CN101602172B - 一种丝杠支撑结构及采用该支撑结构的丝杠预拉伸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种丝杠支撑结构及丝杠的预拉伸方法，属于数控机床领域，丝杠的左端轴承，其轴承内外圈在内外两侧都进行了轴向压紧；丝杠的右端轴承为止推轴承，其轴承内圈的内侧与丝杠台阶之间留有间隙，轴承外圈的外侧未进行轴向压紧；丝杠右端、在右端轴承的外侧旋有右端锁紧螺母，右端锁紧螺母在轴向上向内挤压右端轴承的内圈，通过右端锁紧螺母的旋紧程度控制丝杠的预拉伸量。在安装时，先将丝杠的左端通过左端锁紧螺母限定其轴向位置，将右端锁紧螺母通过一定的旋紧力矩旋紧在丝杠的右端，旋紧力矩大于根据由于温升造成的丝杠伸长而确定的预拉伸量所对应的最小旋紧力矩，小于等于根据轴承的承载能力所计算的最大旋转力矩。

Description

一种丝杠支撑结构及采用该支撑结构的丝杠预拉伸方法
技术领域
本发明属于数控机床领域，尤其涉及数控车床的进给系统中丝杠的支撑结构，及配合该安装结构所采用的丝杠预拉伸方法。
背景技术
目前，中高档数控车床的进给大多采用两种电气伺服进给系统，一种是伺服电机带动滚珠丝杠，另一种是直线电机驱动。由于直线电机造价高昂，又存在发热量大，防护要求高等缺点，因此，使用较少。而伺服电机驱动滚珠丝杠的是目前应用最广泛的进给方式。但这种方式也存在一些缺点，例如，进给刚性比直线电机低，丝杠受热伸长而导致定位精度降低等等。为了补偿丝杠的受热伸长，在一定程度上提高丝杠的刚性，一般的做法是对丝杠进行预拉伸，即在加工滚珠丝杠时，使其螺距略小于名义值，装配时对丝杠进行预拉伸，使其螺距达到名义值，如此，当丝杠工作而受热时，丝杠中的拉应力补偿了热应力，既减少了热伸长的影响，又提高了丝杠的刚度。
目前，对于需要进行预拉伸的丝杆，其支撑结构比较常用的是固定-固定式，右端轴承的轴承内外圈在内外两侧都进行了轴向压紧，并且在轴承座与轴承套之间(图示的位置t处)增加轴向上的垫片，垫片的厚度与计算出的丝杠预拉伸量相当，如此，就可以通过增加垫片的方式使丝杠伸长。但这种丝杠支撑结构存在一个缺点，在丝杠受热而伸长的伸长量超过预拉伸量时，由于右端盖将轴承外圈压紧，会造成丝杠和轴承承受额外的推力，使丝杠弯曲甚至损坏。另外，丝杠因受热而产生的伸长量会由于制造装配的状况以及使用环境和工况的不同而不同，因此所选择的垫片厚度不可能使丝杠的预拉伸量较精准地补偿热伸长量，于是常会使机床的精度丧失甚至损坏。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的丝杠支撑结构及与此相对应的预拉伸方法存在的预拉伸后同样会造成丝杠弯曲甚至损坏的缺点，提供一种丝杠支撑结构及与该支撑结构配合适应的预拉伸方法。
一种丝杠支撑结构，丝杠的左端轴承，其轴承内外圈在内外两侧都进行了轴向压紧；丝杠的右端轴承为止推轴承，其轴承内圈的内侧与丝杠台阶之间留有间隙，轴承外圈的外侧未进行轴向压紧；丝杠右端、在右端轴承的外侧旋有右端锁紧螺母，所述的右端锁紧螺母在轴向上向内挤压右端轴承的内圈，通过所述的右端锁紧螺母的旋紧程度控制丝杠的预拉伸量。
优选的是，所述右端轴承安装在右端轴承座中，右端轴承座安装在基座中；右端轴承的外圈，在其内侧通过右端轴承座定位，右端轴承盖与右端轴承座配合安装，且右端轴承盖未对右端轴承的外圈在外侧进行轴向压紧。
优选的是，所述右端轴承采用双止推轴承结构。
一种丝杠支撑结构，丝杠的左端轴承，其轴承内外圈在内外两侧都进行了轴向压紧；丝杠的右端轴承为止推轴承，其轴承内圈的内侧与丝杠台阶之间留有间隙，轴承外圈的外侧未进行轴向压紧；丝杠右端、在右端轴承的外侧旋有右端锁紧螺母，所述的右端锁紧螺母在轴向上向内挤压右端轴承的内圈，通过所述的右端锁紧螺母的旋紧程度控制丝杠的预拉伸量；采用上述丝杠支撑结构的丝杠预拉伸方法，包括如下步骤：
