滚珠丝杠的发展与应用数控专业毕业论文.doc

毕 业 论 文题 目 滚珠丝杠的发展与应用 专 业 数控加工与维护工程 班 级 学 生 指导教师 西安工业大学函授部二 0 0 九 年摘 要丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质分类：滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等； 滚珠丝杠螺母副，广泛用于中、高档数控机床； 静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床、重型机床。鉴于滚珠丝杠螺母副在数控机床中使用的广泛性，本段将进行较详细的讨论。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。可根据用途选择适当类型。丝杠有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从c0-c7的6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠（精度分为从c7-c10的3个等级）。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠。作为滚珠丝杠的周边零配件，在使用上所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、 定位精度高、 传动可逆性、使用寿命长、同步性能好 在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递，这一传动方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到90%以上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。关键词：进给传动系统 滚珠丝杠副 滚珠循环方式 滚珠丝杠螺母副结构原理21目 录第一章 概述1.1滚珠丝杠副的发展41.1.1 滚珠丝杠副的种类41.1.2 滚珠丝杠副结构51.1.3 滚珠丝杠副精度51.1.4 滚珠丝杠副性能61.2滚珠丝杠螺母副发展所遇到的问题71.2.1精密滚珠丝杠副实现高速化要解决的主要矛盾71.2.2产品结构创新是实现高速化的基础71.2.3提高工艺水平和制造质量是高速化的关键9第二章 滚珠丝杠螺母副的结构原理与维护2.1滚珠丝杠螺母副的工作原理102.1.1滚珠丝杠螺母副的工作原理102.1.2滚珠丝杆螺母副的消隙102.2两种滚珠循环方式的工作原理112.2.1滚珠内循环方式112.2.2外循环方式122.3滚珠丝杠副的常见故障及排除方法122.3.1滚珠丝杠螺母副的维护132.3.2故障现象故障原因132.4滚珠丝杠副的安装132.4.1滚珠丝杠副的安装132.4.2滚珠丝杠副的防护和润滑142.4.3滚珠丝杠副在高速数控机床上的应用14总 结致 谢参考文献第一章 概述1.1滚珠丝杠副的发展早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的warner-beaver公司、gmsaginaw公司；英国的rotax公司；日本的nsk公司、tsubaki公司等。我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。40多年来，由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。滚珠丝杠副的发展主要在以下几方面。 1.1.1 滚珠丝杠副的种类由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d012mm，导程ph=0.52.5 mm的微型滚珠丝杠副。日本nsk公司已开发出公称直径d0=4mm，导程ph=0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。日本nsk公司已开发出公称直径导程为：15mm40mm、16mm50mm、20mm60mm、25mm80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达180m/min。 滚珠丝杠副按照常规分类如图1。 现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则进行分类的，普通滚珠丝杠副一般指公称直径d0=16100mm，导程ph=420mm，螺旋升角9。 微型滚珠丝杠副指公称直径d012mm的滚珠丝杠副。对于导程ph3mm的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副，螺旋升角9的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。大导程滚珠丝杠副指公称直径d016mm，螺旋升角179或导程d0phd0的滚珠丝杠副，对于螺旋升角17称为超大导程滚珠丝杠副。 重型滚珠丝杠副指公称直径d0125mm的滚珠丝杠副。 