高精度数控机床滚珠丝杠的装配与调整
发布时间：2013-11-14杨济森
（沈阳机床（集团）设计研究院中试基地，沈阳 110142）
（沈阳机床（集团）设计研究院中试基地，沈阳 110142）
摘 要：详细介绍了一种新的滚珠丝杠装配调整工艺方法。与常规装配调整方法进行了数据分析对比，比较了各自的优缺点。验证了装配调整工艺方法的正确性、可行性。
关键词：装配工艺；滚珠丝杠；检棒；检套；调整
0 引言
随着数控机床尤其是加工中心工作精度要求的日益提高，高精度的滚珠丝杠作为机床直线运动的驱动单元，在机床行业中被广泛应用。滚珠丝杠的装配质量成为直接影响机床运动精度和性能的重要因素之一。滚珠丝杠的安装方式通常有以下几种：双推-自由方式；双推-支撑方式；双推-双推方式。它的关键装配精度是滚珠丝杠旋转轴心线与机床主基直线导轨正侧基面的平行度，其中影响平行度装配质量的是支撑滚珠丝杠的电机座和轴承座的位置，另外一项是滚珠丝杠螺母轴心线与电机座孔和轴承座孔轴心线的同轴度[1-3]。
1 装配与调整用工艺装备
在滚珠丝杠装配调整前，首先要设计、制造好专用工装检套、检棒，准备必要的千分表、大理石平尺等。装配用工艺装备见表1。
关键词：装配工艺；滚珠丝杠；检棒；检套；调整
0 引言
随着数控机床尤其是加工中心工作精度要求的日益提高，高精度的滚珠丝杠作为机床直线运动的驱动单元，在机床行业中被广泛应用。滚珠丝杠的装配质量成为直接影响机床运动精度和性能的重要因素之一。滚珠丝杠的安装方式通常有以下几种：双推-自由方式；双推-支撑方式；双推-双推方式。它的关键装配精度是滚珠丝杠旋转轴心线与机床主基直线导轨正侧基面的平行度，其中影响平行度装配质量的是支撑滚珠丝杠的电机座和轴承座的位置，另外一项是滚珠丝杠螺母轴心线与电机座孔和轴承座孔轴心线的同轴度[1-3]。
1 装配与调整用工艺装备
在滚珠丝杠装配调整前，首先要设计、制造好专用工装检套、检棒，准备必要的千分表、大理石平尺等。装配用工艺装备见表1。
表1 滚珠丝杠装配工装
1.1 专用检棒设计
检棒直径设计：在平衡使用轻便与保证刚性的条件下，优先选择国家标准检棒直径尺寸系列。检棒外圆公差为g5，圆柱度公差≤0.005。检棒一组2件，成组加工制造，成组制造的两根检棒外圆尺寸一致性≤0.003。
1.2 专用检套设计
电机座、轴承座检套和检棒配套使用，检套内孔名义尺寸设计要与检棒外圆尺寸一致，配合公差按检棒外圆尺寸实测值设计，配合间隙为0.008~0.012，检套外圆尺寸按电机座、轴承座孔名义尺寸设计，因电机座、轴承座孔尺寸公差大多选用过渡配合的J6或JS6[4]，常用检套公差带为0.016至0.022之间。为保证检套外圆与电机座、轴承座孔使用时有一个Z佳配合间隙，需在公差带0.016至0.022之间采用公差分段方法设计一组检套。
2 滚珠丝杠装配步骤
（1）调整、修正电机座孔与直线导轨在垂直平面内的平行度
参见图1。
检棒直径设计：在平衡使用轻便与保证刚性的条件下，优先选择国家标准检棒直径尺寸系列。检棒外圆公差为g5，圆柱度公差≤0.005。检棒一组2件，成组加工制造，成组制造的两根检棒外圆尺寸一致性≤0.003。
1.2 专用检套设计
电机座、轴承座检套和检棒配套使用，检套内孔名义尺寸设计要与检棒外圆尺寸一致，配合公差按检棒外圆尺寸实测值设计，配合间隙为0.008~0.012，检套外圆尺寸按电机座、轴承座孔名义尺寸设计，因电机座、轴承座孔尺寸公差大多选用过渡配合的J6或JS6[4]，常用检套公差带为0.016至0.022之间。为保证检套外圆与电机座、轴承座孔使用时有一个Z佳配合间隙，需在公差带0.016至0.022之间采用公差分段方法设计一组检套。
