数控车床滚珠丝杠液压调节垫圈的设计

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数控车床集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为-体，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机 J。目前，常规的数控车床已经很难满足高精度零件的高效加工要求 J，精密数控车床的需求不断增长，高精是未来发展的方向。本文以 GSCK2OOA数控车床为例，介绍-种利用液压调节垫圈保持滚珠丝杠的传动刚度和精度的装置。

1 滚珠丝杠传动刚度影响数控车床精度的原因影响数控车床精度的因素有很多，其中滚珠丝杠的传动刚度是决定性因素之-。

以 GSCK2OOA数控车床的 z轴为例，要求滚珠丝杠副的行程 700 mm，快进速度为 24 m/min，其拖动的工作台及其上部件的总质量为 250 kg，要求定位精度为0.005 mm，重复定位精度为0.003 mm。

为达到上述设计要求，特别是精度要求，设计了如图 1所示的GSCK200A数控车床 z轴进给系统，采用涨紧套将伺服电机与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠副采用两端固定支撑安装方式。两端的轴承采用两组 4O。背靠背配对的角接触球轴承，丝杠副在预拉伸下安装，使滚珠丝杠副达到很高的传动刚度，从而得到所需的高定位精度和重复定位精度。

滚珠丝杠在旋转中会产生温升，其周围的环境温度也会随着发生变化。温升时滚珠丝杠则轴向伸长，刚度降低，冷收缩则会使原有的预紧力增大，两种都导致传动系统的传统刚度、稳定性以及定位精度下降。

1.滚珠丝杠 2.滚珠丝杠副 3.角接触轴承图 1 Z轴进给系统结构示意图2 液压调节垫圈的工作原理为了解决滚珠丝杠在工作情况下传动刚度、稳定性和定位精度的下降，本文设计了-种液压垫圈式滚珠丝杠刚度恒定调节装置，其结构安装图如图2所示。

图2 液压调节垫圈安装示意图图2为液压调节垫圈在滚珠丝杠右端部的安装示意图。采用了-个中间隔套结构，液压调节垫圈的作用力先作用在中间隔套上面，隔套再将力传给轴承外收稿 日期：2012-10-08基金项 目：江西侍育厅产学研基金资助项 目(GJJ09005)作者简介：刘乐平(1965-)，男，江西泰和人，教授，研究方向为机电-体化。

106 液压与气动 2013年第3期表 1 不同工况条件下丝杠的热变形r况条件编号 1 2 3 4空载 低速粗车 高速硬车削 极限工况、空载工况条件n1500(r/rain) n57.32(r/min) n238.85(r/min) n3000(r/min有效工作行程最大热变形量 7.747/xm 1O.01 uJn 8.69扎m 7.214 uⅢ丝杠轴最大伸长量 21.88 Lm 20.5 Ixm 20.14 LLm 23.56 Lm圈。这个中间隔套有两个非关键的作用：-是改善了液压调节垫圈轴向端面受力不均的问题，避免了直接将不均匀的力传给轴承外圈；二是增加了液压调节垫圈油腔的作用面积，可以在不增加液压调节垫圈长度的情况下，降低液压压力要求。

其工作原理：在液压调节垫圈的周向均匀布置四个油孔，机床床体在与液压调节垫圈油孔接触的地方开-个环向油槽，使液压调节垫圈周向的四个油孔刚好对准床体上的环向油槽，在床体上设计-油孔将液压油导入床体的油槽，利用液压系统向液压调节垫圈注油，在油压的作用下，液压调节垫圈缸体壁将产生沿轴向的弹性变形，此弹性变形量即为液压调节垫圈的微位移输出量，缸体的最大弹性变形量即为液压调节垫圈的最大输出量。

3 液压调节垫圈的结构设计3.1 液压调节垫圈最大输 出量的确定根据滚珠丝杠进给系统的改善中的研究，加以总结，可以得出在几种不同的工况下，滚珠丝杠的热变形见表 1。

根据表 1可知，在极限工况条件下丝杠轴的热变形量最大，达到了23.56 m，有效工作行程的最大热变形是在低速粗车的工况下，达到了 10.01 m。滚珠丝杠在四种不同工况下的热变形情况如表 I所示。

通过对轴承组在图 3工况条件下的稳态温度分布，可知较高温度在轴承内圈以及套筒上的分布范围较丝杠上的分布范围要广。而且根据表 1可得，轴承和套筒的热膨胀系数比丝杠的要高。因此，在车床加工过程之中，丝杠的热伸长量不会大于套筒和轴承内圈的伸长量之和，所以，不会因为丝杠的热伸长而导致轴承组的刚度的降低 (这里刚度的降低主要是指接触翩簟i-a)前轴承组热流量 b)后轴承组热流量总量矢量图 总量矢量图图3 滚珠丝杠进给系统热流量的总量矢量应力的降低间接导致系统的刚度下降)。

