摘要：文中闡述了滾珠螺桿在高速高精數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，并重點(diǎn)對(duì)滾珠螺桿在實(shí)際應(yīng)用中的安裝，調(diào)試和檢測(cè)以及故障的分析排除做了介紹，于便和同事們一起探討，也希望能給我們的用戶在應(yīng)用中帶來(lái)幫助。
一，滾珠螺桿的介紹
滾珠螺桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠螺桿副有多種結(jié)構(gòu)型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內(nèi)循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。
按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。
按預(yù)加負(fù)載形式分，可分為單螺母無(wú)預(yù)緊、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊、單螺母加大鋼球徑向預(yù)緊、雙螺母墊片預(yù)緊、雙螺母差齒預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊。數(shù)控機(jī)床上常用雙螺母墊片式預(yù)緊，其預(yù)緊力一般為軸向載荷的1/3。
滾珠螺桿與滑動(dòng)桿螺母副比較有很多優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高、靈敏度高、傳動(dòng)平穩(wěn)：磨損小、壽命長(zhǎng)；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。
二，滾珠螺桿在高速數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用
高速加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在航天航空、汽車工業(yè)、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)高速加工，首先要有高速數(shù)控機(jī)床。高速數(shù)控機(jī)床必須同時(shí)具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)材料切削過(guò)程的高速化。為了實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給，國(guó)內(nèi)外有關(guān)制造廠商不斷采取措施，提高滾珠螺桿的高速性能。主要措施有：
（1)適當(dāng)加大螺桿的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)。目前常用大導(dǎo)程滾珠螺桿名義直徑與導(dǎo)程的匹配為：40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等，其進(jìn)給速度均可達(dá)到60m/min以上。為了提高滾珠絲桿的剛度和承載能力，大導(dǎo)程滾珠螺桿一般采用雙頭螺紋，以提高滾珠的有效承載圈數(shù)。
（2)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高滾珠運(yùn)動(dòng)的流暢性。改進(jìn)滾珠循環(huán)反向裝置，優(yōu)化回珠槽的曲線參數(shù)，采用三維造型的導(dǎo)珠管和回珠器，真正做到沿著內(nèi)螺紋的導(dǎo)程角方向?qū)L珠引進(jìn)螺母體中，使?jié)L珠運(yùn)動(dòng)的方向與滾道相切而不是相交。這樣可把沖擊損耗和噪聲減至很小。
(3)采用“空心強(qiáng)冷”技術(shù)。高速滾珠螺桿在運(yùn)行時(shí)由于摩擦產(chǎn)生高溫，造成螺桿的熱變形，直接影響高速機(jī)床的加工精度。采用“空心強(qiáng)冷”技術(shù)，就是將恒溫切削液通入空心絲桿的孔中，對(duì)滾珠螺桿進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保持滾珠副溫度的恒定。這個(gè)措施是提高中、大型滾珠螺桿高速性能和工作精度的有效途徑。
(4)對(duì)于大行程的高速進(jìn)給系統(tǒng)，可采用螺桿固定、螺母旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式。此時(shí)，螺母一邊轉(zhuǎn)動(dòng)、一邊沿固定的螺桿作軸向移動(dòng)，由于絲桿不動(dòng)，可避免受臨界轉(zhuǎn)速的限制，避免了細(xì)長(zhǎng)滾珠螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的種種問(wèn)題。螺母慣性小、運(yùn)動(dòng)靈活，可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速高。
