滚珠丝杆的应用技术

1、滚珠螺杆的应用技术天津罗升企业成都办技术：普世东摘要： 文中阐述了滚珠螺杆在高速高精数控机床上的应用，并重点对滚珠螺杆在实际应用中的安装， 调试和检测以及故障的分析排除做了介绍， 于便和同事们一起探讨， 也希望能 给我们的用户在应用中带来帮助。一、滚珠螺杆的介绍滚珠螺杆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。 滚珠螺杆副有多种结构型式。 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

2、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。滚珠螺杆与滑动杆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。二、滚珠螺杆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

3、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， 提高滚珠螺杆的高速性能。主要措施有：(1) 适当加大螺杆的转速、导程和螺纹头数。目前常用大导程滚珠螺杆名义直径与导程的匹配为：40mm x 20mm , 50mm x 25mm , 50mm x 30mm等，其进给速度均可达到 60m/min 以上。 为了提高滚珠丝杆的刚度和承载能力， 大导程滚珠螺杆一般采用双头螺纹， 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

4、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。高速滚珠螺杆在运行时由于摩擦产生高温，造成螺杆的热 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 丝杆的孔中，对滚珠螺杆进行强制冷却， 保持滚珠副温度的恒定。 这个措施是提高中、 大型 滚珠螺杆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，可采用螺杆固定、螺母旋转的传动方式。此时，螺母一边转动、 一边沿固定的螺杆作轴向移动，由于丝杆

5、不动，可避免受临界转速的限制，避免 了细长滚珠螺杆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) 进一步提高滚珠螺杆的制造质量。通过采用上述种种措施后，可在一定程度上克服 传统滚珠螺杆存在的一些问题。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 。由于滚珠螺杆历史悠久、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。三、滚珠螺杆的安装数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠螺杆螺母本身的刚

6、度之外， 滚珠螺杆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

7、 出一种滚珠螺杆专用轴承(如日本NSK德国FAG,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600,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。滚珠螺杆的安装方式通常有以下几种：(1) 双推一自由方式 丝杆一端固定，一端自由。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优点： 较易组装， 几何精度影响较小， 适用于短螺 杆和垂直螺

8、杆；缺点：作用点间的距离较小，刚性较差。(2) 双推一支承方式丝杆一端固定，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， 可以避免或减少螺杆因自重而出 现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。(3) 双推一双推方式丝杆两端均固定。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， 可以对螺杆施加适当的预拉力， 提高螺杆支承刚度， 可以部分补偿螺杆的热 变形。其优点是：作用点间的距离较大，刚性较佳；缺点：较易受组合零件几何精度影响。(4) 采用螺杆固定、螺母旋转的传动方式此时，螺母一边转动、一边沿固定的螺杆作轴向移动： 由于螺杆不动，

9、 可避免受临界转速的限制， 避免了细长滚珠螺杆高速运转时出现 的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。 此种方式可以对螺杆施加较大的预 拉力，提高螺杆支承刚度，补偿螺杆的热变形。四、滚珠螺杆螺母的防护和润滑(1) 滚珠螺杆副的防护滚珠螺杆副和其它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。 如果滚珠螺杆副在机床上外露， 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 一端固定在滚珠丝杆的支承座上。如果滚珠螺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

10、。 接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成， 其内孔做成与螺杆 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， 其内孔与螺杆螺纹滚道的 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) 滚珠螺杆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，高速时，建议使用的润滑油为40C时的黏度指数范围3268 cSt (ISO VG 32-68

11、)(DIN 51519)。低速时，建议使用的润滑油为 40C时的黏 度指数范围在 90 cSt (ISO VG 90以) 上。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。每半年对滚珠螺杆上的润滑脂更换一次， 清洗螺杆上的旧润滑脂， 涂上新的润滑脂。 用润滑油润滑的滚珠螺杆副， 可在每次机床工作 前加油一次或根据工作要求定时加油。五、滚珠螺杆在使用时的注意事项滚珠螺杆为精密的机械零件组装，所以在使用时需注意下列事项：(1) 因为滚珠螺杆的摩擦很小，如果将没有施加预压(微预压也一样)的螺杆垂直放 置时， 螺母会因自重而从螺杆轴上脱落下来， 所以垂直使

12、用时，请千万小心。如果螺母脱落 螺杆，滚珠会脱落。另外，循环导管等滚珠循环部也有损坏的危险。若螺母从螺杆上脱落， 请与售后技术人员联络。(2) 因滚珠丝杆螺母的循环部(循环导管，端盖等)突出在螺母的外部，请注意不可敲 击和碰撞。(3) 请不要把径向负荷，力矩负荷直接加到滚珠螺杆上。如果作用有径向负荷，力矩负 荷，会使螺杆的使用寿命极度降低或导致螺杆运转不顺畅。(4) 将螺杆同其它机械零件组合安装时，请不要把螺母从螺杆上取出。如果万一必须分 开时，请使用比螺杆沟槽低径小 1mm 的套管作为辅助制具，将螺母和滚珠一同取下，同时 注意不要让滚珠脱落。(5) 滚珠螺杆的螺纹沟槽是经过淬火和研磨加工的，

