精密滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)高速化的前景

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：3741

汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)的發(fā)展對(duì)輕合金的高速切削加工越來越重視，加工中心、工業(yè)機(jī)器人、CNC鍛壓機(jī)械、FMS及各類數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化機(jī)械的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度不斷提高。以加工中心為例，工作臺(tái)的移動(dòng)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(dá)60～80時(shí)min，加速度1.5g以上，并向更高速度推進(jìn)。作為伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要執(zhí)行機(jī)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(dòng)、跟隨靈敏、不污染環(huán)境且對(duì)周邊環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，始終占據(jù)直線運(yùn)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的絕大部分市場(chǎng)。為適應(yīng)高速切削加工的要求，在滿足定位精度的同時(shí)，如何進(jìn)一步提高進(jìn)給速度和加(減)速度成為業(yè)內(nèi)人士當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。筆者研究了有關(guān)文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)高速化要解決的主要矛盾


筆者認(rèn)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(xué)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(dòng)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(shí)現(xiàn)高速化，必須通過改進(jìn)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(yàn)表明:當(dāng)未采取減噪、減振措施時(shí)，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(diǎn)說明:只用增加絲杠的轉(zhuǎn)速來提高進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)行中的可靠性。


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



  1. 適度增大滾珠絲杠副的導(dǎo)程Pn和螺紋頭數(shù)是實(shí)現(xiàn)高速化的最佳選擇。我國(guó)早在1989年就完成了大導(dǎo)程滾珠絲杠副的“七•五”攻關(guān)，螺旋升角為f>9°～17°的大導(dǎo)程滾珠絲杠副已能批量生產(chǎn)。但是由于螺紋磨床傳動(dòng)鏈誤差“基因”的遺傳，導(dǎo)程越大，導(dǎo)程精度越難提高。因此，兼顧精度的需求，導(dǎo)程Pn的增大要適度，例如名義直徑與導(dǎo)程的匹配d0×Pn以40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等為宜，線速度均可達(dá)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(yùn)行中的平穩(wěn)性。雖然超大導(dǎo)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(qiáng)冷。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)絲杠軸的熱變形是加工誤差的來源之一。同時(shí)為了提高系統(tǒng)剛性對(duì)絲杠軸預(yù)拉伸也會(huì)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(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)冷卻�？招慕z杠軸還有助于減小高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的慣性，增加絲杠軸的扭曲剛度。北京機(jī)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(yàn)，可在高速滾珠絲杠生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。





























    Si3N4陶瓷與GCr15軸承鋼物理性能對(duì)比表
    滾動(dòng)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jìn)出反向機(jī)構(gòu)時(shí)的瞬間沖擊力也很大。解決這個(gè)問題有四個(gè)辦法:①通過對(duì)滾珠鏈優(yōu)化計(jì)算，適當(dāng)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(diǎn)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可大大減小滾珠的離心力(見下圖)和進(jìn)出反向機(jī)構(gòu)的沖擊力，由于滾動(dòng)體的旋滾比(V自旋/(V滾動(dòng))減小，使自旋運(yùn)動(dòng)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(guó)洛陽(yáng)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(jí)精度的陶瓷球。圖1 陶瓷球在滾動(dòng)軸承中減小離心載荷的對(duì)比試驗(yàn)(SKF資料)

  4. 改進(jìn)滾珠螺母結(jié)構(gòu)。包括三個(gè)方面:①改進(jìn)預(yù)加負(fù)荷的方式，對(duì)預(yù)緊力Fp實(shí)施動(dòng)態(tài)控制。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tp恒定。國(guó)外研制出一種可在工作過程中連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)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(dāng)預(yù)緊力Fp在工作中發(fā)生變化時(shí)(絲杠中徑的不一致性也會(huì)導(dǎo)致Fp變化)，由傳感器發(fā)出信號(hào)，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(duì)預(yù)緊力進(jìn)行適時(shí)補(bǔ)償。國(guó)內(nèi)華東理工大學(xué)曾在1990年前研制出PVF2壓電薄膜預(yù)緊力傳感器，可對(duì)預(yù)緊力直接測(cè)量。②滾珠在進(jìn)出反向機(jī)構(gòu)時(shí)會(huì)重復(fù)產(chǎn)生布里涅耳(Brinell)效 應(yīng)，即布氏撞擊耗損，在高速時(shí)這種重復(fù)撞擊尤為明顯，并伴有噪聲。因此應(yīng)針對(duì)高速的要求對(duì)循環(huán)反向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shí)“軟著陸”；外循環(huán)導(dǎo)珠管采用高強(qiáng)度厚壁優(yōu)質(zhì)合金材料、加大曲率半徑、對(duì)管壁和管舌實(shí)施強(qiáng)化處理；反向器和導(dǎo)珠管在滾珠螺母體上的坐標(biāo)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(qiáng)度工程塑料并將導(dǎo)珠管外露部分全部復(fù)蓋；在絲杠軸行程端部配置緩沖減振器等。

  5. 對(duì)滾珠絲杠副實(shí)施雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。用一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠軸。另一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)以相反方向驅(qū)動(dòng)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(tái)的進(jìn)給速度幾乎可提高一倍。