1.1.2 滚珠丝杠副结构滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和外循环结构(以插管为代表)两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有(图2，附表)：内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。 内循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形就是圆形和椭圆形。由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构。现在，最好的反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶，类似外循环结构，因此，消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。但由于制造工艺较复杂，影响了这种结构的推广。附表 滚珠丝杠副结构特点比较种类特点循环圈数螺母尺寸圈数列数内循环结构通过反向器组成滚珠循环回路，每一个反向器组成1圈滚珠链。因此承载小。适应于微型滚珠丝杠副与普通滚珠丝杠副。12列以上小外循环结构通过插管组成滚珠循环回路，每一个插管至少1.5圈滚珠链，因此，承载大。适应于小导程、一般导程、大导程与重型滚珠丝杠副。1.5以上1列以上大端盖结构通过螺母两端的端盖组成滚珠循环回路，每个回路至少1圈滚珠链，承载大。适应于多头大导程、超大导程滚珠丝杠副。1以上2列以上小盖板结构通过盖板组成滚珠循环回路，每个螺母一个盖板，每个盖板组成至少1.5圈滚珠链。适应于微型滚珠丝杠副。1.5以上1中1.1.3 滚珠丝杠副精度过去，为了获得高的定位精度，主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现，因此，对滚珠丝杠的导程累积误差要求很高，给滚珠丝杠副的制造带来困难，使滚珠丝杠副的生产成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副，只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床加工才能达到。随着科学技术的不断发展，人们掌握了数控补偿技术，因而，不需要很高精度的滚珠丝杠副，也能获得高的定位精度。为了适应数控补偿技术的要求，国际标准iso3408-3-1992以及部颁标准jb3162.2-92都对滚珠丝杠副的行程变动量作了要求，如有效行程内行程变动量、任意300mm行程内行程变动量、2弧度内行程变动量。其目的就是要控制滚珠丝杠副行程误差的直线性，也即滚珠丝杠副行程误差线性化。为数控误差补偿创造条件。 1.1.4 滚珠丝杠副性能随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量，不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同，因此，滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。国际标准iso340831992以及部颁标准jb3162.292规定了在转速为100r/min时，滚珠丝杠副预紧转矩的允差。 由于存在加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝杠、螺母的导程误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接影响驱动系统的平稳性，因而也影响滚珠丝杠副的定位精度。因此，滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要指标。近几年来，人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开始重视起来，以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线。因为有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来。 为了满足上述要求，北京机床研究所先后研制了滚珠丝杠副综合行程误差测量仪和预紧转矩测量仪。应用现代化的测量手段和高精度的传感器，在测量过程中能实时显示行程误差曲线和预紧转矩曲线，并打印出完整的测量报告，为衡量滚珠丝杠副的总成质量，提供了可靠的检测手段。 随着数控机床的发展，“高速、高效”成为各厂家追求的目标，对于高速驱动与定位部件，国外已有直线电动机问世，开始用于加工中心，快速进给速度达到160m/min以上，加速度达4g以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点，在近一段时间很难得到普及。滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优先选择，国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。为了达到高速驱动目的，设计时在提高电动机转速(电动机最高转速可达4000r/min)的同时，使用大导程滚珠丝杠副，导程可达32mm。如日本马扎克公司在ff660机床上使用滚珠丝杠副，机床快速移动速度达90m/min，加速度达1.5g。 从前，担心大导程滚珠丝杠副驱动对加工中心精度的影响，设计时取导程ph10mm。