數(shù)控機床的核心部件滾珠絲杠副簡述

高性能的滾珠絲杠副已成為數(shù)控機床設計中的重要選項之一。所謂高性能就是指在高速的基礎上，滾珠絲杠副具有高的精度及精度穩(wěn)定性，達到高剛度、高承載、自潤滑、低噪聲、小溫升及長壽命等性能。要實現(xiàn)滾珠絲杠副的高性能，需要在滾珠絲杠副的設計、制造及試驗檢測技術上不斷地創(chuàng)新。在加工中心、復合加工機床等數(shù)控機床設計中采用滾珠絲杠副組合直線導軌副的進給系統(tǒng)非常普遍。

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

滾珠絲杠副傳動的摩擦系數(shù)經(jīng)試驗測得，一般為0.0025-0.0035,其傳動摩擦阻力大幅減小，傳動效率得 到很大提高。如圖1-3所示，當摩擦系數(shù)μ=0.003、螺旋升角λ=2°時，傳動效率可達90%以上；當螺旋升角λ=3°時，傳動效率可升至95%以上； 當λ繼續(xù)增大時，傳動效率的理論值可高達98%,但其速率增加的緩慢。滾珠絲杠副傳動效率相當于滑動螺旋傳動的2~4倍，滾珠絲杠傳動相對滑動螺旋傳動來說，能以較小動力推動較大負荷，而功率消耗只有滑動螺旋傳動的1/4~1/2,不僅能大幅減輕操作者的勞動強度，而且對機械小型化、起動后顫動和滯后時間的減少以及節(jié)省能源等方面都具有重要意義。

2.傳動的可逆性
滾珠絲杠副傳動不僅正傳動效率（簡稱正效率）高，而且逆?zhèn)鲃有剩ê喎Q逆效率）也幾乎同樣高達98%(見圖1-3b)。它既可把回轉運動變成直線運動（簡稱正傳動）,又可把直線運動變成回轉運動（簡稱逆?zhèn)鲃樱?。因此，與滑動螺旋傳動相比，滾珠絲杠副傳動突出的不同點是傳動具有可逆性，當然，滾珠絲杠傳動的逆效率高，一方面固然帶來了逆?zhèn)鲃拥暮锰?，但另一方面卻沒有滑動螺旋傳動那樣的自鎖能力，在某些機構中，特別是垂直升降機構中使用滾珠絲杠副傳動時，必須設置防逆轉裝置，因此，與滑動螺旋傳動相比，帶來了機構比較龐雜的缺點。單與靜壓螺旋傳動相比，機構仍屬簡單緊湊，也易于維修。

3、同步性能好
由于滾珠絲杠副傳動的滾動摩擦特性，摩擦阻力幾乎與運動速度無關，靜摩擦力矩極小，起動摩擦力矩與運動摩擦力矩接近相等。因此，運動起動時無顫動，低速下運轉無爬行。這不但縮短了起動時間，消除了在滑動螺旋傳動中的滑移現(xiàn)象，而且大大提高了傳動的靈敏度與準確度，具有持續(xù)平穩(wěn)運行的特點。如果用幾套同樣的滾珠絲杠副同時驅動幾個相同的部件或裝置時，包括起動的同時性、運行中的速度和位移等，都具有準確的一致性，這就是所說的同步性。這種技術特性已成功地應用到各種具有同步要求的機構中。
滿足主機超長行程、重載、高速的需求，滾珠絲杠副的驅動方式從傳統(tǒng)的“絲杠旋轉主驅動”發(fā)展為“螺母旋轉主驅動”，從“單一驅動”到“雙驅動、多驅動”，對“旋轉”與“直線”兩大運動方式進行優(yōu)化組合與疊加，使產(chǎn)品功能得到進一步延伸與擴展。在大型、超長滾珠絲杠副中，滾珠螺母旋轉主驅動具有以下特點：因絲杠固定不動，避免了大型絲杠旋轉時產(chǎn)生的振動和噪聲，大大改善了同服進給系統(tǒng)的動態(tài)特性；轉動慣量小，節(jié)省能源；因避開了絲杠旋轉時兩端支承方式和間距對臨界轉速的制約，有利于高速驅動；支承旋轉螺母的軸承遠大于支承絲杠的軸承，軸向支承剛度更高；可擴展主機功能，完成一軸多驅動。據(jù)統(tǒng)計，國內典型重型、超長CNC機床，例如：CNC大型動梁雙坐標落地鏗床、CNC大型龍門鏗銑床、SK7450×10mCNC超長絲杠磨床、CNC水刀切割機、CNC鋪射加工機及動梁式雙驅動龍門雕鐵床（見圖1-4)等都已成功地采用了這一新的驅動產(chǎn)品。滾珠螺母主驅動比直線電動機更節(jié)能、成本低；比曾長期用于重型機床的齒輪-齒條傳動，其傳動效率更高、運動流暢平穩(wěn)、噪聲小；相比“滾珠蝸母條”，它的結構較為簡單，制造、裝配、調試也頗為方便。在大行程、重載、高速領域，滾珠螺母主驅動型是結構先進的、具有推廣價值的綠色產(chǎn)品，有較大市場潛力。

