精密滾珠絲杠副實現(xiàn)高速化的前景

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：3740

汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)的發(fā)展對輕合金的高速切削加工越來越重視，加工中心、工業(yè)機器人、CNC鍛壓機械、FMS及各類數(shù)控機床和自動化機械的進給驅(qū)動速度不斷提高。以加工中心為例，工作臺的移動速度在80年代僅為15～20m/min、加速度0.5g左右，90年代中前期為30～50m/min，加速度1g左右，到90年代后期已達60～80時min，加速度1.5g以上，并向更高速度推進。作為伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)中的重要執(zhí)行機構(gòu)—滾珠絲杠副，因具有高效快速、節(jié)省能源、零間隙高剛度傳動、跟隨靈敏、不污染環(huán)境且對周邊環(huán)境的適應性強等特點，始終占據(jù)直線運動應用領域的絕大部分市場。為適應高速切削加工的要求，在滿足定位精度的同時，如何進一步提高進給速度和加(減)速度成為業(yè)內(nèi)人士當前關(guān)注的焦點。筆者研究了有關(guān)文獻并結(jié)合多年的親身經(jīng)歷，提出一些想法供同仁參考。

1 精密滾珠絲杠副實現(xiàn)高速化要解決的主要矛盾


筆者認為，在精度、線速度、加(減)速度都要兼顧的情況下，需要解決以下問題。

  1. 滾珠絲杠副的最大工作轉(zhuǎn)速不能超過產(chǎn)生共振的臨界轉(zhuǎn)速Nc。Nc與絲杠的材質(zhì)、螺紋小徑、兩端支承方式、支承間距等因素有關(guān)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，Nc值也在不斷提高。
    滾珠在螺紋滾道和返向裝置中既通暢又可靠地循環(huán)滾動的安全轉(zhuǎn)速，可用類似軸承的d0n值表示(d0為滾珠絲杠的名義直徑，n為絲杠轉(zhuǎn)速)。要實現(xiàn)高速化，必須通過改進滾珠螺母返向裝置、提高制造精度、安裝精度和支承剛度來提高d0n值�，F(xiàn)在d0n值已由70000提高到150000。

  2. 要解決高速化帶來的噪聲、溫升與熱變形。據(jù)有關(guān)試驗表明:當未采取減噪、減振措施時，滾珠絲杠轉(zhuǎn)速每增加1000r/min，噪聲增高4～5dB(A)，滾珠螺母的溫度升高5～6℃。
    以上三點說明:只用增加絲杠的轉(zhuǎn)速來提高進給驅(qū)動速度是不明智的。

  3. 為了改善滾珠絲杠副的加(減)速度特性，提高對運動指令的快速跟蹤能力，必須提高滾珠絲杠軸系的系統(tǒng)剛度和絲杠副的軸向剛度，減小起動和停止瞬間彈性變形。

  4. 要解決滾珠絲杠副及周邊元件在高速運行中的可靠性。


2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是實現(xiàn)高速化的基礎



  1. 適度增大滾珠絲杠副的導程Pn和螺紋頭數(shù)是實現(xiàn)高速化的最佳選擇。我國早在1989年就完成了大導程滾珠絲杠副的“七•五”攻關(guān)，螺旋升角為f>9°～17°的大導程滾珠絲杠副已能批量生產(chǎn)。但是由于螺紋磨床傳動鏈誤差“基因”的遺傳，導程越大，導程精度越難提高。因此，兼顧精度的需求，導程Pn的增大要適度，例如名義直徑與導程的匹配d0×Pn以40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等為宜，線速度均可達到60m/min以上。而采用雙頭螺紋是為了增加滾珠的有效承載圈數(shù)，從而提高絲杠副的剛度和承載能力，提高滾珠螺母在高速運行中的平穩(wěn)性。雖然超大導程滾珠絲杠副(f>17°)可以獲得更高的線速度，但它很難滿足精度和加(減)速度的要求。