(5)進(jìn)一步提高滾珠螺桿的制造質(zhì)量。通過(guò)采用上述種種措施后，可在一定程度上克服傳統(tǒng)滾珠螺桿存在的一些問(wèn)題。其快速移動(dòng)速度可達(dá)60m/min，個(gè)別情況下甚至可達(dá)90m/min，加速度可達(dá)15m/s2。由于滾珠螺桿歷史悠久、工藝成熟、應(yīng)用廣泛、成本較低，因此在中等載荷、進(jìn)給速度要求并不十分高、行程范圍不太大(小于4～5m)的一般高速加工中心和其他經(jīng)濟(jì)型高速數(shù)控機(jī)床上仍然經(jīng)常被采用。
三，滾珠螺桿的安裝
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠螺桿螺母本身的剛度之外，滾珠螺桿正確的安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支承座都應(yīng)具有足夠的剛度和精度。通常都適當(dāng)加大和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強(qiáng)度，新設(shè)計(jì)的機(jī)床在工藝條件允許時(shí)常常把螺母座或支承座與機(jī)床本體做成整體來(lái)增大剛度。
為了提高支承的軸向剛度，選擇適當(dāng)?shù)臐L動(dòng)軸承也是十分重要的。國(guó)內(nèi)目前主要采用兩種組合方式。一種是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，其結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，但軸向剛度不足。另一種是把推力軸承或向心推力軸承和向心軸承組合使用，其軸向剛度有了提高，但增大了軸承的摩擦阻力和發(fā)熱而且增加了軸承支架的結(jié)構(gòu)尺寸。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的軸承生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出一種滾珠螺桿專用軸承(如日本NSK，德國(guó)FAG），這是一種能夠承受很大軸向力的特殊向心推力球軸承，與一般的向心推力球軸承相比，接觸角增大到60o，增加了滾珠的數(shù)目并相應(yīng)減小滾珠的直徑。這種新結(jié)構(gòu)的軸承比一般軸承的軸向剛度提高了兩倍以上，而且使用極為方便，產(chǎn)品成對(duì)出售，而且在出廠時(shí)已經(jīng)選配好內(nèi)外環(huán)的厚度，裝配時(shí)只要用螺母和端蓋將內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊，就能獲得出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)整好的預(yù)緊力。
滾珠螺桿的安裝方式通常有以下幾種：
(1)雙推一自由方式 絲桿一端固定，一端自由。固定端軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力。這種支承方式用于行程小的短絲杠———優(yōu)點(diǎn)：較易組裝，幾何精度影響較小，適用于短螺桿和垂直螺桿；缺點(diǎn)：作用點(diǎn)間的距離較小，剛性較差。
(2)雙推一支承方式 絲桿一端固定，另一端支承。固定端軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力；支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動(dòng)，可以避免或減少螺桿因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時(shí)絲杠熱變形可以自由地向一端伸長(zhǎng)。
(3)雙推一雙推方式 絲桿兩端均固定。固定端軸承都可以同時(shí)承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對(duì)螺桿施加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉力，提高螺桿支承剛度，可以部分補(bǔ)償螺桿的熱變形。其優(yōu)點(diǎn)是：作用點(diǎn)間的距離較大，剛性較佳；缺點(diǎn)：較易受組合零件幾何精度影響。
(4)采用螺桿固定、螺母旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式 此時(shí)，螺母一邊轉(zhuǎn)動(dòng)、一邊沿固定的螺桿作軸向移動(dòng)：由于螺桿不動(dòng)，可避免受臨界轉(zhuǎn)速的限制，避免了細(xì)長(zhǎng)滾珠螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的種種問(wèn)題。螺母慣性小、運(yùn)動(dòng)靈活，可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速高。此種方式可以對(duì)螺桿施加較大的預(yù)拉力，提高螺桿支承剛度，補(bǔ)償螺桿的熱變形。
