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HIWIN滾珠螺桿的應(yīng)用技術(shù)
天津羅升企業(yè)有限公司

摘要:羅升企業(yè)作為全球?qū)I(yè)精密滾珠螺桿及線性傳動(dòng)產(chǎn)品制造商-上銀(HIWIN)科技在大陸的推廣和銷(xiāo)售服務(wù)商,我們擁要有扎實(shí)的綜合知識(shí),以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。并且具有在滾珠螺桿安裝,調(diào)試,檢測(cè)和故障分析排除時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮的能力。
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。
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(lèi)。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(chē)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最小。
(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。其最大快速移動(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(zhuān)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(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(chēng)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(lèi)。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)注意不要讓滾珠脫落。
(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) 最好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)出最標(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。