（机械设计及理论专业论文）高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究.pdf

h i g h - s p e e db a l ls c r e wp e r f o r m a n c ea n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ff r i c t i o n h a n x i n j i a n ( x i n g t a ip o l y t e c h n i cc o l l e g e ) 2 0 0 2 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i n t h e s c h o o lo fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rr u iz h i y u a n m a y ，2 0 11 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 韩却硅 日期：j 年加7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 辫新硅 刷噬辄蛳7 ， 日期：驯年加7 日 吼驯7 年6 月7 日 一 硕士学位论文 目录 摘习暮i a b s t r a c t i i 第一章绪论。l 1 1 课题背景1 1 2 课题意义2 1 3 滚珠丝杠副的发展现状3 1 - 3 1 滚珠丝杠副的种类：3 1 3 2 滚珠丝杠副结构4 1 3 3 滚珠丝杠副精度6 1 3 4 滚珠丝杠副性能6 1 3 5 滚珠丝杠副的高速化发展趋势7 1 4 滚珠丝杠副摩擦性能国内外研究现状l o 1 4 1 滚珠丝杠副摩擦性能国外研究现状1 0 1 4 2 滚珠丝杠副摩擦性能国内研究现状1 l 1 5 研究目标l3 1 6 研究内容l3 1 7 本章小结1 3 第二章滚珠在工作滚道中的接触特性及丝杠的传递效率1 4 2 1 概j 签1 4 2 2h e r t z 接触理论1 4 2 3 赫兹接触理论求解滚珠丝杠接触压力及弹性变形l7 2 3 1 滚珠与工作滚道的接触弹性变形1 7 2 3 2 螺母与丝杠的轴向弹性位移1 8 2 4 滚珠丝杠由转动转变为直线进给运动的传递效率模型建立2 0 2 4 1 丝杠副预紧条件下只考虑滑动摩擦的准静态分析2 l 2 4 2 丝杠副预紧条件下只考虑滚动摩擦的准静态分析2 3 2 4 3 丝杠副预紧条件下滚动滑动摩擦综合考虑准静态系统总效率2 4 2 5 数学模型验证2 5 2 5 1 滚珠丝杠副弹性变形模型验证。2 5 2 5 2 滚珠丝杠副传递效率数学模型的验证2 9 2 6 本章小结3 0 第三章高速滚珠丝杠副摩擦力矩理论分析3 2 3 1 概述3 2 3 2 滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理3 2 3 2 1 滚珠丝杠副弹性滞后引起的纯滚动摩擦3 3 3 2 2 滚珠丝杠副滚珠差动滑动阻力3 4 3 2 3 滚珠丝杠副滚珠自旋滑动阻力一3 5 3 2 4 滚珠丝杠副滚珠与滚道的黏着阻力3 5 3 2 5 滚珠丝杠副滚珠与滚珠之间的滑动摩擦3 6 3 2 6 滚珠丝杠副滚珠与滚道之间润滑剂的粘滞阻力一3 7 3 2 7 滚珠在反向器中的摩擦阻力3 8 高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究 3 3 滚珠丝杠副摩擦力矩分析模型3 9 3 3 1 滚珠与丝杠螺母滚道的滑动摩擦阻力4 0 3 3 2 滚珠与丝杠螺母滚道的滚动摩擦阻力。4 1 3 3 3 滚珠丝杠副的摩擦系数4 1 3 3 4 滚珠丝杠副总摩擦力矩模型4 3 3 4 滚珠丝杠副的摩擦发热计算4 4 3 4 滚珠丝杠副摩擦力矩及发热量的理论计算4 5 3 4 1 滚珠丝杠副摩擦力矩的理论计算4 5 3 4 。2 滚珠丝杠副温升的理论计算4 8 3 5 本章小结4 9 第四章滚珠丝杠副摩擦力矩的实验研究5 1 4 i 概述5l 4 2 滚珠丝杠副摩擦力矩实验研究国内外现状5 l 4 3 滚珠丝杠副温度测量系统的实验原理5 2 4 4 滚珠丝杠副温度测量系统的搭建5 2 4 4 1 实验平台的结构设计5 2 4 4 2 试验平台的数据信号采集分析系统5 3 4 5 滚珠丝杠副温度测量结果与分析5 4 4 4 本章小结5 6 结论一5 7 参考文献5 8 致谢6 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 3 n 硕士学位论文 摘要 精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，随着高速切削技术的发展，对 滚珠丝杠副的线速度提出了越来越高的要求。滚珠丝杠副的高速化同时带来了由 于摩擦引起的温升问题，温升成为制约滚珠丝杠副高速化的关键因素。