四，滾珠螺桿螺母的防護(hù)和潤(rùn)滑
(1)滾珠螺桿副的防護(hù)
滾珠螺桿副和其它滾動(dòng)摩擦的傳動(dòng)器件一樣，應(yīng)避免硬質(zhì)灰塵或切屑污物進(jìn)入，因此必須裝有防護(hù)裝置。如果滾珠螺桿副在機(jī)床上外露，則應(yīng)采用封閉的防護(hù)罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時(shí)將防護(hù)罩的一端連接在滾珠螺母的側(cè)面，另一端固定在滾珠絲桿的支承座上。如果滾珠螺桿副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護(hù)，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內(nèi)孔做成與螺桿螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱迷宮式密封圈，它采用硬質(zhì)塑料制成，其內(nèi)孔與螺桿螺紋滾道的形狀相反，并稍有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但防塵效果差。工作中應(yīng)避免碰擊防護(hù)裝置，防護(hù)裝置一有損壞應(yīng)及時(shí)更換。
(2)滾珠螺桿副的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑劑可提高耐磨性及傳動(dòng)效率。潤(rùn)滑劑可分為潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩大類。潤(rùn)滑油一般為全損耗系統(tǒng)用油：潤(rùn)滑脂可采用鋰基潤(rùn)滑脂，高速時(shí)，建議使用的潤(rùn)滑油為40℃時(shí)的黏度指數(shù)范圍32～68 cSt (ISO VG 32～68)(DIN 51519)。低速時(shí)，建議使用的潤(rùn)滑油為40℃時(shí)的黏度指數(shù)范圍在90 cSt (ISO VG 90)以上。潤(rùn)滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)，而潤(rùn)滑油則經(jīng)過(guò)殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi)。每半年對(duì)滾珠螺桿上的潤(rùn)滑脂更換一次，清洗螺桿上的舊潤(rùn)滑脂，涂上新的潤(rùn)滑脂。用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的滾珠螺桿副，可在每次機(jī)床工作前加油一次或根據(jù)工作要求定時(shí)加油。
五，滾珠螺桿在使用時(shí)的注意事項(xiàng)
滾珠螺桿為精密的機(jī)械零件組裝，所以在使用時(shí)需注意下列事項(xiàng)：
(1) 因?yàn)闈L珠螺桿的摩擦很小，如果將沒(méi)有施加預(yù)壓（微預(yù)壓也一樣）的螺桿垂直放置時(shí)，螺母會(huì)因自重而從螺桿軸上脫落下來(lái)，所以垂直使用時(shí)，請(qǐng)千萬(wàn)小心。如果螺母脫落螺桿，滾珠會(huì)脫落。另外，循環(huán)導(dǎo)管等滾珠循環(huán)部也有損壞的危險(xiǎn)。若螺母從螺桿上脫落，請(qǐng)與售后技術(shù)人員聯(lián)絡(luò)。
(2) 因滾珠絲桿螺母的循環(huán)部（循環(huán)導(dǎo)管，端蓋等）突出在螺母的外部，請(qǐng)注意不可敲擊和碰撞。
(3) 請(qǐng)不要把徑向負(fù)荷，力矩負(fù)荷直接加到滾珠螺桿上。如果作用有徑向負(fù)荷，力矩負(fù)荷，會(huì)使螺桿的使用壽命極度降低或?qū)е侣輻U運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢。
(4) 將螺桿同其它機(jī)械零件組合安裝時(shí)，請(qǐng)不要把螺母從螺桿上取出。如果萬(wàn)一必須分開(kāi)時(shí)，請(qǐng)使用比螺桿溝槽低徑小1mm的套管作為輔助制具，將螺母和滾珠一同取下，同時(shí)注意不要讓滾珠脫
(5) 滾珠螺桿的螺紋溝槽是經(jīng)過(guò)淬火和研磨加工的，如果將外部零部件強(qiáng)行打入螺桿軸或螺母邊沿時(shí)，滾動(dòng)溝槽上會(huì)產(chǎn)生壓痕，所以安裝零部件時(shí)，請(qǐng)注意不要對(duì)螺桿或螺母施加過(guò)分外力。
