滾珠絲杠的特點(diǎn)及應(yīng)用

高性能的滾珠絲杠副已成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要選項(xiàng)之一。所謂高性能就是指在高速的基礎(chǔ)上，滾珠絲杠副具有高的精度及精度穩(wěn)定性，達(dá)到高剛度、高承載、自潤(rùn)滑、低噪聲、小溫升及長(zhǎng)壽命等性能。要實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠副的高性能，需要在滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)上不斷地創(chuàng)新。在加工中心、復(fù)合加工機(jī)床等數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中采用滾珠絲杠副組合直線導(dǎo)軌副的進(jìn)給系統(tǒng)非常普遍。

采用滾珠絲杠副傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋副傳動(dòng)、靜壓螺旋傳動(dòng)相比，具有如下特點(diǎn)。
1.傳動(dòng)效率高
對(duì)于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)來說，在定期潤(rùn)滑條件下，絲杠與青銅（或鑄鐵）螺母間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ在0.06~0.15,摩擦阻力大，傳遞效率低（一般低于40%)。

滾珠絲杠副傳動(dòng)的摩擦系數(shù)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，一般為0.0025-0.0035,其傳動(dòng)摩擦阻力大幅減小，傳動(dòng)效率得 到很大提高。如圖1-3所示，當(dāng)摩擦系數(shù)μ=0.003、螺旋升角λ=2°時(shí)，傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上；當(dāng)螺旋升角λ=3°時(shí)，傳動(dòng)效率可升至95%以上； 當(dāng)λ繼續(xù)增大時(shí)，傳動(dòng)效率的理論值可高達(dá)98%,但其速率增加的緩慢。滾珠絲杠副傳動(dòng)效率相當(dāng)于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的2~4倍，滾珠絲杠傳動(dòng)相對(duì)滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)來說，能以較小動(dòng)力推動(dòng)較大負(fù)荷，而功率消耗只有滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的1/4~1/2,不僅能大幅減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且對(duì)機(jī)械小型化、起動(dòng)后顫動(dòng)和滯后時(shí)間的減少以及節(jié)省能源等方面都具有重要意義。

2.傳動(dòng)的可逆性
滾珠絲杠副傳動(dòng)不僅正傳動(dòng)效率（簡(jiǎn)稱正效率）高，而且逆?zhèn)鲃?dòng)效率（簡(jiǎn)稱逆效率）也幾乎同樣高達(dá)98%(見圖1-3b)。它既可把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱正傳動(dòng)）,又可把直線運(yùn)動(dòng)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱逆?zhèn)鲃?dòng)）。因此，與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)相比，滾珠絲杠副傳動(dòng)突出的不同點(diǎn)是傳動(dòng)具有可逆性，當(dāng)然，滾珠絲杠傳動(dòng)的逆效率高，一方面固然帶來了逆?zhèn)鲃?dòng)的好處，但另一方面卻沒有滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)那樣的自鎖能力，在某些機(jī)構(gòu)中，特別是垂直升降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副傳動(dòng)時(shí)，必須設(shè)置防逆轉(zhuǎn)裝置，因此，與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)相比，帶來了機(jī)構(gòu)比較龐雜的缺點(diǎn)。單與靜壓螺旋傳動(dòng)相比，機(jī)構(gòu)仍屬簡(jiǎn)單緊湊，也易于維修。