研究滚珠 丝杠副的接触特性和传递效率在高速下的影响，分析高速滚珠丝杠副摩擦力矩的 产生机理，建立摩擦力矩分析方程，为解决高速滚珠丝杠副的发热问题提供理论 和技术支持，具有重要的理论价值和实际意义。 本文应用赫兹接触理论，在考虑螺旋升角的情况下，分析滚珠丝杠副中滚珠 与滚道的接触特性。利用滚珠丝杠副的静力平衡，从只考虑滚珠与滚道的滑动摩 擦、只考虑滚动摩擦和滚动滑动摩擦综合考虑三个方面，建立滚珠丝杠副的传递 效率方程。从接触应力、轴向弹性变形和传递效率三个方面分析丝杠增大螺旋升 角后的影响，并利用理论计算、有限元仿真和实验的方法验证建立模型的正确性。 根据赫兹接触模型及摩擦学原理，研究滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理。利 用质点系的动能定理，建立滚珠在反向器中的摩擦力矩分析模型。考虑接触载荷 和速度对摩擦系数的影响，建立滚珠丝杠副总摩擦力矩分析模型，并分析了不同 载荷和转速对摩擦力矩的影响。为分析摩擦力矩对丝杠发热的影响，利用传热学 原理建立了摩擦力矩和丝杠温升值之间的关系方程。最后通过实验测量丝杠在不 同转速不同时间内温度的变化，对建立的摩擦力矩分析模型进行验证。 关键词：滚珠丝杠；接触特性；传递效率；摩擦力矩 高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究 a bs t r a c t p r e c i s i o nb a l ls c r e wi sak e ym a c h i n et o o l so fc n c w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g y ，t h e r ea r eh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h es p e e d o ft h eb a l ls c r e wl i n e h i g h s p e e db a l ls c r e wb r i n g sa b o u tat e m p e r a t u r er i s ec a u s e db y f r i c t i o n ，s e r v i n ga sam a i nc o n s t r a i n tt ot h ei m p r o v e m e n to fi t ss p e e d t h e r e f o r e ，i t so f g r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et op r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r t i ns o l v i n gt h eh e a t i n gp r o b l e mo fh i g h s p e e db a l ls c r e w sb yr e s e a r c h i n gt h ee f f e c t so f h i g hs p e e d o ni t sc o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s f e re f f i c i e n c y ，a n a l y z i n gt h e m e c h a n i s mo ff r i c t i o nt o r q u e ，a n de s t a b l i s he q u a t i o n so nt h ea n a l y s i so ff r i c t i o n t o r q u e c o n s i d e r i n gt h eh e l i xa n g l e ，t h i st h e s i sa p p l i e sh e r t zc o n t a c tt h e o r yt oa n a l y z e t h ec o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c so fb a l l sa n dt h er a c e w a y u s i n gt h es t a t i ce q u i l i b r i u mo fb a l l s c r e w s ，e s t a b l i s ht h et r a n s f e re f f i c i e n c ye q u a t i o nt h r o u g hc o n s i d e r a t i o nf r o mt h r e e a s p e c t s ：t h es l i d i n g f r i c t i o no fb a l la n dt h er a c e w a y , r o l l i n gf r i c t i o na n dt h e c o m b i n a t i o no ft h et w om e n t i o n e da b o