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HIWIN滾珠螺桿的應用技術

發布日期：2022-04-27 點擊率：81

摘要：羅升企業作為全球專業精密滾珠螺桿及線性傳動產品制造商-上銀（HIWIN）科技在大陸的推廣和銷售服務商，我們擁要有扎實的綜合知識，以及豐富的實踐經驗。并且具有在滾珠螺桿安裝，調試，檢測和故障分析排除時對問題進行綜合考慮的能力。
　　　文中闡述了滾珠螺桿在高速高精數控機床上的應用，并重點對滾珠螺桿在實際應用中的安裝，調試和檢測以及故障的分析排除做了介紹。
一，滾珠螺桿的介紹
　滾珠螺桿是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠螺桿副有多種結構型式。按滾珠循環方式分為外循環和內循環兩大類。外循環回珠器用插管式的較多，內循環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。
　　　按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。數控機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的1/3。
　　　滾珠螺桿與滑動桿螺母副比較有很多優點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。
二，滾珠螺桿在高速數控機床上的應用
高速加工是面向21世紀的一項高新技術，它以高效率、高精度和高表面質量為基本特征，在航天航空、汽車工業、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業中獲得了越來越廣泛的應用，并已取得了重大的技術經濟效益，是當代先進制造技術的重要組成部分。為了實現高速加工，首先要有高速數控機床。高速數控機床必須同時具有高速主軸系統和高速進給系統，才能實現材料切削過程的高速化。為了實現高速進給，國內外有關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)適當加大螺桿的轉速、導程和螺紋頭數。目前常用大導程滾珠螺桿名義直徑與導程的匹配為：40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等，其進給速度均可達到60m/min以上。為了提高滾珠絲桿的剛度和承載能力，大導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。
（2)改進結構，提高滾珠運動的流暢性。改進滾珠循環反向裝置，優化回珠槽的曲線參數，采用三維造型的導珠管和回珠器，真正做到沿著內螺紋的導程角方向將滾珠引進螺母體中，使滾珠運動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最小。
(3)采用“空心強冷”技術。高速滾珠螺桿在運行時由于摩擦產生高溫，造成螺桿的熱變形，直接影響高速機床的加工精度。采用“空心強冷”技術，就是將恒溫切削液通入空心絲桿的孔中，對滾珠螺桿進行強制冷卻，保持滾珠副溫度的恒定。這個措施是提高中、大型滾珠螺桿高速性能和工作精度的有效途徑。
(4)對于大行程的高速進給系統，可采用螺桿固定、螺母旋轉的傳動方式。此時，螺母一邊轉動、一邊沿固定的螺桿作軸向移動，由于絲桿不動，可避免受臨界轉速的限制，避免了細長滾珠螺桿高速運轉時出現的種種問題。螺母慣性小、運動靈活，可實現的轉速高。
(5)進一步提高滾珠螺桿的制造質量。通過采用上述種種措施后，可在一定程度上克服傳統滾珠螺桿存在的一些問題。其最大快速移動速度可達60m/min，個別情況下甚至可達90m/min，加速度可達15m/s2。由于滾珠螺桿歷史悠久、工藝成熟、應用廣泛、成本較低，因此在中等載荷、進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濟型高速數控機床上仍然經常被采用。
三，滾珠螺桿的安裝
　數控機床的進給系統要獲得較高的傳動剛度，除了加強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構剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支承座都應具有足夠的剛度和精度。通常都適當加大和機床結合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強度，新設計的機床在工藝條件允許時常常把螺母座或支承座與機床本體做成整體來增大剛度。
　為了提高支承的軸向剛度，選擇適當的滾動軸承也是十分重要的。國內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，其結構雖簡單，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熱而且增加了軸承支架的結構尺寸。近年來國內外的軸承生產廠家已生產出一種滾珠螺桿專用軸承，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，增加了滾珠的數目并相應減小滾珠的直徑。這種新結構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，產品成對出售，而且在出廠時已經選配好內外環的厚度，裝配時只要用螺母和端蓋將內環和外環壓緊，就能獲得出廠時已經調整好的預緊力。