2 滚珠丝杠装配步骤
（1）调整、修正电机座孔与直线导轨在垂直平面内的平行度
参见图1。
1.床身；2.检套；3.千分表座；4.平尺；5.轴承座；6.主导轨；7.副导轨；8.检棒；9.检套；10.电机座
图1 丝杠安装孔与直线导轨平行度的检测与调整
将电机座10安装在床身1的电机座结合面上，不拧紧固定螺栓，两结合面间0.02塞尺不准塞入。电机座孔装检套2、检棒8，平尺4测量面座在电机座直线导轨两个滑块正基准面上，平尺上测量面放置千分表的表座3。推动千分表座至千分表测头触到检棒上表面，在测量Z高点千分表指针调零，推动滑块与平尺、千分表工装组合体到另一测量点，测检棒第二点，两点测量数差值≤0.01。即电机座孔自身轴心线与机床直线导轨正基准面的平行度≤0.01，不合格时修刮电机座与机床结合面至要求。
（2）调整、修正轴承座孔与直线导轨在垂直平面内的平行度
参见图1。 将轴承座5安装在床身1轴承座结合面上，不拧紧螺栓固定，两结合面间0.02塞尺不准塞入。轴承座孔装检套2、检棒8，推动滑块与平尺4、千分表3工装组合体靠近轴承座。用检验电机座孔自身轴心线与机床直线导轨正基准面平行度的同样方法和步骤，检验轴承座孔自身轴心线与机床直线导轨正基面的平行度≤0.01，不合格时修刮轴承座与机床结合面至要求。
（3）调整、修正电机座孔、轴承座孔等高精度
参见图1。推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近电机座。推动千分表座至千分表测头触到检棒上表面，测量点选在靠近电机座内测，在测量Z高点千分表指针调零，推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近轴承座，测量点在轴承座外测一端检棒Z远点，两测量点距离与电机座、轴承座之间的距离相等。推动千分表座至千分表指针过检棒Z高点，检验电机座孔轴心线与轴承座孔轴心线等高≤0.01，不合格时修刮电机座或轴承座中高度大的一件与机床结合面至要求。
（4）安装滚珠丝杠
首先，安装电机座。电机座安装在床身电机座结合面上，拧紧螺栓固定。用轴承安装工具将轴承内环套入滚珠丝杠[5]，轴承内环端面与滚珠丝杠结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。按滚珠丝杠样本提供的拧紧力矩，用扭矩扳手将螺母拧紧固定。将滚珠丝杠轴承装配组件装入电机座孔内，轴承外环端面与电机座结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。用深浅千分尺测量轴承外环外端面与电机座外端面深浅尺寸，圆周方向至少均匀测量4点。按测量深浅尺寸算术平均值加0.02尺寸，配磨轴承外环压盖结合面高度尺寸，合格后，按螺栓拧紧力矩要求，用扭矩扳手将轴承外环压盖装在电机座上拧紧螺栓固定。
然后再安装轴承座，先将轴承座套入滚珠丝杠。用轴承安装工具将轴承内环套入滚珠丝杠，轴承内环端面与滚珠丝杠结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。按滚珠丝杠样本提供拧紧力矩，用扭矩扳手将螺母拧紧固定。将滚珠丝杠轴承装配组件装入轴承座孔内，轴承外环端面与轴承座结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。用深浅千分尺测量轴承外环外端面与电机座外端面深浅尺寸，圆周方向至少均匀测量4点。按测量深浅尺寸算术平均值加0.02尺寸，配磨轴承外环压盖结合面高度尺寸，合格后，按螺栓拧紧力矩要求，用扭矩扳手将轴承外环压盖装在轴承座上拧紧螺栓固定。轴承座装在床身轴承座结合面上，拧紧螺栓固定。