  2. 空心強冷。在高速運轉(zhuǎn)時絲杠軸的熱變形是加工誤差的來源之一。同時為了提高系統(tǒng)剛性對絲杠軸預拉伸也會產(chǎn)生熱量。解決發(fā)熱問題的有效辦法是將冷卻液通入空心絲杠內(nèi)部進行強制循環(huán)冷卻。空心絲杠軸還有助于減小高速運轉(zhuǎn)時的慣性，增加絲杠軸的扭曲剛度。北京機床研究所曾于1997年與成都工具研究所合作，完成大型空心滾珠絲杠的深孔加工，并從中摸索出合金鋼精密深孔工藝的經(jīng)驗，可在高速滾珠絲杠生產(chǎn)中推廣應用。





























    Si3N4陶瓷與GCr15軸承鋼物理性能對比表
    滾動體材料 硬度

    HRC    		 密度

    g/cm2    		 彈性模量

    N/mm2    		 熱膨脹系數(shù)

    ×10-6℃    		 熱導率

    W/(m·K)
    GCr15 62～64 7.85 2.1×105 12.4 41.87～50.24
    Si3N4 78 3.2 3.2×105 3.4 29.31


  3. 在滾珠上做足文章。在高速運動時，滾珠的自旋速度、公轉(zhuǎn)速度、離心力、陀螺力矩都很大，滾珠相互間的撞擊、進出反向機構(gòu)時的瞬間沖擊力也很大。解決這個問題有四個辦法:①通過對滾珠鏈優(yōu)化計算，適當減小滾珠直徑;②采用空心鋼球;③將滾珠鏈中的滾珠按一大一小間隔排列;④采用Si3N4氮化硅陶瓷球。
    從上表可看出：Si3N4熱壓氮化硅陶瓷球具有硬度高、密度小(不到鋼球的一半)、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小、磨損慢和壽命高等特點，在高速運轉(zhuǎn)時可大大減小滾珠的離心力(見下圖)和進出反向機構(gòu)的沖擊力，由于滾動體的旋滾比(V自旋/(V滾動)減小，使自旋運動引起的滑移摩擦減少，從而降低絲杠副的噪聲和溫升，使d0·n值得到提高。我國洛陽軸承研究所和山東工業(yè)陶瓷研究院等單位在“八•五”期間就開展了陶瓷球和混合軸承的研究，深圳南玻結(jié)構(gòu)陶瓷公司已能生產(chǎn)3級精度的陶瓷球。圖1 陶瓷球在滾動軸承中減小離心載荷的對比試驗(SKF資料)

  4. 改進滾珠螺母結(jié)構(gòu)。包括三個方面:①改進預加負荷的方式，對預緊力Fp實施動態(tài)控制。在高速運轉(zhuǎn)時為保持滾珠絲杠副在全行程范圍內(nèi)剛度和精度不發(fā)生變化，必須使Fp不丟失，動態(tài)預緊轉(zhuǎn)矩Tp恒定。國外研制出一種可在工作過程中連續(xù)自動調(diào)節(jié)預緊力的裝置。該裝置包括調(diào)節(jié)器(壓電陶瓷)和傳感器，將其配置在雙螺母之間，當預緊力Fp在工作中發(fā)生變化時(絲杠中徑的不一致性也會導致Fp變化)，由傳感器發(fā)出信號，利用CNC控制系統(tǒng)發(fā)出指令通過調(diào)節(jié)器的膨脹和壓縮對預緊力進行適時補償。國內(nèi)華東理工大學曾在1990年前研制出PVF2壓電薄膜預緊力傳感器，可對預緊力直接測量。②滾珠在進出反向機構(gòu)時會重復產(chǎn)生布里涅耳(Brinell)效 應，即布氏撞擊耗損，在高速時這種重復撞擊尤為明顯，并伴有噪聲。因此應針對高速的要求對循環(huán)反向機構(gòu)進行優(yōu)化設計。在這方面的工作包括:內(nèi)循環(huán)反向結(jié)構(gòu)及回珠槽曲線參數(shù)的優(yōu)化；采用高含油、高密度纖維減摩材料使?jié)L珠在循環(huán)時“軟著陸”；外循環(huán)導珠管采用高強度厚壁優(yōu)質(zhì)合金材料、加大曲率半徑、對管壁和管舌實施強化處理；反向器和導珠管在滾珠螺母體上的坐標位置優(yōu)化布局等。③其它減振減噪措施有：在滾珠螺母體周邊配置防噪聲套管；外插管的固定采用高強度工程塑料并將導珠管外露部分全部復蓋；在絲杠軸行程端部配置緩沖減振器等。