随着科学技术的进步，从1999年日本国际机床展览会上可看出，设计与研究现在大部分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内在质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。 总之，随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化，促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种，以满足用户的需求。1.2滚珠丝杠螺母副发展所遇到的问早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的warner-beaver公司、gmsaginaw公司；英国的rotax公司；日本的nsk公司、tsubaki公司等。我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。40多年来，由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。汽车工业、航空航天工业的发展对轻合金的高速切削加工越来越重视，加工中心、工业机器人、cnc锻压机械、fms及各类数控机床和自动化机械的进给驱动速度不断提高。以加工中心为例，工作台的移动速度在80年代仅为1520m/min、加速度0.5g左右，90年代中前期为3050m/min，加速度1g左右，到90年代后期已达6080时min，加速度1.5g以上，并向更高速度推进。作为伺服进给驱动系统中的重要执行机构滚珠丝杠副，因具有高效快速、节省能源、零间隙高刚度传动、跟随灵敏、不污染环境且对周边环境的适应性强等特点，始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。为适应高速切削加工的要求，在满足定位精度的同时，如何进一步提高进给速度和加(减)速度成为业内人士当前关注的焦点。笔者研究了有关文献并结合多年的亲身经历，提出一些想法供同仁参考。 1.2.1精密滚珠丝杠副实现高速化要解决的主要矛盾本人认为，在精度、线速度、加(减)速度都要兼顾的情况下，需要解决以下问题。 滚珠丝杠副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速nc。nc与丝杠的材质、螺纹小径、两端支承方式、支承间距等因素有关。随着科学技术的发展，nc值也在不断提高。 滚珠在螺纹滚道和返向装置中既通畅又可靠地循环滚动的安全转速，可用类似轴承的d0n值表示(d0为滚珠丝杠的名义直径，n为丝杠转速)。要实现高速化，必须通过改进滚珠螺母返向装置、提高制造精度、安装精度和支承刚度来提高d0n值。现在d0n值已由70000提高到150000。 要解决高速化带来的噪声、温升与热变形。据有关试验表明:当未采取减噪、减振措施时，滚珠丝杠转速每增加1000r/min，噪声增高45db(a)，滚珠螺母的温度升高56。 以上三点说明:只用增加丝杠的转速来提高进给驱动速度是不明智的。为了改善滚珠丝杠副的加(减)速度特性，提高对运动指令的快速跟踪能力，必须提高滚珠丝杠轴系的系统刚度和丝杠副的轴向刚度，减小起动和停止瞬间弹性变形。 要解决滚珠丝杠副及周边元件在高速运行中的可靠性。1.2.2产品结构创新是实现高速化的基础 适度增大滚珠丝杠副的导程pn和螺纹头数是实现高速化的最佳选择。我国早在1989年就完成了大导程滚珠丝杠副的“七五”攻关，螺旋升角为f917的大导程滚珠丝杠副已能批量生产。但是由于螺纹磨床传动链误差“基因”的遗传，导程越大，导程精度越难提高。因此，兼顾精度的需求，导程pn的增大要适度，例如名义直径与导程的匹配d0pn以40mm20mm，50mm25mm，50mm30mm等为宜，线速度均可达到60m/min以上。而采用双头螺纹是为了增加滚珠的有效承载圈数，从而提高丝杠副的刚度和承载能力，提高滚珠螺母在高速运行中的平稳性。虽然超大导程滚珠丝杠副(f17)可以获得更高的线速度，但它很难满足精度和加(减)速度的要求。 空心强冷。在高速运转时丝杠轴的热变形是加工误差的来源之一。同时为了提高系统刚性对丝杠轴预拉伸也会产生热量。解决发热问题的有效办法是将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却。空心丝杠轴还有助于减小高速运转时的惯性，增加丝杠轴的扭曲刚度。北京机床研究所曾于1997年与成都工具研究所合作，完成大型空心滚珠丝杠的深孔加工，并从中摸索出合金钢精密深孔工艺的经验，可在高速滚珠丝杠生产中推广应用。 si3n4陶瓷与gcr15轴承钢物理性能对比表滚动体材料硬度 hrc密度 g/cm2弹性模量 n/mm2热膨胀系数 10-6热导率 w/(mk) gcr1562647.852.110512.441.8750.24 si3n4783.23.21053.429.31 在滚珠上做足文章。在高速运动时，滚珠的自旋速度、公转速度、离心力、陀螺力矩都很大，滚珠相互间的撞击、进出反向机构时的瞬间冲击力也很大。解决这个问题有四个办法:通过对滚珠链优化计算，适当减小滚珠直径;采用空心钢球;将滚珠链中的滚珠按一大一小间隔排列;采用si3n4氮化硅陶瓷球。 