談車床改造中滾珠絲桿的選用與安裝

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 崔明軍

談車床改造中滾珠絲桿的選用與安裝

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 崔明軍

利用數(shù)控裝置對(duì)CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造，傳動(dòng)裝置采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，數(shù)控系統(tǒng)采用某國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。對(duì)改造整體思路進(jìn)行確定，并重點(diǎn)對(duì)滾珠絲桿的選用，包括對(duì)絲杠外徑、導(dǎo)程、滾珠的直徑和數(shù)量進(jìn)行選擇。

滾珠絲桿；滾珠；絲桿安裝

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中大量使用普通車床，學(xué)生手工操作，對(duì)動(dòng)手能力的培養(yǎng)、勞動(dòng)觀念的養(yǎng)成有好處，但是勞動(dòng)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，設(shè)備落后，為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)先進(jìn)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和感知，結(jié)合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，特提出利用數(shù)控裝置對(duì)CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造。

改造硬件配置：采用某國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿結(jié)構(gòu)、某PLC控制模塊、旋轉(zhuǎn)刀架。實(shí)現(xiàn)功能要求：對(duì)縱向、橫向進(jìn)給開環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)裝置采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。

2 數(shù)控機(jī)床的功能分析

CA6140車床主要用于加工常見的普通的軸類、盤類和螺紋零件。要求改造后機(jī)床具有如下的控制功能：進(jìn)給控制方面能實(shí)現(xiàn)X和Y向的自動(dòng)進(jìn)給，刀架方面具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變刀位，主軸方面通過主軸變速實(shí)現(xiàn)不同切削速度、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)，控制冷卻液的自動(dòng)起停，具有坐標(biāo)數(shù)值測(cè)量反饋功能，如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)

3 改造設(shè)計(jì)的方案確定

改造方案選擇時(shí)，參考經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，從成本和功能兩方面考慮，在滿足基本數(shù)字控制功能實(shí)現(xiàn)的前提下，要求對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少。確定機(jī)械部分改造總體方案為：

3.1 X向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造

拆除的部分：溜板箱、大手輪、絲桿、光桿、齒輪式進(jìn)給箱，保留的部分：原絲桿的安裝拖架、安裝孔和銷孔；滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，前端安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

3.2 Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造

拆除的部分：無；保留部分：原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留。新裝部分：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝在中滑板的后側(cè)。在原中滑板側(cè)安裝止動(dòng)限位塊。

3.3 刀架的改造

拆除原刀架和小滑板，替換為一個(gè)四工位電動(dòng)刀架。

4 X向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

依據(jù)前述改造方案，拆除溜板箱、大手輪、絲桿、光桿、齒輪式進(jìn)給箱，保留原絲桿的安裝拖架、安裝孔和銷孔，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置。對(duì)滾珠絲桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，絲桿直徑保持不變，求出絲桿其導(dǎo)程、滾珠大小。

4.1 原進(jìn)給系統(tǒng)

原縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用梯形螺紋+梯形螺母機(jī)構(gòu)。原梯形螺紋螺距P=6mm，絲桿直徑=40mm。梯形螺母為開合螺母。

4.2 改造思路

進(jìn)給改為機(jī)動(dòng)控制后，為方便控制，采用滾珠絲桿結(jié)構(gòu)。

滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可達(dá)85%～98%，為滑動(dòng)絲杠副的2～4倍；靈敏度高、傳動(dòng)平穩(wěn)，可以預(yù)緊；磨損小、壽命長(zhǎng)；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。

滾珠絲杠副有多種結(jié)構(gòu)型式，按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內(nèi)循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多，如圖2所示。

4.3 改造后進(jìn)給系統(tǒng)

本案例中選用內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副：

絲桿軸的參數(shù)：絲桿軸外徑dm=40mm，絲桿基本導(dǎo)程Lo=6，Ca=16300，Coa=47100，絲桿螺紋升角λ=2。44'。

滾珠的選擇：Dw為滾珠直徑(mm)，滾珠直徑Dw=3.696mm；Z為滾珠總數(shù)量， Z=Z0×圓數(shù)×列數(shù)；Z0為一圈的滾珠數(shù)，Z0=(πdm/Dm)-3 (注：內(nèi)循環(huán));

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

滾珠總數(shù)量：Z=Z0×圓數(shù)×列數(shù) =29*1*2=58(個(gè))

經(jīng)驗(yàn)算，該滾珠絲杠副剛度滿足要求。

5 滾珠絲桿的安裝

5.1 滾珠絲桿安裝方式的選擇

有四種安裝方式，選用如下圖安裝方式（固定+支持式），如圖3所示。

圖3 安裝方式

圖4 絲桿組成圖

圖5 絲桿安裝圖

圖6 電機(jī)安裝圖

5.2 絲桿的安裝

滾珠絲桿一端安裝止推軸承，另一端安裝深溝球軸承（固定—支承式），左右安裝塊用2個(gè)螺栓和2個(gè)銷釘與床身連接。其特點(diǎn)：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅適用于長(zhǎng)絲杠，如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)托架的設(shè)計(jì)，采用較厚的鋼板制成，沖電機(jī)孔，鉆7個(gè)螺紋孔和2個(gè)銷釘孔。步進(jìn)電機(jī)用4個(gè)螺栓安裝在托架上，如圖5所示。托架用3個(gè)螺栓連接于床身，通過皮帶與絲桿連接。絲桿螺母安裝于滑塊連接體，連接體用2個(gè)銷和4個(gè)螺栓與滑板連為一體，外加鈑金罩，如圖6所示。

[1]張幼楨．金屬切削原理與機(jī)床設(shè)計(jì)[M]．北京:航空工業(yè)出版社,1998．

[2]晏初宏．?dāng)?shù)控機(jī)床與機(jī)械結(jié)構(gòu)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005．

[3]廖國(guó)穎．滾珠絲桿在車床數(shù)控化改裝時(shí)的選用優(yōu)勢(shì)及其安裝和使用的注意事項(xiàng)[J]．黑龍江科技信息,2012,12．