精密丝杠磨床的设计制造及现状.pdf

精密丝杠磨床的设计制造及现状 汉江机床有限公司 723003 赵仲琪 摘要 本文阐述了精密丝杠磨床的基本原理 指出了产品开发的关键技术 介绍了产品目前的技术现状和存在的差距 关键词 丝杠磨床 原理 关键技术 一 前言 精密丝杠磨床是机械传动元件中丝杠加工的关 键设备 改革开放以来 随着国民经济的飞速发展 丝杠特别是滚珠丝杠广泛地应用于数控机床 军工 工业机器人 铁路 航空等行业 其市场用途越来越 广 产量需求越来越大 品质要求越来越高 随之对 丝杠磨床的规格性能也提出了更高的要求 针对这 种形势 我公司作为螺纹磨床专业制造厂 经过长时 间基础研究 科学试验 使丝杠磨床技术逐步完善 水平不断提高 规格品种呈现系列化 基本上能够满 足国内丝杠生产企业的需要 二 基本原理 在螺纹磨削中 我们知道 为了在工件上做出螺 纹 三个基本传动是必需的 即 工件旋转 工作台沿 工件中心线的运动 砂轮传动等 其中 为了保证加 工丝杠的螺距 工件旋转运动与工作台运动必须保 持严格的传动比 传动比的大小由交换齿轮来实 现 以确保工件旋转一周工作台移动一个工件螺 距 其基本的传动原理如图 1所示 图 1 电机通过三角皮带传动蜗杆 01 蜗轮 02 将旋 转运动传至轴 由轴 右端的齿轮 05 带动齿轮 08 再由齿轮 08 带动头架拨盘 由拨盘带动实现工 件旋转 与此同时 轴 的齿轮 03 或 04将运动传给 轴 的齿轮06 或07 由轴 左端交换齿轮将运动传 给丝杠 再由丝杠驱动 实现工作台运动 由轴 传至轴 设有二对齿轮 其中一对作为基本传动链 另一对作为螺距加大机构 这样可以减少交换齿轮 的数量 交换齿轮的传动比见表 1 表 1 类 别不扩大螺距扩大螺距 公制螺纹 4 螺距 25 4 A C B D 螺距 25 4 A C B D 英制螺纹4 每口 寸牙数 三 关键技术 1 床身与工作台 床身是支承机床主要部件的 基础 它的精度和稳定性很大程度上决定了机床的 加工精度 丝杠磨床由于加工的需要 对床身的要求 较其它类机床要高 主要表现在以下方面 1 床身必须具有良好的刚性 吸震性和热稳 定性 刚性差 热源分布不均匀 都容易引起床身变 形而影响机床精度 抗震性差则主要影响加工表面 质量 因此床身除良好的结构设计保证刚性和热稳 定性外 还必须考虑其抗震性 目前 床身用材多选 用高性能铸铁 国外亦有采用人造花岗岩材料的 2 床身工作台导轨付摩擦阻力小 工作台运 动动态响应性要好 丝杠磨床床身工作台导轨付多 采用一 V 一平结构形式 此种导轨加工容易 热变 形影响小 精度易于保证 为了减少导轨付摩擦阻 力 丝杠磨床一般采用滚动导轨 静压导轨 卸荷导 轨等形式 从理论上讲 静压导轨摩擦系数小 抗震 性能好 导轨不易磨损 性能最好 但缺点是 a 需设 19 2002 年第 2 期 总第 150 期 置独立的供油系统 b 油温难以控制 c 易泄露 环 境污染严重 d 调试技术难度大 维修不便等 故现 采用较少 滚动导轨虽说平稳性 抗震性能略差 但 摩擦力小 制造维修方便 故目前采用较多 3 工作台驱动丝杠螺距误差和跳动要尽可能 小 母丝杠的螺距误差和跳动对工件的影响程度取 决于传动比 但可以肯定的是 它们对于工件每一个 螺纹都给予一定的误差 即丝杠旋转一周 其轴向跳 动影响一次 故设计时 丝杠的轴向窜动量一般应小 于2 m 而径向跳动引起的轴向误差如图2 示为 轴向误差 径向跳动量 tg 2 图 2 从上述公式可以看出 设计时丝杠的牙型角越 小 误差越小 一般情况下取 15 较为合适 2 头架 头架主轴的旋转精度 特别是轴向窜 动 直接影响着加工件的精度 因此在丝杠磨床的设 计中 为了避免窜动的影响 便有了死顶尖结构 目 的是消除主轴回转误差对加工的影响 另外 头架 设计中还应考虑 1 由于螺纹加工中工件旋转速度低 一般为 0 5 60转 分 变速范围大 故应选择合适的控制 方式 目前以可控硅调速和变频调速应用较多 2 为了磨削多头螺纹 应考虑具有方便的分度 功能 以满足 2 3 4 6 8 10 12 头螺纹的加工 3 应具有螺距加大功能 从而减少交换齿轮的 数量 4 由于传动齿轮较多 传动链中反向间隙较 大 亦应考虑间隙消除机构 3 砂轮主轴 砂轮主轴回转精度也是影响丝杠 加工的关键因素 所以不允许主轴有跳动现象 以免 给工件螺距带来误差 并使其表面质量下降 因此 在设计制造中对主轴系统的主要要求为 1 砂轮轴系必须进行平衡 以减少因振动带来 的影响 另外砂轮也必须考虑有平衡措施 目前 砂 轮平衡方式主要有静平衡和动平衡两种 国内大多 采用静平衡 近年来也有采用动平衡的发展趋势 