高精度数控立车双平衡油缸结构刀架的研究

赵海东 高大伟

(齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

伴随着我国舰船、军工、工程机械、电力等技术领域水平的快速升级，国内的装备制造业对数控立车的精度要求也越来越高，尤其是对于车削刀架的各项几何高精度要求已经成为高精度立车的重点问题。目前国内外知名厂家的立车垂直刀架采用的结构是采用刀架一侧为平衡油缸，平衡油缸一端固定在刀架滑座上，一端固定在滑枕上，通过液压控制，可平衡滑枕70%左右的重量;另一侧为垂直进给机构，垂直进给机构是由滚珠丝杠、进给箱和伺服电动机组成，滚珠丝杠两端固定在滑枕上，电动机通过垂直进给箱降速带动丝母旋转，从而驱动滑枕作进给运动。此种结构在使用过程中，存在以下不足:

(1)电动机通过进给箱降速带动丝母旋转，由于传动链较长，而且齿轮制造精度差，造成刀架反向间隙大，位置精度难以达到要求，并且垂直进给箱传动噪声大。

(2)平衡油缸在平衡滑枕重量的同时，因为只安装在滑枕的一侧，在平衡时对滑枕产生附加的倾覆力矩，使滑枕有一定的弯曲变形，影响滑枕的精度。

(3)丝杠安装在滑枕上，滚珠丝杠在进行预拉伸产生的预紧反力作用于滑枕，对滑枕自身的受力状态有不利的影响。

为了提高车削刀架的各项几何精度，解决上述难题，笔者公司进行了大量的研究和试验，终于成功地自主研发制造了此双平衡油缸平衡结构的垂直刀架。该成果内容隶属于“HDVTM160 ×10/8L -MC 高档立式铣车复合加工中心”国家重大专项项目。

该刀架所采取的技术方案如图1 所示，刀架驱动装置采用两个直径相等的平衡油缸2、4 对称布置在车削刀架滑枕3 的左右两侧的油缸支架1 上，油缸支架1 与车削刀架滑枕3 及回转滑座13 连接，通过平衡油缸2、4 可以完全平衡车削刀架滑枕3 的重量，且保证车削刀架滑枕3 不产生弯曲变形;在车床刀架滑枕3的后侧，垂直进给伺服电动机5 及减速器6 通过减速器支架12 与回转滑座13 连接，滚珠丝杠副9 通过滚珠丝杠副支架10 与车削刀架滑枕3 连接。为提高滚珠丝杠副9 刚度，需要滚珠丝杠副9 进行预拉伸。方法如下:首先滚珠丝杠副9 由锁紧螺母8 固定在减速器支架12 上，并通过滚珠丝杠副支架10 与刀架滑枕3 固定连接，调节滚珠丝杠副按滚珠丝杠样本要求进行预拉伸;最后，经预紧螺母11 预拉伸过的滚珠丝杠副9 通过联轴节7 与减速器6 连接。

此刀架结构优点如下:

(1)通过进给电动机加外购行星小背隙减速器与滚珠丝杠直联结构，实现了传动结构简单可靠，安装方便，大大提高了刀架位置精度，降低了传动噪声。

(2)通过平衡油缸对称布置在滑枕两侧结构，在平衡滑枕重力时，使两侧受力大小相等，方向相同，两侧弯曲力矩相互抵消，解决了单侧平衡产生的附加倾覆力矩使滑枕弯曲变形而影响精度的难题。

图1 双平衡油缸平衡结构之垂直刀架

(3)通过垂直进给直联结构，使滚珠丝杠两端固定在滑座上，丝母安装在丝母支架上，通过丝母旋转带动滑枕作垂直进给运动，消除了丝杠预拉伸对滑枕产生的弯曲变形影响。

(4)消除了垂直进给箱对滑枕行程的影响，缩短了滑枕的长度，减小了垂直刀架的重量。

高精度数控立车双平衡油缸结构刀架通过合理的结构布局，使刀架滑枕弯曲变形降低到最小，驱动刚度增大，从而提高了刀架位置精度，而且结构紧凑、安装方便、噪声低，大大提升了产品性能，促进了产品的更新换代。随着我国加工制造业的持续发展，对高精度车床产品的需求量还将不断上升，我公司现已对该类机床进行批量系列化生产，市场前景广阔。该刀架的研制成功为我国国民经济建设和国防建设提供了重要的基础保证，无疑也将促进我国工业经济的蓬勃发展，社会效益显著。