经过以上分析，可知轴承组段滚珠丝杠的热伸长不会影响滚珠丝杠副的传动刚度，因此只考虑滚珠丝杠的热伸长量对系统传动刚度的影响。由表 1可得滚珠丝杠的最大热伸长量在图3工况条件下即低速车削的时候，丝杠轴的热伸长量达到了 10.叭 Izm。为了补偿由丝杠轴热伸长造成的系统刚度损失，液压调节垫圈的输出位移必须大于或等于 10 m。综合考虑，液压调节垫圈的最大输出位移为 10 m。

3.2 液压调节垫圈材料的选择液压调节垫圈的服役条件：① 垫身承受频繁的交变载荷(拉.压载荷)；② 轴向接触面承受接触应力具有-定的摩擦和磨损；③ 载荷虽均匀分布，但伴有较小的冲击。失效形式：主要是疲劳断裂，其次是端面接触疲劳麻点剥落。

根据上述液压调节垫圈的服役条件和失效方式可确定其材料必须具有：① 高的疲劳强度，防止垫身疲劳断裂；② 优良的综合力学性能，即有足够高的屈服强度、抗拉强度和韧性，防止塑性变形以及过载断裂；③ 足够高的轴向端面接触疲劳强度、硬度以及耐磨性，防止端面损伤。

3.3 液压调节垫圈基本尺寸的设计GSCK200A数控车床采用 NSK20TAC47B轴承。

根据结构设计要求，液压调节垫圈作用在丝杠内侧的两个轴承外圈上，液压调节垫圈外圈外径为47 mm，液压调节垫圈内圈内径为32 IBm。套垫 15 mm，轴承厚度 15 1Tim。

1)液压调节垫圈壁厚的选择当液压调节垫圈未工作时也即机床处于开机运行前的情况时，此时液压调节垫圈承受滚珠丝杠的预拉伸力，考虑到机床刚开始运行即使产生了热量，但丝杠的温度还没有较大上升时，丝杠没有热伸长，只是可能出现较大切削力，因此，在计算液压调节垫圈垫壁受力时，必须将其最大切削力考虑在内。

2013年第3期 液压与气动 1O7溢流阀常见故障现象及排除方法杨秀荣The Common Faults of Overflow Valve and Tr0ublesh00tingYANG Xiu-tong(河北工业职业技术学院 宣钢分院，河北 宣化 075100)摘 要：液压系统中的溢流阀-旦在工作过程中出现了故障，将会直接影响整个液压系统的稳定性和可靠性，因此，应该重视溢流阀可能出现的故障以保证系统的正常运行。该文针对溢流阀探讨几种常见的故障及排 除方法。

关键词：溢流阀；故障原因；排除方法中图分类号：TH137.5 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)03 107 2在液压系统中用来维持稳定压力是溢流阀的主要用途。它常用于节流调速系统中，和流量控制阀配合使用，调节进入系统的流量，并保持系统的压力基本恒定。(当它用于过载保护时-般称为安全阀。)溢流阀有直动式和先导式两种，本文以图 1示直动式溢流阀说明其工作原理。

直动式溢流阀是依靠系统中的压力油直接作用在阀芯上与弹簧力等相平衡，以控制阀芯的启闭动作，利用被控压力作为信号来改变弹簧的压缩量，从而改变阀口的通流面积和系统的溢流量来达到稳压的目的。

根据溢流阀的基本工作原理，当系统压力升高时，阀芯上升，阀口通流面积增加，溢流量增大，进而使系统压收稿 日期 ：2012-10-12作者简介：杨秀荣(1972-)，女，河北宣化人，副教授，硕士在读 ，主要从事机械方面的科研和教学工作。

T/(5lS2)，S1竹(D -D1 )/4，S2订(d1 -d )/4，Dl D -2a，d1 d 20。

式中，F为液压调节垫圈受到的预紧力与切削力之和；s 为液压调节垫圈外壁截面积；5：为液压调节垫圈内壁截面积； 为液压调节垫圈的压应力；o为液压调节垫圈壁厚。根据强度校核 口1 mm。

2)液压调节垫圈长度 的设计45号钢弹性极限 200 MPa，E：205 GPa，根据应力与应变公式 Ee，可得 0.1%。因此要保证材料处于弹性范围内，应使应变 小于0.1%，炔全系数为2，即取 ≤0.05%。根据液压调节垫圈最大输出位移为 10 m，可得：L≥20 mm。

Fl l(S1S2)，S 竹(D1 -dl )/4；P F /.s。式中， 为液压油提供的最小压力； 为液压调节垫圈所受的拉应力，P为所需的压强。

4 结论GSCK200A数控车床中，根据滚珠丝杠副的受力变化，液压调节垫圈通过液压控制系统的反馈信号来改变其轴向方向的尺寸，从而达到保持滚珠丝杠副的预紧力；通过实验测得液压调节垫圈能够准确地实现控制要求。