从上表可看出：si3n4热压氮化硅陶瓷球具有硬度高、密度小(不到钢球的一半)、弹性模量大、热膨胀系数小、磨损慢和寿命高等特点，在高速运转时可大大减小滚珠的离心力(见下图)和进出反向机构的冲击力，由于滚动体的旋滚比(v自旋/(v滚动)减小，使自旋运动引起的滑移摩擦减少，从而降低丝杠副的噪声和温升，使d0n值得到提高。我国洛阳轴承研究所和山东工业陶瓷研究院等单位在“八五”期间就开展了陶瓷球和混合轴承的研究，深圳南玻结构陶瓷公司已能生产3级精度的陶瓷球。图1陶瓷球在滚动轴承中减小离心载荷的对比试验(skf资料) 改进滚珠螺母结构。包括三个方面:改进预加负荷的方式，对预紧力fp实施动态控制。在高速运转时为保持滚珠丝杠副在全行程范围内刚度和精度不发生变化，必须使fp不丢失，动态预紧转矩tp恒定。国外研制出一种可在工作过程中连续自动调节预紧力的装置。该装置包括调节器(压电陶瓷)和传感器，将其配置在双螺母之间，当预紧力fp在工作中发生变化时(丝杠中径的不一致性也会导致fp变化)，由传感器发出信号，利用cnc控制系统发出指令通过调节器的膨胀和压缩对预紧力进行适时补偿。国内华东理工大学曾在1990年前研制出pvf2压电薄膜预紧力传感器，可对预紧力直接测量。滚珠在进出反向机构时会重复产生布里涅耳(brinell)效应，即布氏撞击耗损，在高速时这种重复撞击尤为明显，并伴有噪声。因此应针对高速的要求对循环反向机构进行优化设计。在这方面的工作包括:内循环反向结构及回珠槽曲线参数的优化；采用高含油、高密度纤维减摩材料使滚珠在循环时“软着陆”；外循环导珠管采用高强度厚壁优质合金材料、加大曲率半径、对管壁和管舌实施强化处理；反向器和导珠管在滚珠螺母体上的坐标位置优化布局等。其它减振减噪措施有：在滚珠螺母体周边配置防噪声套管；外插管的固定采用高强度工程塑料并将导珠管外露部分全部复盖；在丝杠轴行程端部配置缓冲减振器等。 对滚珠丝杠副实施双电动机驱动。用一个伺服电动机驱动滚珠丝杠轴。另一个伺服电动机以相反方向驱动由轴承支撑的滚珠螺母，这样在不增加丝杠转速的情况下，工作台的进给速度几乎可提高一倍。 当丝杠行程很长时，可将“丝杠转动螺母移动”的丝杠驱动方式改为“丝杠固定，螺母一边转动一边移动”的螺母驱动方式。其好处在于消除了临界转速nc的限制，避免了长丝杠在高速转动时产生的一系列令人烦脑的问题。 采用pvd涂层改善滚珠丝杠副的摩擦特性。据有关文献介绍，在螺纹滚道、滚珠反向通道、钢球表面采用pvd涂层可使高速运转时的摩擦力矩降低10%左右，并明显减少钢球在非纯滚动的“滑移”过程中对螺纹滚道的擦伤，降低温升，提高运动的平稳性，延长使用寿命。当采用导程pa=40mm时，移动线速度可达120m/min。 1.2.3提高工艺水平和制造质量是高速化的关键 生产流程中的关键工序实现cnc化，包括cnc车削中心、cnc丝杠磨床、cnc内螺纹磨削中心、cnc中频淬火设备等。cnc丝杠磨床不但可获得很高的导程精度、双头螺纹的分度精度，还可自动补偿由于砂轮磨损导致丝杠中径尺寸的变化，而这恰恰是高速传动要求全行程内预紧力矩和刚度稳定所需要的。在cnc内螺纹磨削中心上滚珠螺母一次安装完成内螺纹滚道和装配基面的精磨，这将大大提高丝杠副在主机上的安装精度，使高速传动更加平稳。 采用cnc砂轮修正器或金刚滚轮可对大螺旋升角的双圆弧齿形进行矫正，可获得高精度的滚道截形，使滚珠与滚道的适应度fr处于最佳状态，从而提高接触刚度，改善滚珠在快速滚动时的流畅性。如果再对螺纹滚道抛光或超精研抛，滚道表面粗糙度可达尺ra0.040.08m，滚珠与滚道的吻合度可提高20%左右，可大大降低高速运行时的噪声，增加疲劳强度。 为了确保高速运行时的安全和可靠性，要从冷热工艺入手严格控制产品的内在质量，首先要严格控制原材料的品质，其次要在冷热加工的全过程实施“小变形无裂纹”工艺。采用cnc中频淬火工艺既能达到硬度和硬化层深度的要求，还可减少淬火过程中的弯曲和轴向变形，使丝杠全长上硬度均布。对滚珠螺母实施光亮(真空)淬火不但可减小变形、避免淬裂倾向，还能改善硬化层的质量，提高疲劳寿命。 对于空心滚珠丝杠，采用bat内排屑深孔钻和df双喷油深孔钻系统，能够满足高速滚珠丝杠对深孔的直线度、粗糙度以及与外圆同轴度的要求。 为提高滚珠丝杠副的初始接触刚度，避免在工作中预紧力丢失，高速滚珠丝杠副在零件装配后的加载跑合应比一般产品要求更严格，跑合时间应更长。 滚珠丝杠副的功能从最初的“敏捷省能传动”到“精密定位”，再从“大导程高速驱动”到“精密高速型”，是产品升级换代质的飞跃。在线性伺服高速驱动领域中，当对性能价格比、切削加工时间与空行程时间的比例、加减速出现的频率等进行综合分析后，考虑到节能和环保，人们更加关注精密高速滚珠丝杠副的发展。第二章 进给传动系统滚珠丝杠螺母副2.1滚珠丝杠螺母副的工作原理2.1.1滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的结构原理图组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点：传动效率高：机械效率可高达92%98%。 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。2.1.2滚珠丝杆螺母副的消隙（1）双螺母垫片调隙：修磨垫片厚度消隙 滚珠丝杆螺母副采用双螺母结构（类似于齿轮副中的双薄片齿轮结构）。通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合。