滾珠絲杠的高速化應(yīng)用
摘要：自2008年11月日本Jimtof工具機(jī)展，高速化、高精度、復(fù)合式、低噪音、環(huán)保化和智能化等已經(jīng)成為近年來(lái)工具機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。其中高速化、高精度、低噪音等的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的進(jìn)給系統(tǒng)，因此滾珠絲杠的高速化應(yīng)用顯得重要。
此外，隨著為信息科技(IT)產(chǎn)業(yè)精密零組件的發(fā)展，節(jié)能、精密、控制穩(wěn)定與潔凈等已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。而滾珠絲杠具有高機(jī)械效率及負(fù)荷的性能，因此以伺服馬達(dá)和滾珠絲杠作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全電伺服式射出成形機(jī)將逐漸取代傳統(tǒng)油壓式的塑料射出成形機(jī)的趨勢(shì)，也突顯出滾珠絲杠高負(fù)載應(yīng)的重要性。
關(guān)鍵詞：DmN值、高速絲杠、溫升、噪音、潤(rùn)滑。
滾珠絲杠的高速化應(yīng)用
進(jìn)給系統(tǒng)的高速化一直是各設(shè)備業(yè)者追求的目標(biāo)，因此滾珠絲杠的高速設(shè)計(jì)更為重要。滾珠絲杠的高速設(shè)計(jì)需考慮以下的因素：
1、DmN值的問(wèn)題：
以絲杠外徑32mm、導(dǎo)程12mm的滾珠絲杠而言，若要達(dá)到60m/min的高進(jìn)給速度，絲杠的高轉(zhuǎn)速則需達(dá)到5000rpm，因此DmN值接近160,000，此時(shí)滾珠絲杠的循環(huán)裝置的選用非常重要。例如果采用端塞式循環(huán)(上銀科技的Super
S系列)，鋼珠進(jìn)入與出口的設(shè)計(jì)皆采切線的方式，大量降低鋼珠對(duì)循環(huán)裝置的撞擊，才能達(dá)到DmN值220,000的要求。
2、溫升的問(wèn)題：
滾珠絲杠的發(fā)熱量與放熱量皆與轉(zhuǎn)速有關(guān)聯(lián)，溫升與轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系約為0.5次方，轉(zhuǎn)速越低滾珠絲杠的發(fā)熱量越小，因此于高速化的使用需求上，加大導(dǎo)程的方式要比加快馬達(dá)轉(zhuǎn)速的方式要來(lái)得有效。滾珠絲杠之溫升計(jì)算公式如下：
其中：
θ：溫度上升值（℃）。
Q：每單位時(shí)間的發(fā)熱量（kcal/hr）
β：?jiǎn)挝粫r(shí)間溫差的散熱量(kcal/hr℃)
n：轉(zhuǎn)速(rpm)
J：熱功當(dāng)量(427kgf-m/kcal)
T：摩擦扭矩(kg-cm)
K：摩擦系數(shù)(0.1~0.2)
：預(yù)壓力(kgf)
l：導(dǎo)程(mm)
：軸向力(kgf)
：機(jī)械效率(0.9~0.95)
ａ：鋼的傳導(dǎo)率(38)
A：放熱面積( )、A=π×絲杠外徑×螺紋長(zhǎng)度
CM：熱容量(kcal/℃)、CM=鋼的比熱×鋼的密度×絲杠體積=鋼的比熱×絲杠質(zhì)量
鋼的比熱(0.11kcal/kg℃)、鋼的密度(0.00785kg/ )
t：時(shí)間(hr)
當(dāng)式中的時(shí)間項(xiàng)t越大時(shí)，θ接近滾珠絲杠的溫升飽和值。一般絲杠的材質(zhì)為50CrMo4或SCM445，其熱膨脹系數(shù)約為11.6×10-6，若將上述溫升計(jì)算式所得的溫升值代入上述的公式即可獲得絲杠的熱變形量。
為了降低滾珠絲杠在高速時(shí)所產(chǎn)生的熱變位情況，可采用強(qiáng)制冷卻的方式。一般分為外部冷卻式以及內(nèi)部冷卻式兩種，外部冷卻式采用油霧的方式來(lái)降低絲杠的溫度，而內(nèi)部冷卻的方式有絲杠中空冷卻和螺帽冷卻。
3、噪音的問(wèn)題：
滾珠絲杠噪音的來(lái)源大概可分為鋼珠與鋼珠之間的撞擊、鋼珠與循環(huán)裝置的撞擊以及鋼珠與螺帽和絲杠之螺紋溝的滾動(dòng)摩擦聲音等三種。其中鋼珠與鋼珠之間的撞擊以及鋼珠與循環(huán)裝置的撞擊聲音很大，可藉由回流組件的選用。
靜音式滾珠絲杠的特色是在鋼珠與鋼珠之間置入工程塑料材質(zhì)的間格子，由于工程塑料材質(zhì)具有較鋼珠低的硬度以及良好的阻尼效果，如此不但可以消除鋼珠與鋼珠之間的碰撞聲音，亦可避免鋼珠與鋼珠之間的相互摩擦而讓滾珠絲杠的預(yù)壓扭力更平穩(wěn)。
4、潤(rùn)滑的問(wèn)題：
滾珠絲杠常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂二種，由圖14的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)此二種潤(rùn)滑劑的種類和黏度的選用皆會(huì)影響滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫升情況，而采用較低黏度的潤(rùn)滑油可以得到較低的溫升。然而當(dāng)滾珠絲杠須承受較高的軸向負(fù)載時(shí)，過(guò)低的潤(rùn)滑油黏度會(huì)造成油膜形成的阻礙，導(dǎo)致邊界潤(rùn)滑而使金屬接口相互接觸摩擦、磨耗，造成更高的溫升。因此潤(rùn)滑油黏度的選用非常重要，在不同的環(huán)境溫度和負(fù)荷情況下皆有不同的建議。
此外，潤(rùn)滑周期和量也非常重要。潤(rùn)滑油的給油周期建議以少量多餐的模式，圖15為上銀科技公司進(jìn)行潤(rùn)滑油的給油周期對(duì)噪音的影響測(cè)試結(jié)果。當(dāng)滾珠絲杠的規(guī)格為R32-10B1-OFSW-680-929-0.018，絲杠轉(zhuǎn)速為1000rpm的條件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑15分鐘后若未進(jìn)行給油，噪音值會(huì)上升。因此對(duì)于滾珠絲杠的注油率(Q)公式建議為：
其中d為絲杠外徑(mm)
潤(rùn)滑脂的使用建議則為每100km (或3~6個(gè)月)填充一次，填充量為30~50%之絲杠與螺帽之間的空間(需扣除滾珠所占的空間)。
表一 精密滾珠絲杠精度表(1)
表二 滾珠絲杠國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)(1)
本文公式摘自HIWIN絲杠培訓(xùn)資料。
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