现今大多数工具机制造厂,都存在著一个很难克服的机械问题;因为金属的物理特性,当球螺杆高速旋转导致培林及滚珠磨擦温升,经由传导过程产生热胀冷缩的现像,整支螺杆长度会加长,造成机台定位精度不稳定,此状况经常困扰著设计者及使用者,尤其是近几年来,机械业一直朝向高速高精度加工及加大行程发展,"热变位"便是首要解决的重大问题之一.
在前几届工具机展中,我曾看到某些厂商使用中空球螺杆,利用内部油冷循环方式控制温升,当时该项设计号称不须加装光学尺就可达到相同精度要求,费用又比加装光学尺便宜,但很令人纳闷的是,为什么后来都没有看到各家厂商广泛使用,是否零件或使用上有不为人知的问题存在,我们无从了解.而近年来发展的"线性马达"传动机构,也是标榜著"无背隙,零误差"的口号,但其定位系统仍是采用到光学尺检测方式,不过,因为此项新技术仍在开发中,在这里不予讨论.所以,机台安装光学尺仍然是现在工具机业消除热变位,最常采用的功能项目.
现在轴向螺杆培林组立方式,绝大多数是使用一端预压及另一端预拉的安装方法,其组合方式,大致上有下面图型所示:
一般工具机最长用的组配标准,预压端通常是DB型或是FFB型,预拉端则采用DT型,此种方法可说是最普遍,而且结构安装容易,一来可减轻球螺杆因为长度太长导致中间下垂的变型量,二来又可以预先将热变型值降低至可以接受的程度,但是,"预拉值"到底要拉到多少,才不会去伤到轴向培林,一直以来都没有一个确切数据可供参考,以前很多都是靠老师傅的手感经验来判断,常会有力量大小无法控制的问题,后来曾经使用可控制力量的扭力扳手去锁紧预拉螺帽,但是保固期内轴向培林烧毁的情形仍然可见,直到近几年来,利用量表校正球螺杆组装预拉值的方式,才得以求出锁紧变型量与预拉伸长的安全范围值.而且培林寿命也延长到客户可接受的合理年限.不过,若就现有公司生产制造的CNC车床与M/C中心机轴向培林各种不同的组装方式及规格数量,仍有一些地方可供大家讨论研究。
一、无预拉方式组立(旧机型,已停产)
TNS-0W X/Z轴 TNS-1 X/Z轴 TNS-2 X/Z轴
TNS-3 X/Z轴 TNS-5 X/Z轴
V-4 X/Y/Z轴 VM-5 X/Y/Z轴 V-65/80 X/Y/Z轴
二、伺服马达端为预拉组立
V-36/46 X轴
三、伺服马达端为预压组立
ME/MP/P1/MS/S1/S2/MX/MY/Y1/V-16/20/26 X/Z轴
V-36/46 Z轴
V-55/70/80/85/102/105/125/130/140/145/205 X/Y/Z轴
压预端组立 预拉端组立nextpage
就一般机种的轴向组装来看,以上图为例,当球螺杆预拉螺帽开始锁紧时,则每颗培林承受之平均力量总合为：
Fa = Fb+Fc+Fd
即培林a所受压力可能为其它培林的三倍高,简单举例来说,假设床台重量为300kg,轴向快速移动速度为30米/分,0-30米加速时间 0.12sec,依施力公式计算：
Vb=Va+at , Va=0(初速) , Vb=30/60=0.5(米/秒) , t=0.12(秒) (加速时间)
0.5 = 0 +a*0.12 , a=4.16 (加速度)
F= ma = 300*4.16 = 1250*9.8 = 12250 (N)
下图为培林受力与变形量之相对位置图来看(NACHi目录提供),
假如现有机台预拉值为5-10条(依不同机型而言),则机台在静止状态时,轴向培林已经承受到相当于运转状态之压力,加上机器加工运转时切削床台阻力,培林使用寿命与精度要求,将因此而受到考验。
综合上述讨论后,大致可归类出以下数点心得:
1.当预拉与预压培林组立方向和数量不相等时,每一颗培林所受力量大小亦不相同,数量较少端培林使用寿命时间,会因为承受较大的压力而降低,甚至提早损坏。
2.比较车床与铣床各轴培林数量与组立方式之后,可以发现到其中有很大的差异存在;对大部份的车床来说,X/Z轴预压端培林颗数与规格,都比预拉端要多出一颗及大上一级尺寸,这种设计比起铣床有明显不同,培林更能够承受重切削所产生的过负荷压力,且使用寿命较长。
3.球螺杆热变位时, 因为培林组装结构特性,螺杆无法向预压固定端伸展,必须往预拉培林座方向延伸,于是轴向定位精度,越往预拉方向尺寸就越不准,这现象对于CNC车床X轴及M/C铣床Z轴来说,因为加工位置大多在球螺杆尾端附近,客户经常反应定位精度会因冷热机而有所不同;所以,假若将预压端改为朝下安装方法,对于车床X轴加工心轴类工件等须要高定位精度要求来看,不须额外安装光学尺即可大幅改善尺寸不稳的问题。
4.因为预拉端会有热澎涨伸长的现象,若伺服马达要安装于预拉端位置时,最好是使用绕性联轴器,或是其它可吸收此变形量之结合机构。
5.针对CNC车床X轴及M/C铣床Z轴来说,因为轴向培林须要额外负担刀塔司令座与主轴头部的重量,组装设计上必须考虑到此问题,而且未来机台生产重心在高速与多轴化功能,车/铣复合机多加了Y轴重量,M/C机种朝无配重方向设计,都会增加培林的沉重负荷与变型,但依现有机台再来修改加装,都会导致超出原先设计能力的极限,产生不稳定因素,造成现场组配校正与售后服务的问题,可说是牵一发而动全身;因此,要如何修改,就有待各单位讨论来总结吧!