  5. 對滾珠絲杠副實施雙電動機驅(qū)動。用一個伺服電動機驅(qū)動滾珠絲杠軸。另一個伺服電動機以相反方向驅(qū)動由軸承支撐的滾珠螺母，這樣在不增加絲杠轉(zhuǎn)速的情況下，工作臺的進給速度幾乎可提高一倍。

  6. 當絲杠行程很長時，可將“絲杠轉(zhuǎn)動→螺母移動”的絲杠驅(qū)動方式改為“絲杠固定，螺母一邊轉(zhuǎn)動一邊移動”的螺母驅(qū)動方式。其好處在于消除了臨界轉(zhuǎn)速Nc的限制，避免了長絲杠在高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的一系列令人煩腦的問題。

  7. 采用PVD涂層改善滾珠絲杠副的摩擦特性。據(jù)有關(guān)文獻介紹，在螺紋滾道、滾珠反向通道、鋼球表面采用PVD涂層可使高速運轉(zhuǎn)時的摩擦力矩降低10%左右，并明顯減少鋼球在非純滾動的“滑移”過程中對螺紋滾道的擦傷，降低溫升，提高運動的平穩(wěn)性，延長使用壽命。當采用導程PA=40mm時，移動線速度可達120m/min。


3 提高工藝水平和制造質(zhì)量是高速化的關(guān)鍵


生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)CNC化，包括CNC車削中心、CNC絲杠磨床、CNC內(nèi)螺紋磨削中心、CNC中頻淬火設備等。CNC絲杠磨床不但可獲得很高的導程精度、雙頭螺紋的分度精度，還可自動補償由于砂輪磨損導致絲杠中徑尺寸的變化，而這恰恰是高速傳動要求全行程內(nèi)預緊力矩和剛度穩(wěn)定所需要的。在CNC內(nèi)螺紋磨削中心上滾珠螺母一次安裝完成內(nèi)螺紋滾道和裝配基面的精磨，這將大大提高絲杠副在主機上的安裝精度，使高速傳動更加平穩(wěn)。采用CNC砂輪修正器或金剛滾輪可對大螺旋升角的雙圓弧齒形進行矯正，可獲得高精度的滾道截形，使?jié)L珠與滾道的適應度fr處于最佳狀態(tài)，從而提高接觸剛度，改善滾珠在快速滾動時的流暢性。如果再對螺紋滾道拋光或超精研拋，滾道表面粗糙度可達尺Ra0.04～0.08µm，滾珠與滾道的吻合度可提高20%左右，可大大降低高速運行時的噪聲，增加疲勞強度。
為了確保高速運行時的安全和可靠性，要從冷熱工藝入手嚴格控制產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，首先要嚴格控制原材料的品質(zhì)，其次要在冷熱加工的全過程實施“小變形無裂紋”工藝。采用CNC中頻淬火工藝既能達到硬度和硬化層深度的要求，還可減少淬火過程中的彎曲和軸向變形，使絲杠全長上硬度均布。對滾珠螺母實施光亮(真空)淬火不但可減小變形、避免淬裂傾向，還能改善硬化層的質(zhì)量，提高疲勞壽命。
對于空心滾珠絲杠，采用BAT內(nèi)排屑深孔鉆和DF雙噴油深孔鉆系統(tǒng)，能夠滿足高速滾珠絲杠對深孔的直線度、粗糙度以及與外圓同軸度的要求。
為提高滾珠絲杠副的初始接觸剛度，避免在工作中預緊力丟失，高速滾珠絲杠副在零件裝配后的加載跑合應比一般產(chǎn)品要求更嚴格，跑合時間應更長。

