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 专项素描

  高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨研制,以及高速、重载、精密滚动功能部件产业化关键技术开发与应用研究课题,是高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项的重点研究方向之一。其研发完成的滚动功能部件具有高速、重载、精密等特点,是机床企业生产高档数控机床的关键配套件。

  重大突破

  系列高速、重载、精密滚动功能部件的成功研制为高速龙门五轴加工中心实现了配套,满足了航空制造业复杂特殊材料的加工需求。

  应用前景

  产品缩小了国产滚动功能部件产品与国际先进水平的差距,在替代进口方面有广阔的前景。

  在高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项中,南京工艺装备制造有限公司(以下简称南京工艺)先后承担了高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨研制和高速、重载、精密滚动功能部件产业化关键技术开发与应用研究两个课题。

  高速龙门五轴加工中心产品主要用于航空制造业复杂特殊材料的加工,其对滚珠丝杠副、滚动直线导轨副在精度、有效行程、轴速度,以及滚动功能部件在噪音、温升等方面都有很高的要求。

  针对上述要求,南京工艺确定了该机床配套用滚动功能部件存在的两大技术难点:即Y轴滚珠丝杠副以及X轴直线导轨副对高速、重载、精密等方面的高要求。

  由于Y轴滚珠丝杠副惯量大,选择多大导程、何种循环结构以及如何驱动可实现高速度,采用多大滚珠可实现高承载,如何抑制温升等均成为项目的难点。而X轴直线导轨副采用何种结构型式满足高速、高刚性重载要求,对于6米长度如何确保导轨副精密要求仍是项目的难点。

  面对上述一系列技术难点,南京工艺利用产学研用协同创新模式,成功开发系列高速、重载、精密滚动功能部件。

  在高速、重载、精密滚珠丝杠副开发方面:采用以螺母旋转为主驱动的方式解决丝杠副惯量大的问题,同时采用丝杠中空强冷抑制温升。面对丝杠既要实现高速又要具备高刚性和承载的实际矛盾,将丝杠副采用特殊循环返向结构设计,应用动力学理论及CAE仿真技术,对循环返向结构进行优化设计;搭建构建滚珠丝杠副的低阶和高阶刚度模型,对滚珠丝杠副的接触变形的模型进行研究,合理选择丝杠副的导程和滚珠直径,确保丝杠副具有高承载和高刚性。在关键工艺上,研究磨削颤振与烧伤现象的识别方法,并通过对机床动态特性的测量与分析,找出机床动态特性对滚珠丝杠磨削质量的影响规律,减少与消除磨削颤振与烧伤现象的磨削工艺方法,保证滚珠丝杠的表面质量。建立大导程内螺纹干涉磨的数学模型,通过实时修正砂轮截面形状,解决大导程滚珠螺母滚道的精密磨削瓶颈。

  在高速、重载、精密直线导轨副方面,为满足高刚性重载,导轨副采用弹性变形小的滚柱为滚动体,并通过对圆柱型滚动体接触刚度及摩擦机理研究,对滚道截面形状进行优化设计,提高以滚柱为滚动体的滚动导轨副的动静负载,实现超高刚性。

  为满足导轨副的高速运转及低噪音,设计中通过在滚柱间隔中增加保持链的方式,以消除滚动直线导轨副在高速运行时滚动体之间的逆向阻碍和碰撞,使滚动体能够保证流畅稳定的滚动,加之改善循环系统的结构件,使得导轨副在高速运行时噪音及发热量大为降低,实现了导轨副的高速、高精运动。

  与此同时,为验证上述产品的结构设计和制造,南京工艺还同步搭建了高速滚珠丝杠及高速滚动直线导轨试验台,制定丝杠、导轨在高速状态条件下精度、噪声、温升、加速度等性能测试规范,并对高速滚珠丝杠及高速滚动直线导轨开展性能试验研究。

  据悉,在国家科技重大专项的实施过程中,南京工装还先后为高速龙门五轴加工中心、五轴联动加工中心、精密卧式加工中心、高速立式加工中心提供全面配套,有效推动了数控机床专项产品的实施和发展。

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