（5）调整滚珠丝杠与直线导轨平行度
按螺栓拧紧力矩要求值的80%，用扭矩扳手将电机座、轴承座螺栓拧紧固定。
①调整滚珠丝杠与直线导轨在垂直面内的平行度
如图2所示。
（2）调整、修正轴承座孔与直线导轨在垂直平面内的平行度
参见图1。 将轴承座5安装在床身1轴承座结合面上，不拧紧螺栓固定，两结合面间0.02塞尺不准塞入。轴承座孔装检套2、检棒8，推动滑块与平尺4、千分表3工装组合体靠近轴承座。用检验电机座孔自身轴心线与机床直线导轨正基准面平行度的同样方法和步骤，检验轴承座孔自身轴心线与机床直线导轨正基面的平行度≤0.01，不合格时修刮轴承座与机床结合面至要求。
（3）调整、修正电机座孔、轴承座孔等高精度
参见图1。推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近电机座。推动千分表座至千分表测头触到检棒上表面，测量点选在靠近电机座内测，在测量Z高点千分表指针调零，推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近轴承座，测量点在轴承座外测一端检棒Z远点，两测量点距离与电机座、轴承座之间的距离相等。推动千分表座至千分表指针过检棒Z高点，检验电机座孔轴心线与轴承座孔轴心线等高≤0.01，不合格时修刮电机座或轴承座中高度大的一件与机床结合面至要求。
（4）安装滚珠丝杠
首先，安装电机座。电机座安装在床身电机座结合面上，拧紧螺栓固定。用轴承安装工具将轴承内环套入滚珠丝杠[5]，轴承内环端面与滚珠丝杠结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。按滚珠丝杠样本提供的拧紧力矩，用扭矩扳手将螺母拧紧固定。将滚珠丝杠轴承装配组件装入电机座孔内，轴承外环端面与电机座结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。用深浅千分尺测量轴承外环外端面与电机座外端面深浅尺寸，圆周方向至少均匀测量4点。按测量深浅尺寸算术平均值加0.02尺寸，配磨轴承外环压盖结合面高度尺寸，合格后，按螺栓拧紧力矩要求，用扭矩扳手将轴承外环压盖装在电机座上拧紧螺栓固定。
然后再安装轴承座，先将轴承座套入滚珠丝杠。用轴承安装工具将轴承内环套入滚珠丝杠，轴承内环端面与滚珠丝杠结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。按滚珠丝杠样本提供拧紧力矩，用扭矩扳手将螺母拧紧固定。将滚珠丝杠轴承装配组件装入轴承座孔内，轴承外环端面与轴承座结合端面靠严，结合面0.02塞尺不准塞入。用深浅千分尺测量轴承外环外端面与电机座外端面深浅尺寸，圆周方向至少均匀测量4点。按测量深浅尺寸算术平均值加0.02尺寸，配磨轴承外环压盖结合面高度尺寸，合格后，按螺栓拧紧力矩要求，用扭矩扳手将轴承外环压盖装在轴承座上拧紧螺栓固定。轴承座装在床身轴承座结合面上，拧紧螺栓固定。
（5）调整滚珠丝杠与直线导轨平行度
按螺栓拧紧力矩要求值的80%，用扭矩扳手将电机座、轴承座螺栓拧紧固定。
①调整滚珠丝杠与直线导轨在垂直面内的平行度
如图2所示。
1.滚珠丝杠；2.平尺；3.千分表座；4.丝杠螺母
图2 滚珠丝杠与导轨的平行度检测