v e t h e n ，a n a l y z et h ec h a n g ea f t e ri n c r e a s i n gt h e s c r e wh e l i xa n g l eb yc o n s i d e r i n gt h ec o n t a c ts t r e s s ，a x i a le l a s t i cd e f o r m a t i o na n d t r a n s f e re f f i c i e n c y a n dp r o v et h em o d e lv a l i d a t i o nw i t ht h eu s eo ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s a c c o r d i n gt oh e r t zc o n t a c tm o d e la n dt h ep r i n c i p l e so ft r i b o l o g y ，a n a l y z et h e m e c h a n i s mo fb a l ls c r e wf r i c t i o nt o r q u e e s t a b l i s hb a l lc o n t r o li nt h er e v e r s em o d e lo f t h ef r i c t i o nt o r q u eb a s e do nt h e o r e mo fk i n e t i ce n e r g yo fp a r t i c l e s b e s i d e s ，e s t a b l i s h t h eb a l ls c r e wf r i c t i o nt o r q u em o d e ld e p u t yc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fc o n t a c tl o a da n d s p e e do nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，a sw e l la sd i f f e r e n tl o a da n ds p e e do nt h ef r i c t i o n t o r q u e f o rt h ea n a l y s i so fh o wf r i c t i o nt o r q u ew i l l a f f e c tt h eh e a to ft h es c r e w , e s t a b l i s ha ne q u a t i o no nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n f r i c t i o n t o r q u ea n dt h es c r e w t e m p e r a t u r er i s eu s i n gp r i n c i p l e so fh e a tt r a n s f e r f i n a l l y , p r o v et h em o d e lv a l i d a t i o n o ft h ef r i c t i o nt o r q u eb y m e a s u r i n gt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e so fb a l ls c r e w sa t d i f f e r e n ts p e e d sa n dp e r i o d so ft i m e k e yw o r d s ： b a l ls c r e w s ；c o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c s ；t r a n s f e re f f i c i e n c y ；f r i c t i o n t o r q u e l l 硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 滚珠丝杠副起源于十九世纪末，1 8 7 4 年就已经在美国获得了专利，但真正得 到使用和发展却是在二十世纪四十年代以后。1 9 4 0 年美国通用公司将滚珠丝杠副 应用在汽车方向盘转向机构上，从此，滚珠丝杠才得到了真正的使用和发展。由 于滚珠丝杠副所具有的高精度、高效率、高刚度、运行平稳等特点，因此被广泛 应用于各行各业，尤其是在精密机械、自动化、各种动力传输、半导体、医疗和 航天等产业上得到了广泛应用。 1 9 4 3 年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在 精度和性能上产生了较大的飞跃，数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚 珠丝杠副的研究和生产。