摘要：高速数控机床进给系统一般依靠两种传动方式：高速精密滚珠丝杠副传动和直线电机传动。其中滚珠丝杠副传动方式由于采用旋转电机，到联轴器，再经过滚珠丝杠螺母等一系列中间传动和变换环节，因此使得整个传动系统的刚度降低。其中由于滚珠丝杠属细长杆件，其变形最大，因而是刚度最薄弱的环节，导致了系统的稳定性、定位精度等性能指标的下降，使得滚珠丝杠进给系统的速度及加速度都很难得到提高。本文分析了数控机床滚珠丝杠提升使用寿命应用。
关键词：数控机床；滚珠丝杠；寿命应用
前言：随着机床数控化、柔性化的发展，滚珠丝杠副成为数控机床必不可少的传动副，因此对滚珠丝杠副的要求越来越高。滚珠丝杠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。滚珠丝杠副作为机床的主要进给功能部件，加工、安装及调整将直接影响到机床的性能指标。
1系统基本组成
滚珠丝杠是一种由丝杠与螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动机构，通常由滚珠丝杠、滚珠螺母、滚动体即滚珠（钢球）及滚珠返回装置这4 个部分组成。与传统的滑动螺旋传动相比，滚珠螺旋副传动的突出之处在于：以滚动摩擦代替滑动摩擦，使丝杠和螺母之间的相对运动变成滚动，其优点与滚动轴承代替滑动轴承一样，大大减少接触部位的摩擦。在纯轴向载荷作用下，滚珠与螺母和丝杠滚道面分别接触，以传递载荷，其接触点处的应力和变形情况，与一般的推力向心轴承十分相似。因此，可以把滚珠丝杠副近似地视为承受纯轴向工作载荷的推力向心球轴承，并把它作为滚珠丝杠副受力分析及变形计算的力学模型。对于多列多圈滚珠丝杠副，就可视为沿轴向方向排列而成的若干个推力向心球轴承。当螺母沿丝杠轴向移动一个螺纹导程后，就相当于推力向心球轴承的工作内圈更换成相邻的另一个轴承工作内圈。力学模型中的轴承外圈数，就是滚珠丝杠副中螺母的工作滚道数（等于列数× 圈数），力学模型中的轴承内圈数，就是螺母工作行程内的丝杠螺纹牙数，工作过程中，这些螺纹牙数随螺母的移动而间歇地与滚珠接触承受工作载荷。所以在计算螺旋滚道面承受交变接触应力的应力循环数和滚动疲劳寿命时，就相当于在一个轴承外圈下多个轴承内圈轮流参加工作的情形。
2数控机床滚珠丝杠提升使用寿命应用
1.滚珠丝杠的主要失效形式是滚珠与滚道的疲劳点蚀，因此，其寿命
大，选择受螺纹加工误差，丝杠和螺母的螺距累积误差和周期误差以及螺母螺纹的锥度等加工艺手段限制，或者说有效工作圈数不能无限增大，参照丝杠样本使额定动载荷C0 大于计算动载荷C，原则选择后最好加大一个规格，其性能价格比会更好，除非受结构限制。增加螺母工作圈数是改善滚珠丝杠使用性能的最有效途径，为丝杠生产厂家提高丝杠加工工艺增加螺母工作圈数提供了有力依据。
2.滚珠丝杠安装的精度。按照传统的工艺方法，安装滚珠丝杠副一直沿用芯棒和定位套将两端支承轴承座及中间丝母座连接在一起校正、用百分表将芯棒轴线与机床导轨找正平行并令芯棒传动自如轻快的方法。这种安装方法在三个坐标方向行程较小的小型数控机床和加工中心上应用较方便。由于芯棒与定位套、定位套与两端支承的轴承孔以及中间的丝母座孔存在着配合间隙，往往使安装后的支承轴承孔和丝母座孔的同轴度误差较大，造成丝杠绕度增大、径向偏置载荷增加、引起丝杠轴系各环节的温度升高、热变形变大和传动扭矩增大等一系列严重后果，导致伺服电机超载、过热，伺服系统报警，影响机床的正常运行。另外，两端轴承孔与中间丝母座孔的实际差值无法准确测量，从而影响进一步的精确调整。对于三个坐标方向行程较大的数控机床和加工中心，由于所需芯棒多在1500mm 以上，加工困难，不易保证精度，因此无法采用芯棒与定位套配合的找正方法进行滚珠丝杠副的安装。