3、同步性能好
由于滾珠絲杠副傳動(dòng)的滾動(dòng)摩擦特性，摩擦阻力幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，靜摩擦力矩極小，起動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)摩擦力矩接近相等。因此，運(yùn)動(dòng)起動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速下運(yùn)轉(zhuǎn)無爬行。這不但縮短了起動(dòng)時(shí)間，消除了在滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)中的滑移現(xiàn)象，而且大大提高了傳動(dòng)的靈敏度與準(zhǔn)確度，具有持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的特點(diǎn)。如果用幾套同樣的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置時(shí)，包括起動(dòng)的同時(shí)性、運(yùn)行中的速度和位移等，都具有準(zhǔn)確的一致性，這就是所說的同步性。這種技術(shù)特性已成功地應(yīng)用到各種具有同步要求的機(jī)構(gòu)中。
滿足主機(jī)超長(zhǎng)行程、重載、高速的需求，滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)方式從傳統(tǒng)的“絲杠旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動(dòng)”發(fā)展為“螺母旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動(dòng)”，從“單一驅(qū)動(dòng)”到“雙驅(qū)動(dòng)、多驅(qū)動(dòng)”，對(duì)“旋轉(zhuǎn)”與“直線”兩大運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行優(yōu)化組合與疊加，使產(chǎn)品功能得到進(jìn)一步延伸與擴(kuò)展。在大型、超長(zhǎng)滾珠絲杠副中，滾珠螺母旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：因絲杠固定不動(dòng)，避免了大型絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，大大改善了同服進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，節(jié)省能源；因避開了絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)兩端支承方式和間距對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的制約，有利于高速驅(qū)動(dòng)；支承旋轉(zhuǎn)螺母的軸承遠(yuǎn)大于支承絲杠的軸承，軸向支承剛度更高；可擴(kuò)展主機(jī)功能，完成一軸多驅(qū)動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)典型重型、超長(zhǎng)CNC機(jī)床，例如：CNC大型動(dòng)梁雙坐標(biāo)落地鏗床、CNC大型龍門鏗銑床、SK7450×10mCNC超長(zhǎng)絲杠磨床、CNC水刀切割機(jī)、CNC鋪射加工機(jī)及動(dòng)梁式雙驅(qū)動(dòng)龍門雕鐵床（見圖1-4)等都已成功地采用了這一新的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。滾珠螺母主驅(qū)動(dòng)比直線電動(dòng)機(jī)更節(jié)能、成本低；比曾長(zhǎng)期用于重型機(jī)床的齒輪-齒條傳動(dòng)，其傳動(dòng)效率更高、運(yùn)動(dòng)流暢平穩(wěn)、噪聲小；相比“滾珠蝸母條”，它的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造、裝配、調(diào)試也頗為方便。在大行程、重載、高速領(lǐng)域，滾珠螺母主驅(qū)動(dòng)型是結(jié)構(gòu)先進(jìn)的、具有推廣價(jià)值的綠色產(chǎn)品，有較大市場(chǎng)潛力。

4.傳動(dòng)精度高
傳動(dòng)精度主要是指進(jìn)給精度和軸向定位精度。經(jīng)過溶硬和精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副，本身就具有較高的進(jìn)給精度。當(dāng)采用預(yù)緊螺母時(shí)，則能完全消除軸向間隙。如果預(yù)緊力適當(dāng)（即最佳預(yù)緊力）,在不增加驅(qū)動(dòng)力矩和基本不降低傳動(dòng)效率的前提下，能提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和定位精度；在帶有反饋系統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)中，通過機(jī)電補(bǔ)償向服系統(tǒng)，能獲得較高的重復(fù)定位精度。由于滾珠絲杠副傳動(dòng)摩擦小，工作時(shí)本身幾乎沒有溫度變化，因此不但進(jìn)給速度穩(wěn)定，而且絲杠尺寸也非常穩(wěn)定，這就是具有很高定位精度和重復(fù)定位精度的重要原因。滾珠絲杠副傳動(dòng)之所以能在高精度數(shù)控機(jī)床、多工序自動(dòng)數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和密測(cè)量?jī)x器中獲得廣泛應(yīng)用，特別是成為要求靈敏而精確配合同服系統(tǒng)所不可缺少的配套元件，其重要原因正是其傳動(dòng)精度高。
傳動(dòng)精度是數(shù)控機(jī)床的重要技術(shù)指標(biāo)之一。定位精度是指數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)等移動(dòng)部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與指令位置的一致程度，其不一致的差量即為定位誤差。定位誤差包括同服系統(tǒng)吳差、檢測(cè)系統(tǒng)誤差、進(jìn)給系統(tǒng)誤差等系統(tǒng)誤差，還包括移動(dòng)部件導(dǎo)軌的幾何誤差等。定位吳差將直接影響零件加工的位置精度。重復(fù)定位精度是指在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，應(yīng)用相同程序相同代碼加工一批零件，所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。重復(fù)定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進(jìn)給系統(tǒng)的間隙與剛度以及摩擦特性等因素的影響。一般情況下，重復(fù)定位精度是呈正態(tài)分布的偶然性誤差，它影響一批零件加工的一致性，是一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。
近年來，隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展和機(jī)床結(jié)構(gòu)特性的提高，數(shù)控機(jī)床的性能與質(zhì)量都有了大幅度的提高。中等規(guī)格的加工中心，其定位精度普通級(jí)達(dá)到±5pm~±8pm/300mm,精密級(jí)達(dá)到±1pm~±3pm/全程；普通級(jí)加工中心的加工精度達(dá)到±1.5pm。如圖1-5所示VDWA50、B50五軸立式加工中心及MDH-A系列臥式加工中心是大連機(jī)床（DMTG)開發(fā)生產(chǎn)的具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平、國(guó)際先進(jìn)水平的臥式加工中心，該機(jī)床廣泛適用于汽車、模具、機(jī)械制造等行業(yè)的箱體零件、殼體零件、盤類零件、異形零件的加工，零件經(jīng)一次裝夾可動(dòng)完成四個(gè)面的鐵、鏗、鉆、擴(kuò)、餃及攻螺紋的多工序加工。采用內(nèi)部?jī)蓹n變速的高速電主軸保證機(jī)床高低速的加工性能。