从5 0 年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产 厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的w a r n e r - b e a v e r 公司、g m s a g i n a w 公司；英国的r o t a x 公司；日本的n s k 公司、t s u b a k i 公司等。 我国直到5 0 年代末期才开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。如 今国内规模较大的滚珠丝杠副专业生产厂家像南京工艺装备厂、陕西汉江机床厂 和济宁博特丝杠厂等几家，年产能力都在几万套以上。产品的精度指标已接近国 外先进水平，但产品的性能指标同国外著名公司相比，还存在较大的差距，表1 1 给出了国内外滚珠丝杠产品的性能对比。 表1 1 国内外滚珠丝杠副产品的性能对比 。、 爱太 生囊 磁荻( i n )鬟簿运动默唆蕾d b )滋舟， 4 n 僵 蝴 t 3 0 0 = = 一速度姻越3 0 a n i n3 0 l ，- i 囊 t 万 茗产 t 醺溪麓c n n i n )c m s 下羹途下试 、 厂袈 蕊井o 0 21 59 扣1 2 01 5 - 2 05 0_ c 誊 翻内o o 蓐1 0潞8 01 0 t 5 tt 0 l o 基础理论研究的薄弱是造成我国精密滚珠丝杠副质量落后的主要原因，滚珠 丝杠可以看作是滚珠轴承在滑动丝杠上的嫁接，但又有自己本身的结构特点，在 滚动轴承方面国内外做了大量的理论和试验研究，但是，对滚珠丝杠的研究却相 对较少，尤其是在滚珠丝杠副的摩擦性能研究方面，目前国内基本上还处于空白 高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究 状态。 在高速机床发展过程中，虽然已出现了直线电机进给驱动系统，但目前高速 滚珠丝杠副传动系统仍是高速机床进给驱动系统的主要形式心1 。因此，发展高速 滚珠丝杠副是实现高速切削加工的关键技术之一。 随着高速切削的发展，进给速度越来越高，因此作为数控机床关键功能部件 的滚珠丝杠副，其线速度也在不断向高速方向发展，滚珠丝杠的高速化又必然会 带来高温升，造成丝杠的热变形进而降低了加工精度。而丝杠发热主要是由滚珠 丝杠副的摩擦引起的，可以说，摩擦特性己成为制约精密滚珠丝杠副高速化的关 键问题。 综上所述，只有深入开展滚珠丝杠副摩擦特性的研究，弄清影响滚珠丝杠副 摩擦性能的因素，才能有针对性地采取有效措施控制丝杠温升，实现数控加工中 心高速化的发展要求。 1 2 课题意义 机械制造业是整个国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部 门的发展，也影响到国计民生和国防力量的强弱，也是一个民族迄立于世界的基 石，因此，各国都把发展机械制造业放在经济社会的首要位置。随着机械产品国际 市场竞争的日益加剧，各大公司都把高新技术注入机械产品的开发中，作为竞争取 胜的重要手段。而机床是制造业乃至整个工业必不可少的生产工具和工作母机， 是机械制造业中最基本的设备，是体现机械制造业工艺水平的重要标志，是关系 国计民生、国防尖端建设的战略物资，是国家经济发展的重要动力。现在工业发 达国家都把生产高速、高精度加工中心作为其重要的发展目标，其生产能力和技 术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。 数控机床伺服进给系统由控制电路、电器驱动部件和执行部件组成。进给系 统性能的好坏直接影响到一台机床的工作性能和加工精度。进给传动部件的振动 和热变形、工作台的高速性和大惯量、都会影响机床的定位精度。另外，机械传 动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能的影响也很大。现代数控机床日益 向着高速、高效率、高精度方向发展，对机床伺服进给系统整体性能的要求也越 来越高。因此深入研究数控机床进给系统的特性，这对数控机床整体性能的提高 具有重要的意义。高速切削加工技术中的“高速“是一个相对概念，包括高速主 轴、高速进给系统、高速c n c 控制系统、高速换刀装置，其中高速进给系统是高 速高精度加工中心的重要组成部分。进给系统的高速性是评价高速机床性能的重 要指标之一，目前高速加工中心的切削进给速度一般为6 0 - - - 1 2 0 m m i n ，有的高速 加工中心进给速度高达2 4 0 m m i n 。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运 动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度、小的惯 2 硕士学位论文 性以及很高的定位精度，高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、 直线电动机和虚拟轴机构。