(6) 如果滾珠螺桿兩端的支撐中心軸線和螺母的中心不同心時(shí)，則會(huì)對(duì)滾珠螺桿產(chǎn)生過(guò)分的摩擦阻力，從而產(chǎn)生扭矩增大，發(fā)熱等現(xiàn)象。使?jié)L珠螺桿出現(xiàn)早期的磨損，大大縮短其使用壽命。因此，安裝時(shí)一定要校正螺桿的“三點(diǎn)一線”。另外，安裝完后請(qǐng)一定要轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，使螺母在螺桿的有效行程上移動(dòng)，確認(rèn)是否有干涉等異?，F(xiàn)象。
(7) 在螺桿兩端加裝防撞器，以避免運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)行程極限而損傷滾珠螺桿
六，滾珠螺桿預(yù)拉的目的和預(yù)拉量。
螺桿預(yù)拉就是在裝配時(shí)用螺桿兩端的鎖緊螺母按要求對(duì)螺桿的長(zhǎng)度方向施加一定的拉力以調(diào)整螺桿正反螺母的反向緊度，原因是螺桿在運(yùn)行中溫升時(shí)，熱應(yīng)力效應(yīng)會(huì)使螺桿伸長(zhǎng)，使螺桿的長(zhǎng)度變得不穩(wěn)定。目的是為了有效消除該部件的彈性變量以期獲得平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)精度。否則在微量進(jìn)給時(shí)當(dāng)滑鞍或工作臺(tái)的阻尼力大于螺桿及螺母的彈性力矩時(shí)工作臺(tái)不發(fā)生位移，隨著不斷的進(jìn)給螺桿及螺母的累積彈性力矩超過(guò)工作臺(tái)阻尼力矩此時(shí)的工作臺(tái)產(chǎn)生沖動(dòng)位移。雖然總的進(jìn)給量可能不受影響、但實(shí)際的步數(shù)、每步的進(jìn)給量與控制器的輸出產(chǎn)生誤差，其后果是嚴(yán)重影響加工精度。過(guò)大的預(yù)拉會(huì)燒壞支撐軸承，在此建議采用小于5℃的預(yù)拉值，但若是滾珠螺桿的直徑超過(guò)50mm時(shí)不適合做預(yù)拉，螺桿直徑大就需要大的預(yù)拉力，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致軸承發(fā)熱而燒壞。因此建議以3℃的溫升做為補(bǔ)償值T的基準(zhǔn)（螺桿每1000mm，-0.02—— -0.03mm）。不同的應(yīng)用需要不同的T值，有關(guān)T值的取值請(qǐng)查閱產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)
七，滾珠螺桿安裝完后反向間隙的檢測(cè)
用手動(dòng)脈沖發(fā)生器移動(dòng)相關(guān)軸（X,Y,Z），（將手脈倍率定為1×100的擋位，即每變化一步，電機(jī)進(jìn)給0.1mm），配合千分表觀察相關(guān)軸的運(yùn)動(dòng)情況。在單向運(yùn)動(dòng)精度保持正常后作為起始點(diǎn)的正向運(yùn)動(dòng)，手脈每變化一步，機(jī)床該軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離d=d1=d2=d3…=0.1mm，說(shuō)明電機(jī)運(yùn)行良好，定位精度良好。而返回機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的變化上，可以分為四個(gè)階段：①機(jī)床運(yùn)動(dòng)距離d1＞d=0.1mm(斜率大于1);②表現(xiàn)出為d=0.1mm＞d2＞d3(斜率小于1)；③機(jī)床機(jī)構(gòu)實(shí)際未移動(dòng)，表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的反向間隙；④機(jī)床運(yùn)動(dòng)距離
與手脈給定值相等(斜率等于1)，恢復(fù)到機(jī)床的正常運(yùn)動(dòng)。
八，滾珠螺桿在應(yīng)用中的故障分析及排除
滾珠螺杠故障大部分是由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量下降、反向間隙過(guò)大、機(jī)械爬行、潤(rùn)滑不良等原因造成的。下表為滾珠螺桿常見(jiàn)故障以及診斷方法。
九，結(jié)束語(yǔ)：作為一名售后技術(shù)應(yīng)用工程師，我們既要有扎實(shí)的綜合知識(shí)，又要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在滾珠螺桿安裝，調(diào)試，檢測(cè)和故障分析排除時(shí)要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮。另外，和技術(shù)人員要相互交流，合作和相互支持。
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