在生产某型卧式加工中心时，由于机床的三个坐标行程较大，采用传统工艺方法安装的过程中，由于两端轴承孔与中间丝母座孔同轴度超差，造成滚珠丝杠径向和偏置载荷增加，经常出现伺服电机超载、过热，伺服系统报警等现象，使机床无法连续运行，同时严重影响滚珠丝杠副的使用寿命和传动精度，缩短了主机的维修周期。利用其他装配方法，如采用移动滑鞍，缩短丝母座与轴承座的距离，将丝母座与两端轴承座分别找正的方法，由于需要两段分别找正，加上检棒和检套的配合间隙，实际应用效果也不理想，同样存在上述问题。
3.合理调整滚珠丝杠与直线导轨在垂直面内的平行度，使其满足相应的要求。将电机座和轴承座用螺栓拧紧固定，而滚珠丝杠螺母要安装在电机座端面上，其中，滚珠丝杠的螺纹端面要和螺母法兰端面之间留有三四个螺距的间隙，而后将平尺均调至滑块的正基面上，平尺的基面则放有千分尺的表座，并将千分尺调至最高点零位置，再合理调整滚珠丝杠上的螺母，从而确保滚珠丝杠和螺母的端面相协调一致，同时还要确保量最高点的平行度低于0.01，否则将不符合相应的标准，这时仍要采取相应的措施进行修正至符合要求为止。另外，在水平面内，将滚珠丝杠和直线导轨内的平行度调整至合理位置，使其满足要求。它和前者的原理相同，如果测量两最高点的平行度小于0.01则符合要求，如果不符合要求，要对其进行修正至合格为止。待检测合格之后，要注意对电机座和轴承座进行销对和定位。
4.滚珠丝杠螺母和工作台之间要进行合理调整，使其达到标准要求。这就要先将工作台的侧基准面紧紧和直线导轨的滑块相贴，利用螺栓将其固定。同时还要保持滚珠丝杠螺母法兰端面与螺纹端面的一致性。除此之外，还要确保滚珠丝杠的清洁度，同时要将螺母和螺母座的结合面进行全面清洁，确保其干净，再次对工作台进行移动，防止螺母座和滚珠丝杠螺母法兰端面出现松动现象。
5.施加合适的预紧力，使滚珠与滚道面接触点处产生一定量的预变形。滚珠螺旋副承受轴向工作载荷后，在滚珠与螺纹滚道面的接触点处将产生一定量的弹性接触变形，并将直接影响到它的轴向刚度，从而降低其传动的质量。适当加大预紧力，有利于提高滚珠丝杠螺母组件和支承轴承的刚度。但是过大的预紧力会使滚珠螺旋副在工作中产生过大的接触应力和变形，增加摩擦力，降低传动效率，从而缩短其工作寿命。所以，预紧螺母的预紧力一般选择约为最大轴向工作载荷的1 /3为好。一般可以通过安装在双螺母之间的传感器和压电晶体调节器对预加载荷进行动态控制，使之在滚珠丝杠的全行程范围内保持不变。滚珠丝杠进给系统速度提高后，要求滚珠在高速运动下的流畅性，特别是通过循环反向装置时不发生阻滞现象，从而减少滚珠和螺母螺纹滚道的碰撞变形，提高滚珠丝杠副的刚度。为此，应优化回珠槽的曲线参数，采用三维造型的导珠管或回珠器，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。
结语：为了达到机床坐标位置精度的要求，减少丝杠挠度，防止径向和偏置载荷，减少丝杠轴系各环节的升温与热变形，最大限度地减轻伺服电动机的传动扭矩，提高机床连续工作的可靠性和寿命。
参考文献：
[1]徐创文，朱琪.数控机床进给系统刚度所引起的失动量分析计算[J].淮海工学院学报，2017（3）：16 -19.
[2]杨祖孝.进给滚珠丝杠副传动刚度的计算[J].制造技术与机床，2017（7）：12 -14.
论文作者:陈裕迪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/5
标签：滚珠论文; 丝杠论文; 螺母论文; 载荷论文; 轴承论文; 端面论文; 螺纹论文; 《基层建设》2018年第36期论文;