当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随cnc的运动指令反向而不会出现滞后。 (2)双螺母螺纹调隙：(3)用锁紧螺母消隙(4)差齿式调整法 图示为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时，正是由于平键限制了工作螺母的转动，才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母轴向移动。间隙调整好后，对拧两锁紧螺母即可。结构紧凑，工作可靠，应用较广。 双螺母齿差调隙： 两个工作螺母的凸缘上分别切出齿数为z1、z2的齿轮，且z1、z2相差一个齿，即： z2-z1=1，两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合，内齿圈紧固在螺母座上。 设其中的一个螺母z1转过一个齿时，丝杆的轴向移动量为s1，则有： z1:1=t:s1 则s1=t/z1如果两个齿轮同方向各转过一个齿，则丝杆的轴向位移为：s=s1-s2=t/z1-t/z2=t/z1z22.2两种滚珠循环方式的工作原理丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。滚珠循环方式 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。滚珠丝杠螺母副的每个循环称为一列，每个导程称为一圈。2.2.1滚珠内循环方式它采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2，反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保持对准螺纹滚道方向。在一个螺母上沿螺纹周向错开120，轴向错开 （t为导程），装三个反向器，形成三圈滚珠循环。内循环螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，反回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。 内循环的工作圈数是3列。 滚珠内循环 2.2.2外循环方式这种结构是在螺母体上轴向相隔2.5圈或3.5圈螺纹处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口。再用弧形铜管插入进口和出口内，形成滚珠返回通道，由弯管的端部来引导滚珠；这种弯管由两半合成，采用冲压件，工艺性好。外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸较大，因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损，噪音较大。外循环的工作圈数是2.5圈或3.5圈 ，12列。 滚珠外循环2.3滚珠丝杠副的常见故障及排除方法表8-2滚珠丝杠副的常见故障及排除方法序号故障现象故障原因排除方法1 滚珠丝杠副噪声 丝杠支承轴承的压盖压合情况不好调整轴承压盖，使其压紧轴承端面 丝杠支承轴承可能破裂如轴承破损，更换新轴承 电动机与丝杠联轴器松动拧紧联轴器锁紧螺钉 丝杠润滑不良改善润滑条件，使润滑油量充足 滚珠丝杠副滚珠有破损更换新滚珠2滚珠丝杠运动不灵活 轴向预加载荷太大调整轴向间隙和预加载荷 丝杠与导轨不平行调整丝杠支座位置，使丝杠与导轨平行 螺母轴线与导轨不平行调整螺母座的位置 丝杠弯曲变形调整丝杠3滚珠丝杠润滑状况不良检查各丝杠副润滑用润滑脂润滑的丝杠，需移动工作台，取下罩套，涂上润滑脂2.3.1滚珠丝杠螺母副的维护（1.轴向间隙的调整保证反向传动精度和轴向刚度(垫片调隙式,螺纹调隙式,齿差调隙式)（2.支承轴承的定期检查定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及轴承是否损坏滚珠丝杠螺母副的维护（3.滚珠丝杠副的润滑润滑剂(油/脂)可提高耐磨性和传动效率(工作前/半年)（4.滚珠丝杠的防护防止硬质灰尘或切屑污物的进入,可采用防护罩或防护套管等滚珠丝杠螺母副的故障诊断2.3.2故障现象 故障原因（1.噪声大丝杠支承轴承损坏或压盖压合不好,联轴器松动,润滑不良或丝杠副滚珠有破损（2. 丝杠运动轴向预紧太大,丝杠或螺母不灵活线与导轨不平行,丝杠弯曲 滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内在质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。总之，随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化，促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种，以满足用户的需求2.4滚珠丝杠副的安装 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多种结构型式。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。 按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。 滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统。在重型数控机床的短行程(6m以下)进给系统中也常被采用。2.4.1滚珠丝杠副的安装 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。近年来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到60，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。 滚珠丝杠副安装方式通常有以下几种：(1)双推一自由方式 如图8-8a所示，丝杠一端固定，端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠。 (2)双推一支承方式 如图8-8b所示，丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。 （3)双推一双推方式 如图8-8c所示，丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。(4)采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式 如图8-8d所示，此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动： 由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。此种方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形。2.4.2滚珠丝杠副的防护和润滑 (1)滚珠丝杠副的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。 (2)滚珠丝杠副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油：润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。2.4.3滚珠丝杠副在高速数控机床上的应用高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天航空、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。为了实现高速加工，首先要有高速数控机床。高速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。为了实现高速进给，国内外有关制造厂商不断采取措施，提高滚珠丝杠的高速性能。主要措施有：1)适当加大丝杠的转速、导程和螺纹头数。目前常用大导程滚珠丝杠名义直径与导程的匹配为：40mm20mm，50mm25mm，50mm30mm等，其进给速度均可达到60m/min以上。为了提高滚珠丝杠的刚度和承载能力，大导程滚珠丝杠 一般采用双头螺纹，以提高滚珠的有效承载圈数。 2)改进结构，提高滚珠运动的流畅性。改进滚珠循环反向装置，优化回珠槽的曲线参数，采用三维造型的导珠管和回珠器，真正做到沿着内螺纹的导程角方向将滚珠引进螺母体中，使滚珠运动的方向与滚道相切而不是相交。这样可把冲击损耗和噪声减至最小。 3)采用“空心强冷”技术。高速滚珠丝杠在运行时由于摩擦产生高温，造成丝杠的热变形，直接影响高速机床的加工精度。采用“空心强冷”技术，就是将恒温切削液通入空心丝杠的孔中，对滚珠丝杠进行强制冷却，保持滚珠副温度的恒定。这个措施是提高中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度的有效途径。 4)对于大行程的高速进给系统，可采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式。此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动，由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。 5)进一步提高滚珠丝杠的制造质量。通过采用上述种种措施后，可在一定程度上克服传统滚珠丝杠存在的一些问题。日本和瑞士在滚珠丝杠高速化方面一直处于国际领先地位，其最大快速移动速度可达60m/min，个别情况下甚至可达90m/min，加速度可达15m/s2。由于滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本较低，因此在中等载荷、进给速度要求并不十分高、行程范围不太大(小于45m)的一般高速加工中心和其他经济型高速数控机床上仍然经常被采用。总 结滚珠丝杠副是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。可根据用途选择适当类型。滚珠丝杠螺母副的特点1传动效率高达85%98%，是普通滑动丝杠的24倍，2摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小，采用它是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一；3传动精度高，可消除传动间隙，实现无间隙传动；由于效率高，无自锁能力，故对于垂直使用的情况，应增加自锁装置。