目前高速滚珠丝杠副传动系统仍是高速机床进给驱动 系统的主要形式，因此，分析以高速滚珠丝杠副为主要驱动方式的伺服进给系统 的性能是实现高速切削加工的关键技术之一。 随着高速切削的发展，进给速度越来越高，因此作为数控机床关键功能部件 的滚珠丝杠副，其线速度也在不断向高速方向发展，滚珠丝杠的高速化又必然会 带来高噪声、高温升和低寿命等一系列的问题。可以说，噪声、温升和寿命等性 能指标己成为制约精密滚珠丝杠副高速化的关键问题，而滚珠丝杠副中的各种摩 擦是造成温升和影响寿命的主要因素，因此研究滚珠丝杠副各种摩擦的产生机理， 深入分析其造成的影响，对提高滚珠丝杠的性能有着重要意义。另外，虽然国内 外对滚珠丝杠副的研究做了很多工作，但是对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素和 摩擦与丝杠温升关系的研究还比较少，且对这些问题还没有一个非常统一的认识， 行业内也迫切需要这方面的理论和实验研究为提高产品性能提供科学的依据。 因此，通过研究滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理，建立摩擦力矩分析模型， 分析摩擦力矩与丝杠温升的关系，对提高机床的整机性能和加工精度具有重要意 义。并对高速滚珠丝杠副的温度场、热变形及冷却性能的分析研究提供理论和试 验基础。为提高高速立卧系列加工中心的整机性能具有重要意义。 1 3 滚珠丝杠副的发展现状 1 3 1 滚珠丝杠副的种类： 由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求 也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、 小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径玩1 2 m m ， 导程p h = o 5 - 2 5m m 的微型滚珠丝杠副。日本n s k 公司已开发出公称直径d o = 4 m m ， 导程f , h = o 5 m m 的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等 需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。 随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、 加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝 杠副的出现，满足了高速化的要求。日本n s k 公司已开发出公称直径导程为： 1 5 m m 4 0 m m 、1 6 m m 5 0 m m 、2 0 m m 6 0 m m 、2 5 m m 8 0 m m 超大导程滚珠丝杠副，快速 进给速度达1 8 0 m m ir l 。 现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则 进行分类的，普通滚珠丝杠副一般指公称直径巩= 1 6 1 0 0 m m ，导程p h = 4 2 0 m m ， 螺旋升角巾 9 。的滚珠丝杠副称为微型大 导程滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副按照常规分类如图1 1 。 大导程滚珠丝杠副指公称直径以1 6 m m ，螺旋升角1 7 。巾 9 。或导程 1 2 巩p h d o 的滚珠丝杠副，对于螺旋升角由 1 7 。称为超大导程滚珠丝杠副。 重型滚珠丝杠副指公称直径玩1 2 5 m m 的滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副 微型滚珠丝杠副 普通滚珠丝杠副 大导程滚珠丝杠副 重型滚珠丝杠副 微型大导程滚珠丝杠副 微型小导程滚珠丝杠副 大导程滚珠丝杠副 超大导程滚珠丝杠副 图1 1 滚珠丝杠副分类 1 3 2 滚珠丝杠副结构 滚珠丝杠，副的结构形式对其性能有着决定性的影响，国内外先后出现过很多 的结构形式，但随着对滚珠丝杠副研究的深入和生产实践中的不断摸索，目前得 到广泛应用的结构形式并不是很多。 各种不同结构的滚珠丝杠副，其主要区别在于螺纹滚道的截面形状、滚珠的 循环方式及轴向间隙与预紧载荷的调整方式几个方面。 滚珠丝杠副的螺纹滚道型面的形状有多种，但常用的主要有单圆弧和双圆弧 两种口3 ，如图1 2 所示。单圆弧螺纹滚道的弧面仅为半径为r 的圆周的一小部分， 接触角随初始接触角和轴向力的变化而改变。双圆弧螺纹滚道的弧面由两道半径 为r 的圆周的一小部分组成，接触角基本不变，一般取4 5 。 单圆弧滚道 双圆弧滚道 图1 2 滚珠丝杠副螺纹滚道形状分类 4 硕十学位论文 滚珠丝杠副的循环方式有内循环( 以圆形反向器和椭圆形反向器为代表) 和外 循环( 以插管为代表) 两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有 本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前， 滚珠丝杠副的结构已有1 0 多种，但比较常用的主要有以下几种如图1 3 h 1 ：盖板 环式( a ) ；外循环式( b ) ；内循环式( c ) ；端盖环式( d ) 。