2 合理选择砂轮主轴支承轴承 目前可供选 用的轴承形式有 静压轴承 动压轴承 动静压轴承 和滚动轴承等几种形式 其中静压 动静压轴承 回 转精度高 吸震性好 理论上主轴不易磨损 精度保 持性好 但其弱点和静压导轨一样 限制了使用 滚 动轴承由于制造水平的提高 选用高精度的进口轴 承已能满足螺纹磨的使用要求 况且其使用维修方 便 近年来使用较多 3 主轴驱动应采用卸荷皮带轮 以减少主轴的 受力 从而保证其技术性能 延长使用寿命 4 砂轮修整 丝杠磨床对砂轮修整的基本要求 1 能够正确地修出齿形 2 保证砂轮表面的修整质量 3 为了适应粗精磨的不同需要 修整速度应可调 修整方式有手动 自动和数控修整 目前以自 动修整居多 自动修整主要有 钢轮挤压 金刚滚轮 成型修整 仿形修整等 其中钢轮挤压基本上不再 应用 只有在某些特殊情况下使用 金刚滚轮由于 修整效率高 齿形稳定 应用较为普遍 但其缺点是 每种齿形需要配备专门的滚轮 而且滚轮制作费用 高 国产滚轮寿命又短 因而使用成本偏高 仿形修 整制作简单 成本低 只需换块样板就可改变修整齿 形 因而国产丝杠磨床使用较为普遍 数控修整器 作为一项新技术 其优越性是通过编程就能够满足 各类齿形修整需要 不需要更换硬件部分 但其缺点 是技术复杂 一次性投入大 故目前只是在数控机床 上使用 而一般机床采用则较少 5 砂轮对刀 在磨削尚未加工好的螺纹毛坯 时 砂轮不需对刀 当磨削粗加工完成的螺纹时 必 须将砂轮的中部对准螺纹凹槽的中部 为的是砂轮 可以两面磨削 砂轮是否对中 可以根据火花及声 音来判断 如果砂轮未与工件凹槽对齐 则需要调 整工作台的位置 这就需要给工作台沿工件中心线 方向且与工件旋转无关的一个附加运动 这一运动 的实现机构我们称之为砂轮对刀机构 对刀机构的 形式可以有许多种 但实际中使用较多的形式为通 过转动手轮给工作台驱动丝杠的螺母以旋转运动 使丝杠螺母实现差动 从而控制工作台左右位移 以 此达到对刀的目的 6 螺距校正 丝杠磨床是用于磨削螺距精度很 高的工件的 因此 机床在工作时和测量丝杠的螺距 时必须保持正常的温度 20 C 在这种温度下 才 能保证被磨丝杠具有很高的精度 但是外界的温度 并非始终为 20 C 工作过程中 磨削热大量产生并 传给工件 使工件伸长 各摩擦付 电气元件等也会 20 精密制造与自动化 第二种灵敏度高 可无级校正 且调整方便 目前采用较多 第三种由 于是新技术 其校正效果最好 但开发难度大 使用 条件要求高 所以目前使用还不多 7 液压系统 丝杠磨床液压系统主要控制砂轮 架快速进退 砂轮自动修整 修整进刀与退刀 工作 台反向运动间隙消除 砂轮架运动间隙消除及各处 润滑等 根据使用要求 设计时应考虑以下因素 1 液压系统稳定可靠 阀 泵选择要合理 质量 要可靠 油温升幅不能太大 否则应考虑增加恒温装 置 2 不允许油液渗漏 否则 容易与冷却液混在 一起并污染环境 3 系统中应设计有蓄能器 以保证偶然断电 砂轮能从工件中退出 而不损坏工件 8 冷却与防护 丝杠磨床由于加工要求比较 高 所以冷却一般采用油冷 但油冷存在的问题是 1 热量散发效果比肥皂水差 容易传给工件影响加 工精度 2 砂轮的高速回转带动油液 易形成油雾 而污染环境 所以在磨削高精度丝杠时 一般都给 冷却油箱配有恒温装置 以控制油的温度 为了防止 油雾的扩散 丝杠磨床设计有全封闭的防护罩和吸 雾装置 一般多采离心式或静电吸雾器 以排除油 雾产生的温升和污染 四 技术现状 国内生产丝杠磨床的厂家较少 其中汉江机床 有限公司是我国螺纹磨床设计制造的专业厂 目前 丝杠磨床 3 米以下的系列产品可批量供应市场 其 规格和性能基本能满足国内丝杠行业加工的需要 主要产品规格见表 2 性能指标见表 3 表 2 序 号型 号规 格可磨直径 长度可 磨 螺 距 1S7432 15 320 1500 20 250 1400 2S7432 20 320 2000 20 250 1800 3S7432 30 320 3000 20 250 2900 公制螺纹1 5 48mm 英制螺纹18 牙 口寸 2 牙 口寸 模数螺纹1 18 表 3 类 别螺距25 毫米长度上100 毫米长度上300 毫米长度上表面粗糙度中径圆度 梯形丝杠0 0030 0050 0060 009 滚珠丝杠0 005 0 008 Ra0 20 005 五 结束语 螺纹磨床是机床产品中相对使用范围较窄的产 品 丝杠磨床又是螺纹磨床中的一个品种 尽管市场 容量不大 但作为一类专用机床 我公司通过多年的 基础研究 掌握了其设计制造的核心技术 推出了系 列产品 装备了国内丝杠加工企业 