首先将滚珠丝杠螺母4旋到电机座端，螺母法兰端面距滚珠丝杠螺纹端面3~4个螺距。平尺2坐在靠近电机座的直线导轨滑块正基准面上，平尺上基准面放装千分表3的表座。千分表测头触到滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面上母线Z高点，推动千分表座调整千分表在测量高点为零。
然后再将滚珠丝杠螺母4旋到轴承座端，螺母端面与滚珠丝杠螺纹端面平齐。推动直线导轨滑块与平尺2、千分表及表座3工装组合体靠近轴承座。推动千分表座测量滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面上母线Z高点，两高点平行度≤0.01，不合格时修刮电机座或轴承座中高度大的一件与机床结合面至要求。
②调整滚珠丝杠与直线导轨在水平面内的平行度
滚珠丝杠螺母4旋到电机座端，螺母法兰端面距滚珠丝杠螺纹端面3~4个螺距。将千分表的磁力表座吸附在直线导轨滑块正基准面上，移动滑块靠近电机座。调整表杆使千分表测头触到滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面侧母线上，调整千分表在测量高点为零。
滚珠丝杠螺母4旋到轴承座端，螺母端面与滚珠丝杠螺纹端面平齐。推动滑块与千分表工装组合体靠近轴承座。测量移动后滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面同一高度的侧母线，千分表的两点示值≤0.01，不合格时平行调整电机座或轴承座至要求。参见图2。
重新检验滚珠丝杠与直线导轨两个方向平行度，合格后，按螺栓拧紧力矩要求值，用扭矩扳手将电机座、轴承座螺栓拧紧固定。钻铰定位销孔，将电机座、轴承座装销定位。
（6）螺母与工作台之间的安装与调整
将工作台3吊落在直线导轨滑块上，侧基准面靠严参见图3。按螺栓拧紧力矩要求值，用扭矩扳手拧紧压块螺栓定位，拧紧滑块结合螺栓固定。
然后再将滚珠丝杠螺母4旋到轴承座端，螺母端面与滚珠丝杠螺纹端面平齐。推动直线导轨滑块与平尺2、千分表及表座3工装组合体靠近轴承座。推动千分表座测量滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面上母线Z高点，两高点平行度≤0.01，不合格时修刮电机座或轴承座中高度大的一件与机床结合面至要求。
②调整滚珠丝杠与直线导轨在水平面内的平行度
滚珠丝杠螺母4旋到电机座端，螺母法兰端面距滚珠丝杠螺纹端面3~4个螺距。将千分表的磁力表座吸附在直线导轨滑块正基准面上，移动滑块靠近电机座。调整表杆使千分表测头触到滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面侧母线上，调整千分表在测量高点为零。
滚珠丝杠螺母4旋到轴承座端，螺母端面与滚珠丝杠螺纹端面平齐。推动滑块与千分表工装组合体靠近轴承座。测量移动后滚珠丝杠螺母靠近法兰端面外圆表面同一高度的侧母线，千分表的两点示值≤0.01，不合格时平行调整电机座或轴承座至要求。参见图2。
重新检验滚珠丝杠与直线导轨两个方向平行度，合格后，按螺栓拧紧力矩要求值，用扭矩扳手将电机座、轴承座螺栓拧紧固定。钻铰定位销孔，将电机座、轴承座装销定位。
（6）螺母与工作台之间的安装与调整
将工作台3吊落在直线导轨滑块上，侧基准面靠严参见图3。按螺栓拧紧力矩要求值，用扭矩扳手拧紧压块螺栓定位，拧紧滑块结合螺栓固定。
1.滚珠丝杠；2.滚珠丝杠螺母；3.工作台
图3 工作台与螺母的安装与调整