各循环方式的结构 特点如表1 2 所示。 l c j 图1 3 滚珠丝杠副循环结构 e 循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形都是圆形和椭圆形。 由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构。现在，最好的 反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶，类似外循环结 构，因此，消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。但由于制造工艺较 复杂，影响了这种结构的推广。 滚珠丝杠副的轴向间隙会影响其传动精度和定位精度，因此，使用时必须采 取预紧措施，有单螺母预紧和双螺母预紧两种。其中，单螺母预紧又分为变位导 程预紧和钢球过盈预紧两种方法；双螺母预紧分为垫片调隙式、螺纹调隙式和齿 差调隙式三种n 1 。 高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究 表1 2 滚珠丝杠副循环结构特点比较 麓珂：圈数 螺母 秘旋转赢 嗣数列戮 尺寸 通缝反霸嚣组成滚珠褥环图绍 内锤环竣擒 辑一个反翻嚣组成i 强澎璩链， 1 2 硼 夸 因她承戟，l 、透压予兹翌滚醵旌以上 往副毒警遁潼臻重幺扳戳 懑避插笞组成泼缭褥鞲露路，鸯 一个锰謦至少1 5 翻i 爱球绣园 1 sl 铡 外循环结梅犬 她蕊鲅犬透成予， 、罨程，一般以上以上 冬程，犬罨经蔫羲鏊滚殊旌红副 逢缝螺母两瑞豹璇盔坦j 睃攮绦 锈瑶签黯，每个霆路蔓少l 翟凄 l咧 躐麓珂蹈薄每小 珠髓，承裁大逶应手多头太辱 以上以上 程。嫠丈等程演缘纽扛搿。 灏泣警摄缒威瀑瑗铭环雹路，每 个螺母一个蓉蟥，餐个盏舨缝戒1 s 蓝摄环络擒 l中 蚕少1 5 圈滚球踌遥瘦寻徽型以上 滚垮旌拄戮 1 3 3 滚珠丝杠副精度 过去，为了获得高的定位精度，主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现， 因此，对滚珠丝杠的导程累积误差要求很高，给滚珠丝杠副的制造带来困难，使 滚珠丝杠副的生产成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副，只有通过数控螺纹磨床 或激光反馈螺纹磨床加工才能达到。随着科学技术的不断发展，人们掌握了数控 补偿技术，因而，不需要很高精度的滚珠丝杠副，也能获得高的定位精度。为了 适应数控补偿技术的要求，国际标准i s 0 3 4 0 8 - 3 - 1 9 9 2 以及部颁标准j b 3 1 6 2 2 - 9 2 都对滚珠丝杠副的行程变动量做了要求，如有效行程内行程变动量、任意3 0 0 m m 行程内行程变动量、2 y 弧度内行程变动量n 1 。其目的就是要控制滚珠丝杠副行程 误差的直线性，也即滚珠丝杠副行程误差线性化，为数控误差补偿创造条件。 1 3 4 滚珠丝杠副性能 随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机 械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度， 而且运转平稳，无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副 摩擦力矩的平稳性。 滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠 副噪声产生的原因主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道 的粗糙度、丝杠的弯曲，以及滑动摩擦跳跃特性引起的振动等。滚珠丝杠副的温 升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。此 6 硕十学位论文 外摩擦力矩的平稳性也是影响丝杠副定位精度的重要因素。因此滚珠丝杠副的摩 擦力矩是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要指标之一。 1 3 5 滚珠丝杠副的高速化发展趋势 进入2 1 世纪，按照新型工业化的道路，数控机床及各类机电一体化自动机械 正向高精度、高速度、高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保方向发展。尤其 是汽车工业、航空航天工业的发展对轻合金的高速切削加工h s c ( h i g h s p e e d c u t t i n g ) 越来越重视，h s c 已成为2 l 世纪装备制造业发展的热点。