丝杠辅助支撑在GDC1640A产品中的应用

（沈阳机床股份有限公司，沈阳 110142）

1 存在的问题

GDC1640A是一款工作台移动式龙门加工中心，该机床的X轴驱动方式是伺服电机通过齿形带、齿形带轮降速后与滚珠丝杠联接，带动工作台在床身上前后移动，实现X轴进给运动。

如图1所示X轴传动方式为两端固定的支撑方式，该产品工作台行程4m，其安装距离达到4850mm，X轴丝杠选用80直径12导程。因安装间距较长，丝杠的长径比超过60，长径比太大会使丝杠产生弯曲和挠度的变化（如图1所示）。导致滚珠丝杠旋转时产生抖动，增大运动噪声、缩短支撑轴承和滚珠丝杠本身的使用寿命、降低机床运动精度以及机床的加工精度。

图1 X轴丝杠安装方式

除此之外，丝杠安装距离过长，也会影响丝杠的许用转速。以GDC1640A为例：

丝杠的许用转速公式如下，N1，N2中取其小者：

其中：

λ：与安装方法相关的系数，此处为两端固定的安装方式，λ=21.9。

d1：丝杠轴螺纹小径，预选丝杠为THK BNFN8012 d1取74.1。

lb：安装间距4850。

算出极限转速N为689转，计算出快移速度为8.3m/min，设计参数该轴快移速度为10m/min因速度太慢，不满足设计要求。

从以上描述可以看出，丝杠跨距过长，将主要引发以下两个问题：

1）丝杠自身产生的挠度会影响自身寿命以及机床加工精度；

2）丝杠安装距离过长，会影响丝杠的容许转速，进而影响进给轴的快移速度。

对丝杠进行预拉伸，可以略微缓解丝杠弯曲变行，然而却不能对问题2进行有效解决。因此，为了有效解决以上两个问题，该产品选择在丝杠的中间增加辅助支撑的方式，不但可以缩短丝杠的安装距离lb，还可以减少丝杠的弯曲变形。

2 辅助支撑的结构及工作原理

该辅助支撑装置主要由支撑轮、侧导轮、压板、套筒、组合弹簧等组成。整个装置放置于丝杠的中间位置下面，丝母座两端安装两个楔形压板，丝杠的运动过程中，该辅助支撑有以下两种运动状态：

1）丝母在丝杠上运行，未运动到辅助支撑处时，支撑轮处在图示的位置1处，此时辅助支撑的支撑轮随丝杠转动未丝杠提供向上的支撑力，使丝杠处在平衡状态。

2）丝母在丝杠上运行，当丝母座移动到辅助支撑装置附近时，压板的斜面会提前压在辅助支撑两侧的侧导轮上，使辅助支撑压缩组合弹簧向下运动，当到达位置2时，丝母座可完全躲过支撑轮顺利通过辅助支撑。当丝母座完全通过后，被组合弹簧推动支撑轮上升到位置1，重复第一步的工作状态。

图2 辅助支撑结构图

图3 运动状态

图4 辅助支撑安装方式

图5 辅助支撑三维图

3 设计计算

1）安装辅助支撑后的容许转速计算

如图4所示安装辅助支撑后，丝杠的支撑方式由两端固定更改为一端固定一端支撑的支撑方式。此处，λ=15.1，安装间距lb变成了原来的一半，此处lb=2425，代入上述公式：

容许转速取944，快移速度可达到11.3m/min，可以满足该机床设计要求。

2）丝杠挠度计算

（1）不安装辅助支撑时丝杠最大挠度：

q为均布线载荷标准值q=345.45N/mm；

l为丝杠安装距离 l=4745mm；

E为钢的弹性模量，此处取E=2.1×105mpa；

I为钢的截面惯矩：

由此计算出Y1=0.19mm。

（2）辅助支撑装置装配好后提供的支撑力：

K为弹力系数（kgf/mm）；

L为弹簧总长；H为压缩到高度；

弹簧型号分别为：

G为材料的刚性模数(kg/mm2)；G=8000。

d为弹簧的线径；d1=10；d2=5。

Dm为弹簧的中径；

Do为弹簧的外径；Do1=85；Do2=55；Dm1=Do1-d1=75；Dm2=Do2-d2=55。

N为弹簧的有效圈数，N1=12.5；N2=12.5。

计算得出K1=1.9，K2=0.3。

（3）由支撑力产生的向上的挠度：

（4）安装辅助支撑后，丝杠中心挠度：

4 安装调试

安装时在丝杠两端支撑处分别打表调平，再在中点挠度最大处打表。此时，调整调整垫，调整到当丝杠下沉挠度大于0.02时，本支承才起作用。整机安装完成进行精度检测，各方面精精度满足要求。

经生产实践证明该装置具有以下特点：

1）结构简单，调试方便，通过调节调整垫，可以灵活调整弹簧的压缩力。

2）该装置无电气、液压和气动控制，价格较低，可有效降低产品成本。

5 结束语

在机床的工作过程中，丝杠产生的挠度变形带来的危害很大，除了会影响丝杠的寿命和传动效率，还会影响机床的加工精度。本文以GDC1640A X轴丝杠拖动为例给出了一种长滚珠丝杠辅助支撑的装置的设计计算过程。应用时可根据实际使用条件进行合理设计。不仅提高了机床的精度，并且大大降低了机床的成本，取得很好的效果。