(1)首先计算由于丝杠运动温升所造成的丝杠伸长量L1，L1＝μ×L×T；其中，μ是丝杠的热伸长系数，L是丝杠的左端轴承到右端轴承的长度，T是丝杠的温升；
(2)计算丝杠所需要的预拉力F2：F2＝L1×π×dr2÷4×e÷L；其中，dr是丝杠的根圆直径，e是丝杠材质的弹性模量；
(3)计算右端锁紧螺母的最小旋紧力矩T：T＝n×Dm×F2；其中，n是效率系数，Dm是右端锁紧螺母的中径；
(4)根据右端轴承的承载能力F，计算其所能承受的右端锁紧螺母的最大旋紧力矩Tmax，Tmax＝F×n×Dm；
(5)首先通过工装限定丝杠左端在轴向上的位置，然后将右端锁紧螺母旋紧在丝杠的右端，旋紧力矩大于等于最小旋紧力矩T，小于等于最大旋紧力矩Tmax，进而将丝杠进行预拉伸。
优选的是，丝杠左端的支撑方式为左端轴承的外圈的两侧分别通过左端轴承座和左端轴承盖定位，左端轴承的内圈的两侧分别通过丝杠的一个台阶和左端锁紧螺母定位，在进行步骤(5)时，通过工装将左端锁紧螺母锁紧，即可限定丝杠左端在轴向上的位置。
本发明的有益效果为：丝杠的左端轴承采用双侧均进行轴向压紧的结构，限定丝杠左端的轴向位置，而在右端通过右端锁紧螺母对丝杠进行预拉伸，因此，在丝杠运动而导致温度升高时，丝杠进行预拉伸的伸长量就补偿了由于温升造成的丝杠伸长，而当丝杠受热的伸长量超过预拉伸量时，由于右端轴承的轴承内圈的内侧与丝杠台阶之间留有间隙，而且轴承外圈的外侧未进行轴向压紧，可以保证丝杠、右端轴承，以及左端轴承不需要承受额外的推力，因此，使得数控车床的进给系统的精度和寿命都得到了提高。
附图说明
图1为具有本发明所述的丝杠支撑结构的机床进给系统。
具体实施方式
如图1所示，数控车床的进给系统包括伺服电机1，伺服电机1通过连轴器2带动丝杠10转动。丝杠的左端轴承4，可以采用双止推轴承结构，其外圈的两侧分别通过左端轴承座和左端轴承盖定位，其内圈的两侧分别通过丝杠的一个台阶和左端锁紧螺母3定位。
丝杠的右端轴承6，可以采用双止推轴承结构，其外圈的内侧通过右端轴承座9定位。右端轴承座9外配合有右端轴承盖8，右端轴承盖8如图1所示未在轴向上压紧右端轴承6的外圈。右端轴承6的轴承内圈的内侧与丝杠10的台阶之间留有间隙a，丝杠右端、在右端轴承6的外侧旋有右端锁紧螺母7，右端锁紧螺母7在轴向上向内挤压右端轴承6的内圈，在安装时，通过所述的右端锁紧螺母7的旋紧程度控制丝杠的预拉伸量。
其中，左端轴承4和右端轴承6均选择丝杠专用轴承。
右端锁紧螺母7的旋紧力矩应该大于等于根据由于温升造成的丝杠伸长而确定的预拉伸量所对应的最小旋紧力矩T，如果不满足该条件，则只能部分补偿丝杠的热伸长量，而小于等于根据左端轴承4和右端轴承的承载能力(必须要考虑由于丝杠运动而加载于轴承上的动载荷)所计算出的最大旋转力矩Tmax。
最小旋紧力矩T的计算方法如下：
(1)首先计算由于丝杠运动温升所造成的丝杠伸长量L1，L1＝μ×L×T；其中，μ是丝杠的热伸长系数，L是丝杠的左端轴承到右端轴承的长度，T是丝杠的温升；
例如，热伸长系数μ的取值为11×10-6/℃，丝杠左端轴承到右端轴承的长度L为322mm，丝杠的温升T选取在2～3℃，计算时可以选取2℃，由于在本实施例中采用油润滑，因此，丝杠的温升采用2～3℃；
则，L1＝11×10-6/℃×322mm×2℃＝0.007mm
(2)计算丝杠所需要的预拉力F2，F2＝L1×π×dr2÷4×e÷L；其中，dr是丝杠的根圆直径，e是丝杠材质的弹性模量；