4 周邊元部件


線性伺服進給系統(tǒng)的高速化是一個系統(tǒng)工程。絲杠副支承剛度和安裝精度對提高臨界轉(zhuǎn)速Nc、改善運動平穩(wěn)性、降低噪聲有不可忽視的作用。為了減小運動慣性，應減小運動部件的數(shù)量和質(zhì)量，采用高強度合金鋁、碳素纖維增強塑料等實現(xiàn)高速運動部件的輕量化。周邊的滾動直線導軌副、滾動軸承等亦應滿足高速化的要求。唯其如此，在高速伺服電動機的驅(qū)動下，滾珠絲杠副軸系才能獲得高速、高效的預期效果。

5 充實檢測手段、強化試驗研究


我國即將加人WTO，我國精密高速滾珠絲杠副起步較晚，面對國際大市場的競爭，產(chǎn)品要創(chuàng)新、工藝水平要提高、產(chǎn)品質(zhì)量更要過硬。滾珠絲杠的制造企業(yè)要迅速改變只注意產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)值，不重視新產(chǎn)品的性能試驗研究的局面。不但要對高速滾珠絲杠副的定位精度、噪聲、溫升、加(減)速度、動態(tài)剛度等進行試驗研究，更要大力開展可靠性的試驗研究，此乃占領市場的關(guān)鍵。
應該指出，在滾珠絲杠副的國際標準IS03408-1·2·3-1992、我國標準GB/T17587.1～3-1998和其他各國的標準中，均未給出產(chǎn)品的可靠性指標。但國外名牌生產(chǎn)廠家都有一整套產(chǎn)品性能試驗和檢測儀器，為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，還制定了高于公認標準的內(nèi)控標準。這是值得我們借鑒的。北京機床研究所在“九•五”攻關(guān)中正在開展高速滾珠絲杠副的精度、噪聲、溫升等方面的試驗研究，邁開了可喜的一步。日本 采 用 滾珠絲杠副實現(xiàn)高速傳動處于領先地位。NSK公司在80年代就對滾珠絲杠的空心強冷開展了試驗研究，1977年推出高速滾珠絲杠副系列產(chǎn)品，最高線速度120m/min，d0n值從100000到120000。MAZAK公司的FJV-20，F(xiàn)JV-25立式加工中心和FF510、FF660臥式加工中心系列全部采用自產(chǎn)高速滾珠絲杠副，后者的快移速度達90m/min、加(減)速度1.5g、重復精度0.002mm。日本光洋機械、牧野銑床制作所的加工中心均采用高速滾珠絲杠副，線速度在60m/min以上。德國AM公司的滾珠絲杠副線速度可達100m/min。Giddings&Lewis公司和Grob公司的臥式加工中心采用滾珠絲杠副工作臺移動速度達70m/min，加速度大于1g。我國臺灣的PMI銀泰科技公司在CIMT'99第六屆中國國際機床展覽會上推出雙頭、三頭高速滾珠絲杠副系列產(chǎn)品，線速度100～120m/min，噪聲約76dB(A)。北京機床研究所展出GCBM4016，GCBM4020雙頭高速滾珠絲杠副，線速度超過48m/min。南京工藝裝備制造廠展出陶瓷球高速滾珠絲杠副，線速度36m/min，并出口美國。在CIMT'99上展出的國內(nèi)外數(shù)控機床中，除少數(shù)幾臺采用直線電動機外，其余全部采用滾珠絲杠副。
滾珠絲杠副的功能從最初的“敏捷省能傳動”到“精密定位”，再從“大導程高速驅(qū)動”到“精密高速型”，是產(chǎn)品升級換代質(zhì)的飛躍。在線性伺服高速驅(qū)動領域中，當對性能價格比、切削加工時間與空行程時間的比例、加減速出現(xiàn)的頻率等進行綜合分析后，考慮到節(jié)能和環(huán)保，人們更加關(guān)注精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展。

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