HIWIN滚珠螺杆的应用技术

摘要：罗升企业作为全球专业精密滚珠螺杆及线性传动产品制造商-上银（HIWIN）科技在大陆的推广和销售服务商，我们拥要有扎实的综合知识，以及丰富的实践经验。并且具有在滚珠螺杆安装，调试，检测和故障分析排除时对问题进行综合考虑的能力。
　　　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。
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×20mm，50mm×25mm，50mm×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4～5m)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出一种滚珠螺杆专用轴承，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60º，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，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。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40℃时的黏度指数范围32～68 cSt (ISO VG 32～68)(DIN 51519)。低速时，建议使用的润滑油为40℃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，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5℃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，此时就会导致轴承发热而烧坏。因此建议以3℃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,Y,Z），（将手脉倍率定为1×100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=d1=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：①机床运动距离d1＞d=0.1mm(斜率大于1);②表现出为d=0.1mm＞d2＞d3(斜率小于1)；③机床机构实际未移动，表现出最标准的反向间隙；④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。