但客观地讲 与 国外先进水平相比 尚有不小差距 主要表现在 下转第 24页 21 2002 年第 2 期 总第 150 期 支承长度 1 1 1 2 行程 10 14 Ph 5 确定滚珠丝杠副的规格代号 根据传动方式及使用情况确定滚珠螺母型式 按照已估算出的 Ph Cam可在手册中先查出对应的滚 珠丝杠底径 d2 额定动载荷 Ca 应注意 d2 d2m Ca Cam但不宜过大 否则会使滚珠丝杠副的转动惯量 偏大 结构尺寸也偏大 接着再确定公称直径 循环 圈数 滚珠螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸 6 驱动转矩的计算 T T1 T2 T3 T1 Fd0tg 2 T1 螺纹力矩 T2 T3 轴承摩擦力矩 dO 公称直径 mm 螺纹升角 当量摩擦角 度 精确计算时尚需考虑传动零件的惯性 7 传动系统刚度验算及滚珠丝杠精度选择 由于数控机床精度在空载下验收 2Fo Kmin 称摩擦死区误差 Fo是机床空载时导轨上的摩擦力 K Fo 1 Fmin 1 Fmax 称为传动系统刚度变化引起的定 位误差 由于数控机床反向差值主要取决于 而定 位误差主要取决于丝杠副精度 其次是 K 1 传动系统刚度验算 0 8 反向差值 即Kmin 1 6Fo 反向差值 2 滚珠丝杠副精度选择 半闭环控制系统或可以行程补偿的开环系统 Vup 0 8 定位精度 K V300 0 8 300mm 定位精度 K 按上述两式计算结果 从而确定丝杠的精度等级 8 滚珠丝杠副临界压缩载荷 FC校验 验算压 杆稳定性 FC K1K2 d42 L2c1 105 F max d2 丝杠螺纹底径 mm Lc1 丝杠的最大受压长度 mm F max 丝杠副承受最大轴向压缩载荷 N K1 安全系数 K2 支承系数 9 滚珠丝杠副的极限转速 nc的校验 避免高速 运转时产生共振 nC K1 60 2 2 L2c2 E1 A f d2 L2C2 107 nC 极限转速 r min Lc2 临界转速计算长度 mm E 杨氏弹性模量 2 1 105 N mm2 材料密度 I 丝杠的最小惯性矩 A 丝杠的最小横面积 K1 安全系数 f 与支承有关的系数 三 小结 在数控机床的设计中 滚珠丝杠的选择和计算 是非常重要的内容 它关系到数控机床的使用性能 及加工精度等 另外 滚珠丝杠副由于传动率高 故 不能自锁 当丝杠副用于垂直方向传动时 应充分考 虑到丝杠因部件自重而产生的逆传动等多方面的因 素 丝杠副的润滑也是不容忽视的 上接第 21 页 1 机床性能较国外还有不小差距 如螺距误差 国外达0 002mm 国内一般只能达到 0 003mm 2 关键件制造水平低 达不到设计要求 如主 轴 母丝杠等 国内现只能加工到微米级水平 对于 亚微米级加工还比较困难 更谈不上纳米级 3 数控化进程缓慢 我公司虽经多年努力 推出 了SK7432系列数控丝杠磨床 另文介绍 使丝杠磨 床技术向前跨了一大步 但比国外晚了十多年 4 机床外观造型 油漆色彩技术落后 综上所述 丝杠磨床我公司经多年的研究开发 取得了不少成果 掌握了关键技术 开发了系列产 品 满足了丝杠行业的需要 但我们清醒地看到 要 进一步提高国内丝杠加工的技术并赶上国外的先进 水平 还需我们在丝杠磨床技术创新方面做出更大 的努力 24 精密制造与自动化 ABSTRACT KEY WORDS NO 2 2002 Mechanical Manufacturing Industry Developing Trend in the Early 21stCentury Abstract This paper presents the developing trend of mechanical manufacture industry in early 21stcentury and points out that Chinese mechanical engineers must master high technology Key words Mechanical manufacturing industry Developing trend High technology Micro machiningTechniqueDevelopingStatus Tendency and Its Key Technology Abstract Now the public is concerning about the micro machining technique and its developing tendency This