滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)形式-循環(huán)方式

珠循環(huán)方式按滾珠在循環(huán)反向過程中與絲杠表面脫離與否, 可分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式, 如圖1 所示。

1、內(nèi)循環(huán)式

滾珠在循環(huán)過程中始終不脫離絲杠表面的循環(huán)方式, 稱為內(nèi)循環(huán)式, 如圖2 所示。

在螺母的側(cè)孔內(nèi), 裝有接通相鄰滾道的返向器(或稱回珠裝置)。借助于返向器上回珠槽的作用, 迫使?jié)L珠沿滾道滾動, 翻越絲杠螺紋滾道牙頂后, 重新回到初始滾道, 構(gòu)成了一個循環(huán)的滾珠鏈(即為一個列), 故又稱為單圈內(nèi)循環(huán)。滾珠鏈通常有3 ~ 6 列, 即一個螺母上裝有3 ~ 6 個返向器。為使?jié)L珠螺母的結(jié)構(gòu)緊湊, 這些返向器沿螺母圓周均勻分布, 返向器分別沿螺母圓周方向互錯120°、90°、72°或60°。

根據(jù)返向器的定位方式, 可分為固定式和浮動式兩種。浮動式返向器結(jié)構(gòu)特點是: 返向器與滾珠螺母上的安裝孔保持有0. 01 ~0. 015mm 的配合間隙。在返向器外圓弧上加工有對稱圓弧槽, 槽內(nèi)安裝拱形片簧。借助于片簧的彈力, 給返向器一個徑向推力, 使位于回珠槽內(nèi)的滾珠始終與絲杠表面保持一定的壓力, 這樣, 槽內(nèi)滾珠就代替了定位鍵而對返向器起到自定位作用。浮動式返向器的優(yōu)點在于高頻“浮動” 中實現(xiàn)回珠槽進出口的自動對接, 從而為滾珠返回提供流暢的通道口, 因而具有較好的摩擦特性和結(jié)構(gòu)工藝性, 裝配簡便, 在高速運轉(zhuǎn)中工作可靠。這種返向器適用于各種高靈敏度、高剛度要求的精密進給系統(tǒng), 但不適用于重載、多線滾珠絲杠副, 以及大導程、小導程的滾珠絲杠副。浮動式返向器滾珠絲杠副是目前較有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)形式, 并且正在逐漸取代固定式返向器的滾珠絲杠副。

根據(jù)返向器的結(jié)構(gòu)形式, 可分為扁圓形返向器、圓形(又稱凸鍵形) 返向器和矩陣形(又稱多列陣) 返向器, 如圖3 所示。

扁圓形返向器的結(jié)構(gòu)類似一個扁圓腰子形鑲塊, 緊固或焊接在螺母上的扁圓孔中, 其優(yōu)點是軸向尺寸短, 可有較多圈數(shù), 承載能力較高, 且結(jié)構(gòu)緊湊美觀, 缺點是扁圓孔的加工、測量較難, 且精度不易保證, 裝卸也較麻煩; 圓形返向器的兩個對稱鍵、鍵槽對稱精度以及深度均需控制, 制造工藝性較差, 其余部分加工則較扁圓形有較大改善, 但仍存在軸向尺寸大、裝配較困難等缺點; 矩陣形返向器的相鄰螺紋通過條狀的循環(huán)裝置形成一個滾珠循環(huán)鏈, 多個滾珠鏈共用一個返向裝置。其結(jié)構(gòu)緊湊, 沒有無效圈, 同等長度下承載圈數(shù)最高,同等導程下鋼球直徑可設(shè)計至最大。

內(nèi)循環(huán)式結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單, 螺母外徑小, 可進行微型設(shè)計, 滿足最小空間安裝, 裝配簡便, 適于批量生產(chǎn); 滾珠運行阻力相對較小, 起動容易, 滾珠流暢性好, 靈敏度較高; 摩擦損失少, 傳動效率較高; 滾珠回程較短, 剛度較好, 運轉(zhuǎn)精度較高。但返向器回珠槽為空間曲面, 呈S 形, 加工較困難, 對滾珠絲杠副的公稱直徑、絲杠外徑、螺紋滾道牙形與接觸角、牙頂圓角(保證圓滑過渡) 等加工要求亦較高, 不便于多滾道設(shè)計, 且絲杠一端螺旋溝槽須貫穿, 肩部軸徑尺寸須小于溝槽底徑, 否則無法組裝螺母。此類絲杠適用于中小導程、中低速度場合, 如3D 打印機、中小型醫(yī)療掃描儀等。

2、外循環(huán)式

滾珠在循環(huán)返回時離開了絲杠螺旋滾道而在螺母體內(nèi)或體外循環(huán), 即稱為外循環(huán)式。外循環(huán)式滾珠絲杠副尺寸較大, 適用于載荷較大的場合, 如大型重載機床。外循環(huán)式有若干條閉合的滾珠鏈, 由于回珠孔占去圓周的1/4, 兩端孔共占1/2, 故一列滾珠鏈最多0. 5 圈。根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝, 可使用的工作圈數(shù)為1. 5 圈、2. 5 圈或3. 5 圈, 最多不超過4. 5 圈。此外還可以配置多列結(jié)構(gòu), 如圈和列的配合(即圈數(shù)× 列數(shù)) 可表示為1. 5 × n、2. 5 × n, 最常用的結(jié)構(gòu)是1. 5 ×2、2. 5 ×2 和3. 5 ×2 這三種配合。外循環(huán)滾珠絲杠副按其在滾珠返回裝置構(gòu)造的不同, 可分為套筒-螺旋槽式、插管式和端面/ 端蓋式三種:

(1) 套筒-螺旋槽式。在滾珠螺母外圓柱面上加工有螺旋形凹槽作為滾珠循環(huán)通道, 凹槽的兩端分別加工有與螺旋滾道相切的通孔, 將兩個擋珠器(端部導流器) 裝于螺母內(nèi)表面?zhèn)瓤字? 弧形擋珠桿與螺旋滾道相吻合, 桿端部舌形部分將引導滾珠進入回珠通孔, 返回初始螺旋滾道, 形成滾珠鏈運動。為防止?jié)L珠從回珠槽內(nèi)脫出, 用套筒緊套在螺母外圓柱上, 從而構(gòu)成了滾珠鏈的封閉循環(huán)運動, 即套筒-螺旋槽式外循環(huán), 如圖4 所示。

這種形式結(jié)構(gòu)簡單, 螺母外徑較插管式小20% ~ 30%, 軸向排列緊湊, 節(jié)約空間; 有效負載滾珠多, 承載能力較高; 剛度大, Dn 值最高可達18 萬; 運行噪聲低。與單圈內(nèi)循環(huán)式相比, 該方式工藝性好, 生產(chǎn)不受批量限制, 且單、雙列結(jié)構(gòu)均可采用。一般情況下, 單列優(yōu)于雙列, 只有當單列螺母上工作圈數(shù)超過3. 5 圈時才用雙列; 而雙螺母預緊時, 最好以兩圈為列(即2. 5 ×1), 但此時在一列中的滾珠數(shù)比其單圈內(nèi)循環(huán)多, 即滾珠運動鏈長, 運行阻力增大, 且在螺母體上的回珠槽與回珠孔不易準確平滑連接, 拐彎處曲率半徑小, 滾珠急劇轉(zhuǎn)向時運動不平穩(wěn), 從而影響滾珠運動的流暢性和靈活性, 此外這種形式的滾珠絲杠副螺母徑向尺寸也較大。擋珠器的弧形桿剛度較差, 特別是舌形部分易于磨損, 壽命較短。

(2) 插管式。如圖5 所示,

插管外循環(huán)式把部分的成形彎管插入螺旋滾道一列工作圈兩端與滾道相切的通孔內(nèi), 以代替套筒-螺旋槽式的凹槽。以插入孔中的彎管端部舌形斜口或另裝其他形式的擋珠器來引導滾珠進出彎管以構(gòu)成循環(huán)通道。根據(jù)循環(huán)管組件是否凸出螺母外徑, 插管外循環(huán)又可分為內(nèi)包式和外凸式。插管式的特點是結(jié)構(gòu)簡單, 工作可靠, 工藝性好, 適于批量生產(chǎn), 公稱直徑與導程組合較多, 適用性廣, 回珠管可設(shè)計、制造成較理想的運動通道, 且允許絲杠副有較高的臨界轉(zhuǎn)速。相對于套筒-螺旋槽式, 滾珠循環(huán)進出回珠孔時急劇轉(zhuǎn)彎而影響運轉(zhuǎn)靈活性的缺點得到了極大改善, 但彎管凸出于螺母外部, 使螺母徑向尺寸增大, 在設(shè)備部件內(nèi)部安裝受了限制, 且彎管本身壁薄而耐磨性差, 當利用彎管端部斜口做擋珠器用時, 壽命更短。

目前此類結(jié)構(gòu)應(yīng)用極為廣泛, 并正在逐漸取代套筒-螺旋槽式滾珠絲杠副。由于它適用于重載高速的驅(qū)動系統(tǒng), 也適用于精密定位系統(tǒng), 不論大導程、小導程、多線螺紋的滾珠絲杠副, 都顯示出獨特的優(yōu)越性。國外如日本, 就把插管式外循環(huán)作為普通系列, 而其他結(jié)構(gòu)形式均作為專用系列生產(chǎn)。

(3) 端面/ 端蓋式。端面/ 端蓋式外循環(huán)式結(jié)構(gòu), 如圖6 所示, 是一種在螺母端部配置滾珠返向器, 在螺母內(nèi)設(shè)置貫通孔的循環(huán)方式。在螺母壁厚上鉆有軸向通孔作為滾珠的返回通道, 螺母兩端面裝有返向器, 返向器接口與螺紋滾道相切, 并可引導滾珠進入回珠通孔構(gòu)成閉合回路?？蔀槎嗑€螺紋, 各自形成一個滾珠鏈。其特點是: 螺母徑向、軸向尺寸小; 高承載、高可靠性、低噪聲; 滾珠循環(huán)部的加工復雜，滾珠通過短槽進出口時要作急劇轉(zhuǎn)彎，影響了滾珠的靈活性和流暢性，且滾珠螺母的徑向尺寸很大。目前日趨減少，有被淘汰的趨勢。