例如，丝杠的根圆直径dr为17.2mm，丝杠材质的弹性模量e采用钢的弹性模量2.06×10-5MPa。
则，F2＝0.007mm×3.142×17.2mm×17.2mm÷4×2.06×10-5MPa÷322mm＝1040N
(3)计算右端锁紧螺母的最小旋紧力矩T：T＝n×Dm×F2；其中，n是效率系数，Dm是右端锁紧螺母的中径；
例如，效率系数n取0.2，是螺母中径Dm取14.35mm。
则，T＝0.2×14.35mm×1040N＝3牛.米
(4)丝杠的承载能力F＝(F1+F2)×A；其中，F1是机床运动而加载到轴承上的力，A是安全系数，安全系数A过小会造成轴承寿命的降低。
而最大旋紧力矩Tmax＝F×n×Dm，如经过计算得到最大旋紧力矩Tmax为4牛.米，则在装配时，先用工装，如通过17牛.米的旋紧力矩锁紧左端锁紧螺母3，最后用3～4牛.米的旋紧力矩锁紧右端锁紧螺母7，使得丝杠10得到拉伸。
需要注意的是，预拉力会给丝杠10、左端轴承4和右端轴承6均附加一个载荷，采用的旋紧力矩过大会使丝杠和轴承的精度寿命减少，也会使得基座由于拉力而变形，严重的可能造成零部件报废，但旋紧力矩过小时又不能合适地补偿热伸长和提高丝杠的压杆稳定性。因此，设计和制造过程中要认真谨慎，在装配中要严格控制拉紧力。
另外，上述的本发明的实施方式为非限制性实施方式，凡本领域的技术人员在本发明的实质内容基础上进行的修饰和变型，均属于本发明保护的范围内。

Claims (5)

1.一种丝杠支撑结构，丝杠的左端轴承，其轴承内外圈在内外两侧都进行了轴向压紧；其特征在于：丝杠的右端轴承为止推轴承，其轴承内圈的内侧与丝杠台阶之间留有间隙，轴承外圈的外侧未进行轴向压紧；丝杠右端、在右端轴承的外侧旋有右端锁紧螺母，所述的右端锁紧螺母在轴向上向内挤压右端轴承的内圈，通过所述的右端锁紧螺母的旋紧程度控制丝杠的预拉伸量。
2.根据权利要求1所述的一种丝杠支撑结构，其特征在于：所述右端轴承安装在右端轴承座中，右端轴承座安装在基座中；右端轴承的外圈，在其内侧通过右端轴承座定位，右端轴承盖与右端轴承座配合安装，且右端轴承盖未对右端轴承的外圈在外侧进行轴向压紧。
3.根据权利要求1或2所述的一种丝杠支撑结构，其特征在于：所述右端轴承采用双止推轴承结构。
4.一种采用权利要求1所述支撑结构的丝杠预拉伸方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)首先计算由于丝杠运动温升所造成的丝杠伸长量L1，L1＝μ×L×T；其中，μ是丝杠的热伸长系数，L是丝杠的左端轴承到右端轴承的长度，T是丝杠的温升；
(2)计算丝杠所需要的预拉力F2：F2＝L1×π×dr2÷4×e÷L；其中，dr是丝杠的根圆直径，e是丝杠材质的弹性模量；
(3)计算右端锁紧螺母的最小旋紧力矩T：T＝n×Dm×F2；其中，n是效率系数，Dm是右端锁紧螺母的中径；
(4)根据右端轴承的承载能力F，计算其所能承受的右端锁紧螺母的最大旋紧力矩Tmax，Tmax＝F×n×Dm；
(5)首先通过工装限定丝杠左端在轴向上的位置，然后将右端锁紧螺母旋紧在丝杠的右端，旋紧力矩大于等于最小旋紧力矩T，小于等于最大旋紧力矩Tmax，进而将丝杠进行预拉伸。
5.根据权利要求4所述的丝杠预拉伸方法，其特征在于：丝杠左端的支撑方式为左端轴承的外圈的两侧分别通过左端轴承座和左端轴承盖定位，左端轴承的内圈的两侧分别通过丝杠的一个台阶和左端锁紧螺母定位，在进行步骤(5)时，通过工装将左端锁紧螺母锁紧，即可限定丝杠左端在轴向上的位置。
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