滾珠絲杠預緊力及其平衡油缸支撐力對雙柱立車加工精度的影響研究

劉銀鋒 黃 穎楊長青 姜 輝焦建華張 宇王 款

(①齊齊哈爾工程學院機電工程系，黑龍江 齊齊哈爾 161005；②齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

雙柱立車刀架通常采用滾珠絲杠結構實現滑枕在豎直方向的移動，為提高滾珠絲杠使用壽命通常采用平衡油缸結構來減小滾珠絲杠的軸向力。一般情況下，滾珠絲杠預緊力及其平衡油缸作用力對滑枕剛度可以忽略，但是當工件對精度有較高要求，且切削工況滑枕伸出較長時，這種影響就不能忽略。我院校辦工廠齊三機床有限公司DVT500雙柱立車，機床各項檢驗參數均完全合格，在加工缸筒內圓時，滑枕需伸出2 000 mm，多次試切精度指標均超差，無法找到原因。排除安裝調試等可能性因素后，經過分析，初步認定滑枕自身存在變形現象，為驗證此觀點，對此刀架進行了有限元分析計算。

1 分析模型建立及其前處理

該刀架滑枕長度5 100 mm，滑枕滑座(上下滑塊間)包容長度2 000 mm,滑枕豎直方向行程2 000 mm，滑枕方截面280 mm×280 mm。如圖1所示，滑枕在滑座中心通過導軌聯結上下移動，在滾珠絲杠預緊力及平衡油缸支撐力共同作用下，隨著滑枕位置的變化，滑枕受力狀態在相應變化，導軌塊夾持位置是滑枕的支撐點。為模擬滑枕受力狀態，建立刀架的有限元分析模型，將滑枕、回轉滑座及其平衡油缸支架、滾珠絲杠支架裝配在一起，固定滑座與橫梁接觸面、滑枕包容面按圖紙做出，將平衡油缸支撐力加載在平衡油缸支架上，將滾珠絲杠預緊力加載在兩個滾珠絲杠支架上(見圖2)。平衡油缸支撐力等于滑枕重量，滾珠絲杠預緊力按圖紙技術要求給定。

2 數據分析

為掌握滑枕不同受力狀態的變形情況，分三次進行計算。第一次計算初始狀態，即滑枕伸出0 mm，第二次計算滑枕伸出至行程的一半，即滑枕伸出1 000 mm,第三次計算極限狀態，即滑枕伸出2 000 mm。每一次計算狀態下得出滑枕從底端(距離0)開始逐點向上直至頂端(即滑枕全長5 100 mm處)的各點變形數值如表1根據變形數據可以得到更直觀的3種狀態滑枕變形曲線如圖3。

根據變形數據可知，滑枕在伸出為O的初始狀態下，在滾珠絲杠預緊力及其平衡油缸支撐力作用下滑枕自身變形最大，頂端最大數值達到0.403 mm，隨著滑枕伸出，該數值逐漸變小，到滑枕完全伸出狀態，該數值為0.06 mm，即若有工件需要滑枕伸出全行程，從初始位置至行程結束頂端的變形位移達0.403-0.06=0.343 mm。由于此變形位移位于滑枕頂端，若不考慮整體變形通過滑塊包容面間隙傳遞效果，可認為該變形位移對加工精度不構成影響。由于變形數據中距離初始位置2 500 mm以內數據非常小，將該部分變形曲線放大得到變形曲線見圖4。可以明顯看出，滑枕伸出一半行程1 000 mm以及滑枕在初始狀態下兩種狀態變形數據基本為零，即可以說此時滾珠絲杠預緊力及其平衡油缸支撐力對滑枕加工精度并未造成影響。當滑枕伸出到最大行程2 000 mm時，滑枕呈現出趨近于線性的變形趨勢，滑枕懸伸底端最大變形0.007 mm。分析表明，此時平衡油缸下支座已經移動至滑塊與滑枕包容面以下，下支座處的拉力對滑枕的作用相當于在懸臂梁上施加了一個轉矩。理論分析與仿真計算的結果，證實了該機床此加工狀態精度超差的問題所在。

表1 計算結果數據

滑枕伸出0 mm滑枕伸出1 000 mm滑枕伸出2 000 mm距離變形距離變形距離變形00000-0.0072 02602 166070-0.0062 166-0.0012 3050.001210-0.0062 305-0.0032 4450.001349-0.0052 445-0.0062 5850.001629-0.0052 585-0.0112 7250.001768-0.0042 725-0.0182 8640908-0.0042 864-0.0263 00401 048-0.0033 004-0.0373 144-0.0021 467-0.0023 144-0.0493 284-0.0051 607-0.0023 284-0.0633 423-0.011 747-0.0013 423-0.0783 563-0.0172 30503 563-0.0963 703-0.0262 7250.0013 703-0.1153 842-0.0373 5630.0013 842-0.1363 982-0.0493 84203 982-0.1584 122-0.0633 98204 122-0.1834 262-0.0794 122-0.0024 262-0.2094 401-0.0964 262-0.0054 401-0.2374 541-0.1164 401-0.014 541-0.2674 681-0.1374 541-0.0164 681-0.2984 821-0.1594 681-0.0254 821-0.3314 960-0.1844 821-0.0354 960-0.3675 000-0.1914 960-0.0475 100-0.4035 100-0.215 100-0.06

3 結論及總結

根據以上分析，當滾珠絲杠下支座位于導軌塊與滑枕包容面內時，可認為滾珠絲杠預緊力及其平衡油缸支撐力對加工精度沒有影響。當滑枕伸出使滾珠絲杠下支座位于導軌滑塊與滑枕包容面下端時，計取滑枕長度為2 150 mm，即在此范圍以外加工精度不受影

響，在此范圍內加工誤差從0一直增加到0.007 mm。根據此數據，對滑枕中部對應導軌塊滑與滑枕包容面相應位置進行反變形工藝處理，使滑枕移動至相應位置時會在徑向產生整體位移，該位移正好抵消滾珠絲杠預緊力及平衡油缸支撐力產生的彎曲變形在滑枕端部產生的彎曲變形，從而消除加工誤差，達到提高加工精度的目的。實際現場對滑枕進行處理后，加工精度回復正常，完全滿足了加工要求。

此問題的產生主要原因在于滑枕行程過長，包容面長度不足，滾珠絲杠下支座超出了滑枕包容面，滑枕加工部分處于彎曲應力狀態所致。為避免此類問題的發生，建議相關機床設計廠家合理調整滾珠絲杠支座位置，使其在滑枕全行程范圍內都不超出導軌面與滑枕包容面，這對保證機床各種加工狀態加工精度指標意義重大。