4动力更省驱动力矩仅为滑动丝杠副的1/3，具有较高的运动效率，可以更加省电。5、高精度的保证滚珠丝杠副都是由高水平的机械设备连贯生产出来的，制作精度更高。6、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。7、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。8、高速进给滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给(运动) 。由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。致 谢论文能顺利完成，是因为在设计当中我得到了许多人的帮助。首先非常感谢我的指导教师汪华娟。从课题的选取、研究、到总体设计的结束。她都帮助我解决了不少困难。为了我们的毕业设计，她到处给我们找资料，鼓气。在设计中我遇到的一个大问题就是没有设计电脑，汪老师就把学校的设备给我们拿出来搞设计。我羡慕汪老师，为了带我们毕业生搞设计，她天天都要学习。每个学生的课题不一样，但是他对每一个课题都要有独到的见解。她平易近人，鼓励我们积极的投入到设计中。随时监导我们的设计。在此，我向你表示我真诚的谢意！工程实训中心的许多老师从设计的开始到我们的毕业论文的结束，教我们的机床操作。在设计中还有帮助我的身边同学。在此，我感谢帮助我的人。当然还有我的父母。10多年的默默辛劳，我要对你们说：“你们的付出是伟大的，你们的付出没有白费，因为我很争气。”感谢我的老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢我的老师，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室. 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1许镇宇.机械零件.北京：高等教育出版社，1983；2孔庆复.计算机辅助设计与制造.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994；3雷宏.机械工程基础.哈尔滨：黑龙江出版社 2002；4王中发.实用机械设计.北京：北京理工大学出版社 1998；5 唐宗军.机械制造基础.大连：机械工业出版社 1997；6吴祖育，秦鹏飞.数控机床.上海：上海科学技术出版社 2003；7许翔泰，刘艳芳. 数控加工编程实用技术.北京：机械工业出版社2000；8吴明友.数控机床加工技术 东南大学出版社.江苏：2000；9王宝成.现代数控机床.天津：天津科学技术出版社，2000；10廖效果，朱启俅.数字控制机床.江西：华中科技大学出版社，2002；11王卫兵.数控编程100例.机械工业出版社，2004；12张树森.机械工程学.辽宁；东北大学出版社，2001；13应云天.俄文翻译手册.北京：高等教育出版社，1999；14金蓓.数控加工的编程技巧.航空精密制造技术.成都：2002，2；15 邓星钟. 机电传动控制(第三版). 武汉: 华中科技大学出版社, 2001付：外文翻译 电火花加工 电火花加工法对加工超韧性的导电材料（如新的太空合金）特别有价值。这些金属很难用常规方法加工，用常规的切削刀具不可能加工极其复杂的形状，电火花加工使之变得相对简单了。在金属切削工业中，这种加工方法正不断寻找新的应用领域。塑料工业已广泛使用这种方法，如在钢制模具上加工几乎是任何形状的模腔。 电火花加工法是一种受控制的金属切削技术，它使用电火花切除（侵蚀）工件上的多余金属，工件在切削后的形状与刀具（电极）相反。切削刀具用导电材料（通常是碳）制造。电极形状与所需型腔想匹配。工件与电极都浸在不导电的液体里，这种液体通常是轻润滑油。它应当是点的不良导体或绝缘体。 用伺服机构是电极和工件间的保持0.00050.001英寸（0.010.02mm）的间隙，以阻止他们相互接触。频率为20000hz左右的低电压大电流的直流电加到电极上，这些电脉冲引起火花，跳过电极与工件的见的不导电的液体间隙。在火花冲击的局部区域，产生了大量的热量，金属融化了，从工件表面喷出融化金属的小粒子。不断循环着的不导电的液体，将侵蚀下来的金属粒子带走，同时也有助于驱散火花产生的热量。 在最近几年，电火花加工的主要进步是降低了它加工后的表面粗糙度。用低的金属切除率时，表面粗糙度可达24vin.(0.050.10vin)。用高的金属切除率如高达15in3/h(245.8cm3/h)时，表面粗糙度为1000vin.(25vm)。 需要的表面粗糙度的类型，决定了能使用的安培数,电容,频率和电压值。快速切除金属（粗切削）时，用大电流,低频率,高电容和最小的间隙电压。缓慢切除金属（精切削）和需获得高的表面光洁度时，用小电流,高频率,低电容和最高的间隙电压。 与常规机加工方法相比，电火花加工有许多优点。 1 . 不论硬度高低，只要是导电材料都能对其进行切削。对用常规方法极难切削的硬质合金和超韧性的太空合金，电火化加工特别有价值。 2 . 工件可在淬火状态下加工，因克服了由淬火引起的变形问题。 3 . 很容易将断在工件中的丝锥和钻头除。 4 . 由于刀具（电极）从未与工件接触过，故工件中不会产生应