  6. 當(dāng)絲杠行程很長(zhǎng)時(shí)，可將“絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)→螺母移動(dòng)”的絲杠驅(qū)動(dòng)方式改為“絲杠固定，螺母一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊移動(dòng)”的螺母驅(qū)動(dòng)方式。其好處在于消除了臨界轉(zhuǎn)速Nc的限制，避免了長(zhǎng)絲杠在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩降低10%左右，并明顯減少鋼球在非純滾動(dòng)的“滑移”過程中對(duì)螺紋滾道的擦傷，降低溫升，提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，延長(zhǎng)使用壽命。當(dāng)采用導(dǎo)程PA=40mm時(shí)，移動(dòng)線速度可達(dá)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(shè)備等。CNC絲杠磨床不但可獲得很高的導(dǎo)程精度、雙頭螺紋的分度精度，還可自動(dòng)補(bǔ)償由于砂輪磨損導(dǎo)致絲杠中徑尺寸的變化，而這恰恰是高速傳動(dòng)要求全行程內(nèi)預(yù)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(jī)上的安裝精度，使高速傳動(dòng)更加平穩(wěn)。采用CNC砂輪修正器或金剛滾輪可對(duì)大螺旋升角的雙圓弧齒形進(jìn)行矯正，可獲得高精度的滾道截形，使?jié)L珠與滾道的適應(yīng)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(dòng)時(shí)的流暢性。如果再對(duì)螺紋滾道拋光或超精研拋，滾道表面粗糙度可達(dá)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(yùn)行時(shí)的噪聲，增加疲勞強(qiáng)度。
為了確保高速運(yùn)行時(shí)的安全和可靠性，要從冷熱工藝入手嚴(yán)格控制產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，首先要嚴(yán)格控制原材料的品質(zhì)，其次要在冷熱加工的全過程實(shí)施“小變形無裂紋”工藝。采用CNC中頻淬火工藝既能達(dá)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(zhǎng)上硬度均布。對(duì)滾珠螺母實(shí)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(duì)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(duì)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(yù)緊力丟失，高速滾珠絲杠副在零件裝配后的加載跑合應(yīng)比一般產(chǎn)品要求更嚴(yán)格，跑合時(shí)間應(yīng)更長(zhǎng)。

4 周邊元部件


線性伺服進(jìn)給系統(tǒng)的高速化是一個(gè)系統(tǒng)工程。絲杠副支承剛度和安裝精度對(duì)提高臨界轉(zhuǎn)速Nc、改善運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、降低噪聲有不可忽視的作用。為了減小運(yùn)動(dòng)慣性，應(yīng)減小運(yùn)動(dòng)部件的數(shù)量和質(zhì)量，采用高強(qiáng)度合金鋁、碳素纖維增強(qiáng)塑料等實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)部件的輕量化。周邊的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、滾動(dòng)軸承等亦應(yīng)滿足高速化的要求。唯其如此，在高速伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，滾珠絲杠副軸系才能獲得高速、高效的預(yù)期效果。

5 充實(shí)檢測(cè)手段、強(qiáng)化試驗(yàn)研究


我國(guó)即將加人WTO，我國(guó)精密高速滾珠絲杠副起步較晚，面對(duì)國(guó)際大市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品要?jiǎng)?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(yàn)研究的局面。不但要對(duì)高速滾珠絲杠副的定位精度、噪聲、溫升、加(減)速度、動(dòng)態(tài)剛度等進(jìn)行試驗(yàn)研究，更要大力開展可靠性的試驗(yàn)研究，此乃占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵。
應(yīng)該指出，在滾珠絲杠副的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS03408-1·2·3-1992、我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T17587.1～3-1998和其他各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中，均未給出產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。但國(guó)外名牌生產(chǎn)廠家都有一整套產(chǎn)品性能試驗(yàn)和檢測(cè)儀器，為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還制定了高于公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。這是值得我們借鑒的。北京機(jī)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(yàn)研究，邁開了可喜的一步。日本 采 用 滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)高速傳動(dòng)處于領(lǐng)先地位。NSK公司在80年代就對(duì)滾珠絲杠的空心強(qiáng)冷開展了試驗(yàn)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(dá)90m/min、加(減)速度1.5g、重復(fù)精度0.002mm。日本光洋機(jī)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(guó)AM公司的滾珠絲杠副線速度可達(dá)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(tái)移動(dòng)速度達(dá)70m/min，加速度大于1g。我國(guó)臺(tái)灣的PMI銀泰科技公司在CIMT'99第六屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)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(jī)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(guó)。在CIMT'99上展出的國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床中，除少數(shù)幾臺(tái)采用直線電動(dòng)機(jī)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(dòng)”到“精密定位”，再?gòu)?ldquo;大導(dǎo)程高速驅(qū)動(dòng)”到“精密高速型”，是產(chǎn)品升級(jí)換代質(zhì)的飛躍。在線性伺服高速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中，當(dāng)對(duì)性能價(jià)格比、切削加工時(shí)間與空行程時(shí)間的比例、加減速出現(xiàn)的頻率等進(jìn)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。

更多相關(guān)信息