以加工中心为 例，伺服进给的快移速度，在2 0 世纪8 0 年代为1 5 2 4 m m i n ，加速度o 3 9 ，到 9 0 年代前期为2 0 3 2 m m i n ，加速度o 5 9 ，到9 0 年代后期为4 0 一8 0 m m i n ，加 速度l 1 2 9 ，目前已达到6 0 1 2 0 m m i n ，加速度1 5 2 9 的水平嗨1 。加工中心、 工业机器人、c n c 锻压机械和自动化机械的进给速度不断提高，带动了滚珠丝杠副 直线运动速度的不断提升。 当然，高速化只是一种趋势，是一个相对的概念，在不同的时代有不同的标 准，当前来讲，一般认为线速度达到6 0 m m i n 以上为高速。而且，高速丝杠不仅 仅是速度高，同时还要达到高性能，这样才有意义。也就是说滚珠丝杠在速度提 高的基础上，还要达到高的精度稳定性、高的动态刚度、低噪声、低温升和长寿 命等性能哺1 。要实现滚珠丝杠副的高性能，这需要在滚珠丝杠的设计、制造及试 验检测技术上不断的创新。 滚珠丝杠副的高速化所带来的问题： 理论上来说，滚珠丝杠的线速度可以简单地通过提高转速实现，但是，提高 丝杠的转速也同样存在很多问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 滚珠丝杠螺母副传动系统的刚度较低，受系统共振临界转速的限制。 由滚珠丝杠螺母副组成的振动系统产生共振的临界转速m ，其计算公式为： m = 篑厝 式中：旯，由支承形式决定的支承系数；三，丝杠支承间距，m m ； e ，丝杠轴材料的纵向弹性模量，m p a ，丝杠轴底径的最小惯性矩，m m 4 ； g ，重力加速度，m m s 2 ； y ，丝杠轴材料的密度，n m r n 3 ； 4 ，丝杠轴底径的横截面积，m m 2 。 从上式可以看出，丝杠螺母副系统产生共振的临界转速与丝杠轴材质、支承 形式、支承间距、丝杠轴底径等因素有关，要提高丝杠的转速不是一个简单的问 题。 ( 2 ) 滚珠受安全转速的限制 7 高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究 为了表示滚珠在丝杠螺纹滚道和循环装置内滚动的安全性、可靠性，通常借 用滚珠轴承的巩叻值( 此处氤为滚珠丝杠的名义直径，刀为丝杠的转速) 来表示滚 珠丝杠副的高速极限，实际上，以叻值反映的是滚珠中心线速度的大小。为方便 计算，工程中常以螺杆外径d 取代反，将该数值称作d n 值。对于矽5 0 m m x3 0 m m 的 滚珠丝杠，在丝杠转速为3 0 0 0r m i n 时，d n 值可达1 5 万，进给速度为9 0 m m i n 。 但同滚动轴承相比，滚珠丝杠螺母副没有防止滚珠之间相互摩擦的保持架， 反而多了循环返向装置，这使得滚珠丝杠螺母副的d n 值比滚珠轴承的d n 值小得 多，从而使滚珠能安全、畅通流动的转速受到限制。 ( 3 ) 温升和热变形的限制 丝杠螺母副在高速回转下发热比较严重，使丝杠有较大的温升和热变形，从 而影响机床传动精度，有关实验表明，滚珠丝杠螺母副的发热量主要取决于摩擦 力，当回转速度增大时，丝杠螺母副产生的热量无法实时散发而造成温升，引起 滚珠丝杠轴变形，改变了工件和刀具之间的相对位置，使得加工精度降低。 ( 4 ) 噪声较大，环保性差 据有关试验表明，在未采取降噪减振措施时，滚珠丝杠的转速每提高1 0 0 0 r m i n ，噪声提高4 5 d b 陆1 。高速回转时滚珠丝杠螺母副噪声的来源是滚珠与导珠 管的碰撞、滚道表面粗糙度、滚道表面形状和滚珠之间的碰撞，这些因素取决于 滚珠丝杠螺母副的加工工艺。 滚珠丝杠副高速化的技术对策 要实现精密滚珠丝杠的高速化，上述问题是必须要面对和解决的，解决上述 问题的基础是结构的创新，同时要提高工艺水平和制造质量。为此，国内外做了 大量的工作，也取得了可喜的成绩，其中以日本、瑞典和德国的成绩最引人注目， 而日本n s k 的研究和制造水平更是代表了当今世界精密高速滚珠丝杠副研究和生 产的最高水平和发展方向。在精密滚珠丝杠副的高速化方面主要采用了以下的技 术和对策： l 、增大丝杠的导程和螺纹头数 滚珠丝杠的进给速度为转速与导程的乘积，因此，实现滚珠丝杠的高速进给 有两种方法：一是提高滚珠丝杠转速；二是加大滚珠丝杠导程，朝大导程方向发 展。所谓大导程就是使丝杠导程与丝杠轴外径之比大于或等于l 2 。目前，世界 各滚珠丝杠制造商都已经采用了这种技术，日本的n s k 还开发了3 倍导程系列的 产品。 加大丝杠的导程，会使丝杠的导程误差加大，难以保证精度，而且随着导程 的加大，启动力矩也变大，这会影响传动的平稳性。所以单纯采取加大丝杠导程 的方法难以满足市场需求，须将两种方法配合使用才行。为了兼具高速化、高精 度化，必须取得转速与导程的平衡。因此滚珠丝杠高速回转能力的提升，也同样 8 硕七学位论文 非常重要。 采用双头螺纹可以增加滚珠的有效承载圈数，从而提高丝杠的刚度和承载能 力，提高滚珠丝杠螺母副在高速运行中的平稳性哺1 。 2 、采用空心强冷技术 最早将空心强冷技术用于精密高速滚珠丝杠副的日本n s k 公司，1 9 9 8 年推出 用于高速数控机床的h z c ，h z f 和h d f 系列高速滚珠丝杠副产品，直径3 6 - - 5 5 m ， 导程1 6 - 3 0 m m ，d n 值1 5 0 0 0 0 ，最高线速度1 0 0 m i i i ，加速度1 3 9 ，双头螺纹。 