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———優點：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：作用點間的距離較小，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，可以避免或減少螺桿因自重而出現的彎曲。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。
(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承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對螺桿施加適當的預拉力，提高螺桿支承剛度，可以部分補償螺桿的熱變形。其優點是：作用點間的距離較大，剛性較佳；缺點：較易受組合零件幾何精度影響。
(4)采用螺桿固定、螺母旋轉的傳動方式此時，螺母一邊轉動、一邊沿固定的螺桿作軸向移動：由于螺桿不動，可避免受臨界轉速的限制，避免了細長滾珠螺桿高速運轉時出現的種種問題。螺母慣性小、運動靈活，可實現的轉速高。此種方式可以對螺桿施加較大的預拉力，提高螺桿支承剛度，補償螺桿的熱變形。
四，滾珠螺桿螺母的防護和潤滑
(1)滾珠螺桿副的防護
　滾珠螺桿副和其它滾動摩擦的傳動器件一樣，應避免硬質灰塵或切屑污物進入，因此必須裝有防護裝置。如果滾珠螺桿副在機床上外露，則應采用封閉的防護罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的側面，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，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，它采用硬質塑料制成，其內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。工作中應避免碰擊防護裝置，防護裝置一有損壞應及時更換。
(2)滾珠螺桿副的潤滑
　潤滑劑可提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑油一般為全損耗系統用油：潤滑脂可采用鋰基潤滑脂，高速時，建議使用的潤滑油為40℃時的黏度指數范圍32～68 cSt (ISO VG 32～68)(DIN 51519)。低速時，建議使用的潤滑油為40℃時的黏度指數范圍在90 cSt (ISO VG 90)以上。潤滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內，而潤滑油則經過殼體上的油孔注入螺母的空間內。每半年對滾珠螺桿上的潤滑脂更換一次，清洗螺桿上的舊潤滑脂，涂上新的潤滑脂。用潤滑油潤滑的滾珠螺桿副，可在每次機床工作前加油一次或根據工作要求定時加油。
五，滾珠螺桿在使用時的注意事項
　滾珠螺桿為精密的機械零件組裝，所以在使用時需注意下列事項：
(1) 因為滾珠螺桿的摩擦很小，如果將沒有施加預壓（微預壓也一樣）的螺桿垂直放置時，螺母會因自重而從螺桿軸上脫落下來，所以垂直使用時，請千萬小心。如果螺母脫落螺桿，滾珠會脫落。另外，循環導管等滾珠循環部也有損壞的危險。若螺母從螺桿上脫落，請與售后技術人員聯絡。
(2) 因滾珠絲桿螺母的循環部（循環導管，端蓋等）突出在螺母的外部，請注意不可敲擊和碰撞。
(3) 請不要把徑向負荷，力矩負荷直接加到滾珠螺桿上。如果作用有徑向負荷，力矩負荷，會使螺桿的使用壽命極度降低或導致螺桿運轉不順暢。
(4) 將螺桿同其它機械零件組合安裝時，請不要把螺母從螺桿上取出。如果萬一必須分開時，請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，同時注意不要讓滾珠脫落。
（5）滾珠螺桿的螺紋溝槽是經過淬火和研磨加工的，如果將外部零部件強行打入螺桿軸或螺母邊沿時，滾動溝槽上會產生壓痕，所以安裝零部件時，請注意不要對螺桿或螺母施加過分外力。
（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，則會對滾珠螺桿產生過分的摩擦阻力，從而產生扭矩增大，發熱等現象。使滾珠螺桿出現早期的磨損，大大縮短其使用壽命。因此，安裝時一定要校正螺桿的“三點一線”。另外，安裝完后請一定要轉動螺桿，使螺母在螺桿的有效行程上移動，確認是否有干涉等異常現象。
（7）最好在螺桿兩端加裝防撞器，以避免運轉超過行程極限而損傷滾珠螺桿。
六，滾珠螺桿預拉的目的和預拉量。
　螺桿預拉就是在裝配時用螺桿兩端的鎖緊螺母按要求對螺桿的長度方向施加一定的拉力以調整螺桿正反螺母的反向緊度，原因是螺桿在運行中溫升時，熱應力效應會使螺桿伸長，使螺桿的長度變得不穩定。目的是為了有效消除該部件的彈性變量以期獲得平穩的運動精度。否則在微量進給時當滑鞍或工作臺的阻尼力大于螺桿及螺母的彈性力矩時工作臺不發生位移，隨著不斷的進給螺桿及螺母的累積彈性力矩超過工作臺阻尼力矩此時的工作臺產生沖動位移。雖然總的進給量可能不受影響、但實際的步數、每步的進給量與控制器的輸出產生誤差，其后果是嚴重影響加工精度。
　過大的預拉會燒壞支撐軸承，在此建議采用小于5℃的預拉值，但若是滾珠螺桿的直徑超過50mm時不適合做預拉，螺桿直徑大就需要大的預拉力，此時就會導致軸承發熱而燒壞。因此建議以3℃的溫升做為補償值T的基準（螺桿每1000mm，-0.02—— -0.03mm）。不同的應用需要不同的T值，有關T值的取值請查閱產品技術手冊。
七，滾珠螺桿安裝完后反向間隙的檢測
　用手動脈沖發生器移動相關軸（X,Y,Z），（將手脈倍率定為1×100的擋位，即每變化一步，電機進給0.1mm），配合千分表觀察相關軸的運動情況。在單向運動精度保持正常后作為起始點的正向運動，手脈每變化一步，機床該軸運動的實際距離d=d1=d2=d3…=0.1mm，說明電機運行良好，定位精度良好。而返回機床實際運動位移的變化上，可以分為四個階段：①機床運動距離d1＞d=0.1mm(斜率大于1);②表現出為d=0.1mm＞d2＞d3(斜率小于1)；③機床機構實際未移動，表現出最標準的反向間隙；④機床運動距離與手脈給定值相等(斜率等于1)，恢復到機床的正常運動。
八，滾珠螺桿在應用中的故障分析及排除
　滾珠螺杠故障大部分是由于運動質量下降、反向間隙過大、機械爬行、潤滑不良等原因造成的。

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