現今大多數工具機製造廠,都存在著乙個很難克服的機械問題;因為金屬的物理特性,當球螺桿高速旋轉導致培林及滾珠磨擦溫公升,經由傳導過程產生熱脹冷縮的現像,整支螺桿長度會加長,造成機台定位精度不穩定,此狀況經常困擾著設計者及使用者,尤其是近幾年來,機械業一直朝向高速高精度加工及加大行程發展, "熱變位"便是首要解決的重大問題之一.
在前幾屆工具機展中,我曾看到某些廠商使用中空球螺桿,利用內部油冷迴圈方式控制溫公升,當時該項設計號稱不須加裝光學尺就可達到相同精度要求,費用又比加裝光學尺便宜,但很令人納悶的是,為什麼後來都沒有看到各家廠商廣泛使用,是否零件或使用上有不為人知的問題存在,我們無從了解.而近年來發展的"線性馬達"傳動機構,也是標榜著"無背隙,零誤差"的口號,但其定位系統仍是採用到光學尺檢測方式,不過,因為此項新技術仍在開發中,在這裡不予討論.所以,機台安裝光學尺仍然是現在工具機業消除熱變位,最常採用的功能專案.
現在軸向螺桿培林組立方式,絕大多數是使用一端預壓及另一端預拉的安裝方法,其組合方式,大致上有下面圖型所示:
一般工具機最長用的組配標準,預壓端通常是db型或是ffb型,預拉端則採用dt型,此種方法可說是最普遍,而且結構安裝容易,一來可減輕球螺桿因為長度太長導致中間下垂的變型量,二來又可以預先將熱變型值降低至可以接受的程度,但是, "預拉值"到底要拉到多少,才不會去傷到軸向培林,一直以來都沒有乙個確切資料可供參考,以前很多都是靠老師傅的手感經驗來判斷,常會有力量大小無法控制的問題,後來曾經使用可控制力量的扭力扳手去鎖緊預拉螺帽,但是保固期內軸向培林燒毀的情形仍然可見,直到近幾年來,利用量表校正球螺桿組裝預拉值的方式,才得以求出鎖緊變型量與預拉伸長的安全範圍值.而且培林壽命也延長到客戶可接受的合理年限.不過,若就現有公司生產製造的cnc車床與m/c中心機軸向培林各種不同的組裝方式及規格數量,仍有一些地方可供大家討論研究,
一.無預拉方式組立(舊機型,已停產)
tns-0wx/z軸tns-1x/z軸tns-2x/z軸tns-3x/z軸tns-5x/z軸
v-4x/y/z軸vm-5x/y/z軸v-65/80x/y/z軸
二.伺服馬達端為預拉組立
v-36/46x軸
三.伺服馬達端為預壓組立
me/mp/p1/ms/s1/s2/mx/my/y1/v-16/20/26x/z軸v-36/46z軸
v-55/70/80/85/102/105/125/130/140/145/205x/y/z軸
壓預端組立預拉端組立
就一般機種的軸向組裝來看,以上圖為例,當球螺桿預拉螺帽開始鎖緊時,則每顆培林承受之平均力量總合為
fa=fb + fc + fd
即培林a所受壓力可能為其它培林的三倍高,簡單舉例來說,假設床台重量為300kg ,軸向快速移動速度為30公尺/分, 0 - 30公尺加速時間0.12sec ,依施力公式計算
vb = va + at,va =0 (初速),vb = 30/60 = 0.5 (公尺/秒),t = 0.12 (秒)
(加速時間)
0.5=0+ a * 0.12,a = 4.16(加速度)
f =ma=300 * 4.16=1250*9.8=12250( n )
下圖為培林受力與變形量之相對位置圖來看(nachi目錄提供),
假如現有機台預拉值為5 - 10條(依不同機型而言),則機台在靜止狀態時,軸向培林已經承受到相當於運轉狀態之壓力,加上機器加工運轉時切削床台阻力,培林使用壽命與精度要求,將因此而受到考驗
綜合上述討論後,大致可歸類出以下數點心得:
1.當預拉與預壓培林組立方向和數量不相等時,每一顆培林所受力量大小亦不相
同,數量較少端培林使用壽命時間,會因為承受較大的壓力而降低,甚至提早損壞。
2.比較車床與銑床各軸培林數量與組立方式之後,可以發現到其中有很大的差異存在;對大部份的車床來說, x/z軸預壓端培林顆數與規格,都比預拉端要多出一顆及大上一級尺寸,這種設計比起銑床有明顯不同,培林更能夠承受重切削所產生的過負荷壓力,且使用壽命較長
3.球螺桿熱變位時,因為培林組裝結構特性,螺桿無法向預壓固定端伸展,必須往預拉培林座方向延伸,於是軸向定位精度,越往預拉方向尺寸就越不准,這現象對於cnc車床x軸及m/c銑床z軸來說,因為加工位置大多在球螺桿尾端附近,客戶經常反應定位精度會因冷熱機而有所不同;所以,假若將預壓端改為朝下安裝方法,對於車床x軸加工心軸類工件等須要高定位精度要求來看,不須額外安裝光學尺即可大幅改善尺寸不穩的問題
4.因為預拉端會有熱澎漲伸長的現象,若伺服馬達要安裝於預拉端位置時,最好是使用繞性聯軸器,或是其它可吸收此變形量之結合機構
5.針對cnc車床x軸及m/c銑床z軸來說,因為軸向培林須要額外負擔刀塔司令座與主軸頭部的重量,組裝設計上必須考慮到此問題,而且未來機台生產重心在高速與多軸化功能,車/銑複合機多加了y軸重量, m/c機種朝無配重方向設計,都會增加培林的沉重負荷與變型,但依現有機台再來修改加裝,都會導致超出原先設計能力的極限,產生不穩定因素,造成現場組配校正與售後服務的問題,可說
是牽一髮而動全身;因此,要如何修改,就有待各單位討論來總結吧!!
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