paper briefly introduces the micro machining tech nique status developing tendency and its key technolo gy Key words Micro machining technique Devel oping status Developing tendency Key technology Fieldbus and Its Application for Machine Tool Abstract This paper introduces general information of fieldbus and some famous fieldbuses applied in indus trial automation as well as some illustrations applied in machine tool Key word Fieldbus PROFIBUS CAN COM POBUS Machine tool Control Technology on Parallel Straight generatrix Contour evolution Electrochemical Grinding of Integral Impeller Blade Abstract The structure and movement of numeri cally controlled electrochemical contour evolution grinding machine combined 4 axis NC system and the mathemati cal model of electrochemical contour evolution grinding of impeller blade are introduced Key words Electrochemical grinding Integral imperller Contorl technology Selection and Calculation of Ballscrew Pair for CNC Machine Abstract This paper introduces the importance and the method of selection and calculation of ballscrew pair in designing CNC Machine Key words CNC machine Ballscrew pair Repetitive positioning accuracy Lead Positioning ac curacy Dynamic Analysis and Optimized Design of the Structure of Internal Grinder Bed Abstract Basing on the dynamic test of original M2120A machine bed build up finite element analysis model for grinder bed and do finite element calculation of machine bed finding out the defects in original ma chine bed designing Then carry out the finite element analysis on various improved machine beds obtaining the optimized design after comparing various designs Key words Finite element analysis Dynamic design Optimization Analysis on Cam Profiling by CNC Swing type Camshaft Grinder Abstract In this paper the theory of cam profiling by CNC swing type camshaft grinder is analyzed For three different kinds of followers the algorithm model for cam grinding involving the spind