该公司曾对中空丝杠的各种冷却方法进行试验对比，试验结果表明，采用强制冷 却技术效果十分明显，一是温升幅度很小，只有2 左右，二是到达稳定温度的时 间明显缩短，只需要3 0 分钟左右旧1 。 日本m a k i n o 公司还研制开发了电子冷却器控制系统，可适时监控滚珠丝杠的 温升，使其保持在允许范围内。 我国台湾p m i 银泰科技公司在空心强冷技术方面采取在一端封闭的空心丝杠 中插入冷却油管的专利技术( 台湾专利1 0 7 4 8 5 ) n 引，其特点是改变冷却液在丝杠体 的循环方式，达到更好的制冷效果，而且结构简单，当线速度为1 0 0m m i n 时可 使温度变化控制在1 内。该公司在c i m t 2 0 0 1 上展出了f s w ，f d w 系列双头、多头 高速滚珠丝杠产品及噪声测量装置，该产品d n 值1 3 0 0 0 0 - - 1 4 0 0 0 0 ，线速度达到 1 0 0 1 2 0m m i n 。为了增强丝杠轴的抗振能力，n s k 公司发明了在中空丝杠孔内 配置“内藏减振阻尼器 的专利技术1 ，使临界转速m 和d n 值进一步提高，用 较简便的办法实现低成本提速，而且把行程范围扩大到4 m 以上，可实现长行程高 速驱动。据介绍，该公司在试验室已能使d n 值达到2 0 0 0 0 0 。 3 、改进滚珠循环返向装置和滚珠的流畅性 ( 1 ) 优化滚珠返向器的结构 采用三维型导珠管，优化回珠曲线，沿内螺纹的导程角方向插入滚珠螺母体 内并与滚道相切( 而不是相交) ，三维导珠管顺利导引滚珠流畅地出入循环返向装 置，使布氏撞击耗损明显减小，摩擦力矩平滑，噪声低。 我国台湾p m i 公司的精密高速滚珠丝杠副采用“相切 的“e 型滚珠回流系统 ”( 台湾专利1 6 3 2 0 6 号) ，使噪声降低8 l o d b ( a ) 并明显提高了滚动体的流畅性。 ( 2 ) 采用适当滚珠与滚珠链结构 在高速运转下，滚珠的自转速度、公转速度、离心力和陀螺力矩都很大，滚 珠相互之间的碰撞、进出返向机构时的冲击力也很大。为此，解决这个问题有以 下几种办法：通过对滚珠链优化计算，适当减少滚珠直径；采用空心钢球； 将滚珠链中的钢球按一大一小间隔排列；可采用双m 等陶瓷材料制造滚珠； 仿照轴承保持架结构，给滚珠加隔圈。实践证明后两种措施更为有效n 劓。 因陶瓷材料具有硬度高、密度小、弹性模量大、线膨胀系数小、耐磨损、寿 命长等特点，因此以陶瓷等材料制造滚珠将显著降低温升，减小噪声，增加d n 值， 9 高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究 从而有效提高滚珠丝杠螺母副传动系统的高速性能。 在滚珠链各相邻滚珠之间加入用特殊树脂制造的滚珠隔圈，它避免了相邻滚 珠之间的摩擦、挤压和碰撞，还能润滑滚动体，延长工作寿命。采取上述两项措 施使动态转矩更趋平滑，动态预紧转矩的波动量平均下降0 0 5 - - 0 0 8 n m ，仅为传 统结构的1 1 0 左右，噪声降低5 - 8 d b ( h ) n 引。日本t h k 的s b n 系列、n s k 公司的 s 1 系列，台湾p m i 的e 型滚珠回流系统等均采取了上述措施。t h k 的s b n 系列直 径3 2 - - , 5 0 m m ，导程1 0 - - 2 0 m m ，d n 值1 3 0 0 0 0 ，速度大于7 8 m m i n ，加速度为l g ， 在3 0 0 0r m i n 时的噪声仅为6 0 - - 6 9 d b ( a ) 。 ( 3 ) 无循环返向装置结构 为了摆脱循环返向装置对d n 值的制约，近年出现了无返向装置的滚珠丝杠副。 例如在滚珠螺母内配置封闭槽的滚珠螺旋传动装置和“g h f 滚动环螺母装置 ( 我 国专利c n l 2 1 1 0 9 5 0 a ) n 引，以及带圆柱形保持架的滚珠丝杠一螺母传动装置( 德国专 利d e 3 3 0 8 1 4 9 ) 等。这类结构尚处于研发期，它更适用于高速、轻载的场合。 4 、采用双电动机驱动结构 采用两个伺服电动机，一个驱动丝杠轴，一个以相反方向驱动由轴承支承的 滚珠螺母，这样，在不增加丝杠转速的情况下，被驱动部件( 如工作台) 的进给速 度可提高1 倍。同时，该结构还可以实现同方向差动驱动，有利于实现精确微进 丛 1 5 】 多口 。 双电动机驱动另一方案是，采用两套伺服系统和两套滚珠丝杠螺母传动系统 同时驱动同一运动部件。这样，在不增加丝杠直径的情况下可以有效提高驱动系 统的刚度，从而有利于高速进给的实现。 5 、采用螺母驱动形式 当滚珠丝杠较长时，可把传统的“丝杠转动一螺母移动的丝杠驱动方式改为 “丝杠固定，螺母一边转动，一边移动 的螺母驱动方式。其优点是消除了丝杠 临界转速m 的限制，可大幅度提高滚珠丝杠螺母副的转速。 1 4 滚珠丝杠副摩擦性能国内外研究现状 1 4 1 滚珠丝杠副摩擦性能国外研究现状 国外对滚珠丝杠副摩擦性能的研