为蜗轮的切线力；Pcw为蜗杆的切线力；γ为螺旋角；α为法向压力角。

则有：Pt＝9.61 kg。假设μ ＝0.10，则有Pn＝10.07 kg，Pcw＝1.87 kg。

3 测试验证与结果分析

安全防护门的整体电动推杆中的各零部件制造完成后，对其进行装配和测试。经测试，机构中的螺杆运动方式为右旋，其上端的螺帽必须使用左旋螺纹，否则在螺杆旋转运动时，上端螺帽会很容易脱落［12］。机床加工测试过程中大量的切削液飞溅到电动推杆装上，如果螺杆组件没有密封，螺杆传动机构会生锈，降低该装置的使用寿命，因此该整体电动推杆运行装置采用防水塑料外壳进行保护，如图4所示。为延长装置在后期测试的使用寿命，该装置须安装到数控机床防护门的顶部位置［13］。

图4 防水塑料外壳电动推杆装置

在本电动推杆装置的后期测试中，发现蜗杆的部分齿根有少量的磨损。因为该装置的蜗杆采取开式传动形式，而蜗杆齿根的磨损、弯曲和折断，是开式蜗杆传动的主要失效形式。针对该类问题，后期研发人员对蜗轮蜗杆的表面进行润滑和对其粗糙度进行约束，考虑到加工成本和使用性能的要求，将粗糙度测定为小于或等于0.8；与此同时，作为螺旋齿形式的螺杆，蜗轮的材质强度比螺杆低，从而根据材料性能和失效形式进行分析，蜗轮结构是传动失效的主要产生来源。为避免该问题，研发人员将蜗轮材质加硬，同时适当增加齿厚，使变形量得以控制［14］。经过优化后重新测试，涡轮蜗杆和螺杆运行稳定，相比于传统的拉杆式气缸装置进行开关门动作，噪声和振动明显减少。同时，在本电动推杆装置设计中，由于所选取的蜗杆传动类型为普通圆柱蜗杆传动。经测试，该圆柱蜗杆传动的传动效率大于或等于90%，承受负载的能力通常比一般的圆柱蜗杆传动高出50%～150%，并且拥有体积小、质量轻、搬取较轻便、结构紧凑等优点［15］，该装置各功能参数如表2 所示。

4 结束语

电动式推杆装置是整个电动推杆式开门器的主要核心，本文进行了电动推杆的蜗轮蜗杆及螺杆的设计，并对电动推杆式防护门关键零部件进行尺寸计算，从而实现数控机床防护门的开、关门动作。安全防护门的整体电动推杆运行装置采用塑料外壳进行封闭设计，相比传统的敞开设计，能更好的避免切屑附着在传动机构上，减少切削液腐蚀内部电路和传动结构。该装置可有效促进自动化管理和数字化管理，大大提高了工作效率；该电动推杆式防护门在实际生产过程中，系统稳定性能好，配合机器手取放工件可大大提高生产效率，制作和后期维护成本低，具备良好的安全性能、方便维修、制造成本低等特点，可推广应用于注塑机、折弯机、剪切机等机械装备上的防护门，为同行业的相关数控机床安全防护门设计提供了借鉴。