13、如果将外部零部件强行打入螺杆轴 或螺母边沿时， 滚动沟槽上会产生压痕， 所以安装零部件时， 请注意不要对螺杆或螺母施加 过分外力。(6) 如果滚珠螺杆两端的支撑中心轴线和螺母的中心不同心时，则会对滚珠螺杆产生过 分的摩擦阻力， 从而产生扭矩增大， 发热等现象。 使滚珠螺杆出现早期的磨损，大大缩短其 使用寿命。因此，安装时一定要校正螺杆的“三点一线” 。另外，安装完后请一定要转动螺 杆，使螺母在螺杆的有效行程上移动，确认是否有干涉等异常现象。(7) 最好在螺杆两端加装防撞器，以避免运转超过行程极限而损伤滚珠螺杆。六、滚珠螺杆预拉的目的和预拉量螺杆预拉就是在装配时用螺杆两端的锁紧螺母按要求对螺杆的

14、长度方向施加一定的拉力以调整螺杆正反螺母的反向紧度，原因是螺杆在运行中温升时，热应力效应会使螺杆伸长，使螺杆的长度变得不稳定。目的是为了有效消除该部件的弹性变量以期获得平稳的运动精 度。否则在微量进给时当滑鞍或工作台的阻尼力大于螺杆及螺母的弹性力矩时工作台不发生 位移，随着不断的进给螺杆及螺母的累积弹性力矩超过工作台阻尼力矩此时的工作台产生冲 动位移。虽然总的进给量可能不受影响、但实际的步数、每步的进给量与控制器的输出产生误差，其后果是严重影响加工精度。过大的预拉会烧坏支撑轴承，在此建议采用小于5C的预拉值，但若是滚珠螺杆的直径超过50mm时不适合做预拉，螺杆直径大就需要大的预拉力，此时就会导

15、致轴承发热而烧 坏。因此建议以 3C的温升做为补偿值 T的基准（螺杆每1000mm , -0.02 -0.03mm ）。 不同的应用需要不同的 T值，有关T值的取值请查阅产品技术手册。七、滚珠螺杆安装完后反向间隙的检测用手动脉冲发生器移动相关轴（X,YZ）,（将手脉倍率定为 1X 100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1mm ）,配合千分表观察相关轴的运动情况。在单向运动精度保持正常后作 为起始点的正向运动，手脉每变化一步，机床该轴运动的实际距离d=d仁d2=d3, =0.1mm ,说明电机运行良好，定位精度良好。而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段：机床运动距离 d1d=0.1

16、mm（斜率大于1）;表现出为d=0.1mm d2d3（斜率小于1）; 机床机构实际未移动，表现出最标准的反向间隙；机床运动距离与手脉给定值相等（斜率等于1），恢复到机床的正常运动。八、滚珠螺杆在应用中的故障分析及排除滚珠螺杠故障大部分是由于运动质量下降、反向间隙过大、机械爬行、润滑不良等原因造成的。下表为滚珠螺杆常见故障以及诊断方法。序 号故障现象故障原因排除方法1被加工件 粗糙度达 不到要求导轨的润滑油不足够，致使溜板爬行加润滑油，排除润滑故障滚珠螺杆有局部拉伤或磨损更换或维修螺杆螺杆支撑轴承损坏，运行不平稳且有 轻微的震动更换损坏轴承伺服电动机未调整好，增益过大调整伺服电动机控制系统2反向

17、间隙 超差，加 工精度不 稳定丝杆轴端联轴器锁紧锥套松动重新紧固各导轨面与贴塑面的接触染点不均 匀重新精密配铲，使接触面染点达80%以上,0.02mm赛尺不入为合格导轨压板楔形条配合过紧或过松重新调整或配铲，使接触面染点达80%以上，0.02mm赛尺不入滚珠丝杆螺母预紧力过紧或过松调整预紧力，检查轴向窜动值，使其误差不大于0.005mm滚珠丝杆螺母端面与结合面不垂直， 结合过松修理、调整和修配处理丝杆支撑座轴承预紧力过紧或过松修理调整滚珠螺杆制造误差大或轴向窜动用控制系统自动补偿能消除间隙， 用仪器测量并调整螺杆窜动润滑油不足或没有调节至各导轨面均有润滑油3滚珠螺杆在运转中转矩过大各导轨面压板楔形条配合过紧重新调整或配铲，使 0.02mm赛尺 塞不入为合格滚珠螺杆螺母反向器损坏， 螺母卡死 或轴端螺母预紧力过大修复或更换螺杆并精心调整丝杆有磨损更换伺服电动机与滚珠螺杆联接不同轴调整同轴度并紧固连接座无润滑油调整润滑油路超程开关失灵造成机械故障检查故障并排除伺服电动机过热报警检