4.傳動精度高
傳動精度主要是指進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給精度。當采用預緊螺母時，則能完全消除軸向間隙。如果預緊力適當（即最佳預緊力）,在不增加驅動力矩和基本不降低傳動效率的前提下，能提高傳動系統(tǒng)的剛度和定位精度；在帶有反饋系統(tǒng)的滾珠絲杠傳動中，通過機電補償向服系統(tǒng)，能獲得較高的重復定位精度。由于滾珠絲杠副傳動摩擦小，工作時本身幾乎沒有溫度變化，因此不但進給速度穩(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定位精度的重要原因。滾珠絲杠副傳動之所以能在高精度數(shù)控機床、多工序自動數(shù)控機床、精密機床和密測量儀器中獲得廣泛應用，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精度高。
傳動精度是數(shù)控機床的重要技術指標之一。定位精度是指數(shù)控機床工作臺等移動部件實際運動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、檢測系統(tǒng)誤差、進給系統(tǒng)誤差等系統(tǒng)誤差，還包括移動部件導軌的幾何誤差等。定位吳差將直接影響零件加工的位置精度。重復定位精度是指在同一臺數(shù)控機床上，應用相同程序相同代碼加工一批零件，所得到的連續(xù)結果的一致程度。重復定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進給系統(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，是一項非常重要的性能指標。
近年來，隨著數(shù)控機床的發(fā)展和機床結構特性的提高，數(shù)控機床的性能與質量都有了大幅度的提高。中等規(guī)格的加工中心，其定位精度普通級達到±5pm~±8pm/300mm,精密級達到±1pm~±3pm/全程；普通級加工中心的加工精度達到±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床（DMTG)開發(fā)生產(chǎn)的具有國內領先水平、國際先進水平的臥式加工中心，該機床廣泛適用于汽車、模具、機械制造等行業(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)一次裝夾可動完成四個面的鐵、鏗、鉆、擴、餃及攻螺紋的多工序加工。采用內部兩檔變速的高速電主軸保證機床高低速的加工性能。

5.使用壽命長
滾珠絲杠副的絲杠、螺母和滾珠都經(jīng)過粹硬處理，而且滾動摩擦產(chǎn)生的磨損極小，故絲杠副經(jīng)長期使用仍能保持其精度，工作壽命很長，這是滑動螺旋副無法比擬的。一般說來，滾珠絲杠副壽命比滑動螺旋副高5~6倍，而在某些使用場合下可高達10倍左右。使用壽命長這一優(yōu)點，可相對地彌補滾珠絲杠傳動制造成本較高的不足。
基于以上特點，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系統(tǒng)、一般產(chǎn)業(yè)機械及自動化機械；高速滾珠絲杠副適用于CNC機械、精密機床、產(chǎn)業(yè)機械、電子機械及高速化機械；精密研磨級滾珠絲杠副適用于CNC機械、精密機床、產(chǎn)業(yè)機械、電子機械、輸送機械及航天工業(yè)等；螺母旋轉式系列滾珠絲杠副適用于半導體機械、產(chǎn)業(yè)用機器人、木工機、鋪射加工機及搬送裝置等；軋制級滾珠絲杠副適用于低摩擦、運轉順暢等機械傳動場合，同時供貨迅速且價格低廉；重負荷滾珠絲杠副適用于全電式注塑成形機、沖壓機、半導體制造裝置、重負荷制動器、產(chǎn)業(yè)機械及鍛壓機械等。