5.使用壽命長(zhǎng)
滾珠絲杠副的絲杠、螺母和滾珠都經(jīng)過粹硬處理，而且滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的磨損極小，故絲杠副經(jīng)長(zhǎng)期使用仍能保持其精度，工作壽命很長(zhǎng)，這是滑動(dòng)螺旋副無法比擬的。一般說來，滾珠絲杠副壽命比滑動(dòng)螺旋副高5~6倍，而在某些使用場(chǎng)合下可高達(dá)10倍左右。使用壽命長(zhǎng)這一優(yōu)點(diǎn)，可相對(duì)地彌補(bǔ)滾珠絲杠傳動(dòng)制造成本較高的不足。
基于以上特點(diǎn)，通常情況下超高Dn值滾珠絲杠副適用于高速數(shù)控車床、高速數(shù)控加工中心；端返式滾珠絲杠副適用于快速搬運(yùn)系統(tǒng)、一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械及自動(dòng)化機(jī)械；高速滾珠絲杠副適用于CNC機(jī)械、精密機(jī)床、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、電子機(jī)械及高速化機(jī)械；精密研磨級(jí)滾珠絲杠副適用于CNC機(jī)械、精密機(jī)床、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、電子機(jī)械、輸送機(jī)械及航天工業(yè)等；螺母旋轉(zhuǎn)式系列滾珠絲杠副適用于半導(dǎo)體機(jī)械、產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人、木工機(jī)、鋪射加工機(jī)及搬送裝置等；軋制級(jí)滾珠絲杠副適用于低摩擦、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢等機(jī)械傳動(dòng)場(chǎng)合，同時(shí)供貨迅速且價(jià)格低廉；重負(fù)荷滾珠絲杠副適用于全電式注塑成形機(jī)、沖壓機(jī)、半導(dǎo)體制造裝置、重負(fù)荷制動(dòng)器、產(chǎn)業(yè)機(jī)械及鍛壓機(jī)械等。

山東理工精密機(jī)械聯(lián)合我國(guó)材料研究所共同研制開發(fā)并采用特殊材料制造的高耐磨滾珠絲杠經(jīng)客戶測(cè)試驗(yàn)證，使用壽命超出國(guó)內(nèi)常規(guī)滾珠絲杠的7倍，目前已經(jīng)形成批量化生產(chǎn)，該技術(shù)的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)的滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品制造水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了國(guó)外的產(chǎn)品。