滚珠丝杠螺母2旋到电机座端，螺母法兰端面与滚珠丝杠1螺纹端面对齐。工作台螺母座端面涂红色研粉，推动工作台使螺母座与滚珠丝杠螺母法兰端面靠严，旋转螺母合研并修刮螺母座结合面，保证结合面刮研点≥6点/25×25。刮研过程中注意保护好滚珠丝杠清洁度。合格后擦洗干净螺母和螺母座结合端面。重新推动工作台使螺母座与滚珠丝杠螺母法兰端面靠严，按螺栓拧紧力矩要求值，用扭矩扳手拧紧螺栓固定。
修刮工作台螺母座端面，可以保证螺母座端面与螺母——滚珠丝杠轴线垂直，使滚珠丝杠转动灵活，防止螺母紧固后，螺母与丝杠轴心线的倾斜、别劲。
3 结束语
本文介绍的滚珠丝杠装配方法在实施过程中具有较强的可操作性。使以往因工艺方法不完善，造成的装配精度不稳定状况得到很大改善。特别是采用前文（5）项“调整滚珠丝杠与直线导轨平行度”方法后，解决了常规装配方法中，先修正电机座、轴承座精度，定位。后装轴承、滚珠丝杠。因轴承外圈厚度偏差影响造成的滚珠丝杠与直线导轨两个方向平行度精度变大问题。修正Z大偏差值为电机座、轴承座两组轴承外圈Z大厚度偏差之和0.008+0.008=0.016。
机床整机装配完成上电，通过系统对各轴拖动电机空载功率数据监测得到结果为：各轴拖动电机空载功率数据，由常规装配方法的15%以上，下降为8%以下。
本文介绍的滚珠丝杠装配方法正确、可行，滚珠丝杠装配精度能够得到进一步的提高，适合高精度数控机床滚珠丝杠装配与调整。
参考文献：
[1]李善术.数控机床及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.
[2]牛世清.数控机床滚珠丝杠装配工艺的改进[J].组合机床与自动化加工技术,1989(6):33-35.
[3]黄祖尧.精密高速滚珠丝杠副的Z新发展及其应用[J]. 航空制造技术,2003(4):36-40.
[4]孙玉芹,孟兆新.机械精度设计基础[M].北京:科学出版社,2003.
[5]THK综合产品目录.THKCO.,LTD.
修刮工作台螺母座端面，可以保证螺母座端面与螺母——滚珠丝杠轴线垂直，使滚珠丝杠转动灵活，防止螺母紧固后，螺母与丝杠轴心线的倾斜、别劲。
3 结束语
本文介绍的滚珠丝杠装配方法在实施过程中具有较强的可操作性。使以往因工艺方法不完善，造成的装配精度不稳定状况得到很大改善。特别是采用前文（5）项“调整滚珠丝杠与直线导轨平行度”方法后，解决了常规装配方法中，先修正电机座、轴承座精度，定位。后装轴承、滚珠丝杠。因轴承外圈厚度偏差影响造成的滚珠丝杠与直线导轨两个方向平行度精度变大问题。修正Z大偏差值为电机座、轴承座两组轴承外圈Z大厚度偏差之和0.008+0.008=0.016。
机床整机装配完成上电，通过系统对各轴拖动电机空载功率数据监测得到结果为：各轴拖动电机空载功率数据，由常规装配方法的15%以上，下降为8%以下。
本文介绍的滚珠丝杠装配方法正确、可行，滚珠丝杠装配精度能够得到进一步的提高，适合高精度数控机床滚珠丝杠装配与调整。
参考文献：
[1]李善术.数控机床及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.
[2]牛世清.数控机床滚珠丝杠装配工艺的改进[J].组合机床与自动化加工技术,1989(6):33-35.
[3]黄祖尧.精密高速滚珠丝杠副的Z新发展及其应用[J]. 航空制造技术,2003(4):36-40.
[4]孙玉芹,孟兆新.机械精度设计基础[M].北京:科学出版社,2003.
[5]THK综合产品目录.THKCO.,LTD.
来源：《组合机床与自动化加工技术》第5期2011年5月