影響滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的原因及解決方法

陜西漢江機(jī)床有限公司 （漢中 723003） 馬宇理 閆篤政

滾珠絲杠副是絲杠和螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件。它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或者將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它以傳動(dòng)效率高、精度高、精度保持性好、重復(fù)定位精度好、承載能力大、極限轉(zhuǎn)速高而著稱，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及其他高、精、尖數(shù)控產(chǎn)品，機(jī)電一體化產(chǎn)品等產(chǎn)品的傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。

滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)性能包括運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性兩大項(xiàng)。運(yùn)動(dòng)精度包括定位精度、重復(fù)定位精度、返向誤差等，它直接關(guān)系到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)而影響到所加工零件的尺寸及形位精度；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性直接影響著機(jī)床的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，直接導(dǎo)致它所驅(qū)動(dòng)的元件——工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，繼而影響到機(jī)床加工零件表面質(zhì)量。

滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性反映在運(yùn)動(dòng)部件上，具體表現(xiàn)為所驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)元件的穩(wěn)定性，最直接表現(xiàn)就是滾珠絲杠副所驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中工作臺(tái)平穩(wěn)性。平穩(wěn)性好，則工作臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)顫動(dòng)，加工零件質(zhì)量符合要求；平穩(wěn)性差，則工作臺(tái)運(yùn)行不平穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)則出現(xiàn)工作臺(tái)抖動(dòng)、導(dǎo)致加工的零件表面出現(xiàn)振紋、零件表面粗糙度超差，同時(shí)使工件表面尺寸發(fā)生變化，造成被加工零件報(bào)廢。具體原因?yàn)椋簼L珠絲杠副運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩（摩擦力矩）大小變化過(guò)大，在未裝機(jī)的滾珠絲杠副中即單個(gè)滾珠絲杠成品中，主要表現(xiàn)為滾珠絲杠副在一圈轉(zhuǎn)動(dòng)中力矩的變動(dòng)，滾珠絲杠副在整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程中力矩大小的變化，以及運(yùn)動(dòng)中力矩突變有卡死現(xiàn)象發(fā)生。

滾珠絲杠副在一圈轉(zhuǎn)動(dòng)中出現(xiàn)力矩周期性變化主要原因之一是滾珠絲杠副裝配質(zhì)量差。返向元件與滾珠螺母滾道出入口對(duì)接的平滑度差。如附圖所示，如果螺母滾道出口與返向元件軌道出口平滑過(guò)渡，滾動(dòng)體在滾珠螺母滾道向返向元件軌道運(yùn)動(dòng)過(guò)程及返向元件軌道向螺母滾道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中（在滾道出入口處）運(yùn)動(dòng)流暢，滾道與返向器接口無(wú)阻滯；反之，如果螺母滾道出口與返向元件軌道出口不是平滑過(guò)渡即螺母滾道比返向器軌道高或者螺母滾道比返向器軌道低（一般情況下螺母滾道比返向器軌道高），則滾動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)受阻，造成運(yùn)動(dòng)不流暢，滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差及絲杠動(dòng)靜態(tài)手感差。滾珠絲杠副中返向元件數(shù)量越多，出入口數(shù)量就越多，從零件裝配性來(lái)看保證其平滑就越困難，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性就越差。

返向元件與滾珠螺母滾道出入口對(duì)接

在同樣的循環(huán)圈數(shù)下，內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)比外循環(huán)結(jié)構(gòu)的出入口數(shù)量多，而外循環(huán)結(jié)構(gòu)又比端面返向結(jié)構(gòu)出入口數(shù)量多，故從裝配工藝性來(lái)看，內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)裝配工藝性就要差，外循環(huán)結(jié)構(gòu)次之，端面返向結(jié)構(gòu)工藝性最好。這就是為什么高速運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠副優(yōu)先選用端面返向結(jié)構(gòu)，其次選用外循環(huán)杠結(jié)構(gòu)形式，而極少采用內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)形式的原因所在。

滾珠絲杠副在一圈轉(zhuǎn)動(dòng)中力矩出現(xiàn)周期性變化主要原因之二：零件加工質(zhì)量的影響，主要是滾珠絲杠螺紋滾道圓度與滾珠螺母螺紋滾道圓度的影響。因?yàn)樵诹慵庸ぶ?，滾道均會(huì)產(chǎn)生圓度誤差，當(dāng)滾珠絲杠與滾珠螺母做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠螺母繞絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)二者的圓度誤差較小或裝配后轉(zhuǎn)動(dòng)中二者的低點(diǎn)與高點(diǎn)嚙合時(shí)，運(yùn)動(dòng)就變得很平穩(wěn)；當(dāng)二者的高點(diǎn)與高點(diǎn)或者低點(diǎn)與低點(diǎn)嚙合時(shí)，運(yùn)動(dòng)就變得異常不平穩(wěn)。圓度誤差越大這種現(xiàn)象就越明顯，這時(shí)滾珠絲杠副在轉(zhuǎn)動(dòng)中就會(huì)出現(xiàn)半圈緊、半圈松的情況，導(dǎo)致滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)影響到機(jī)床工作臺(tái)，致使其在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)抖動(dòng)，加工出的零件尺寸精度及形位誤差、表面粗糙度超差。

影響滾珠絲杠副在整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程中動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩（摩擦力矩）大小變化的主要原因是，受滾珠絲杠副公稱直徑變動(dòng)量即滾道中徑尺寸平行度的影響。滾珠絲杠在加工中受切削刀具及刀具磨損的影響，公稱直徑尺寸即中徑尺寸出現(xiàn)變化就成為無(wú)法避免的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，這種情況只是不同的生產(chǎn)廠家，受加工工藝及加工設(shè)備、操作人員水平、加工工藝參數(shù)選擇的不同，加工出的滾珠絲杠公稱直徑的尺寸變動(dòng)量大小不同而已。工藝參數(shù)選擇越合理，操作人員技術(shù)水平越高，采用的加工方法越先進(jìn)的廠家，這方面就控制得越好，反之就越差。加工刀具磨損小、中徑尺寸變動(dòng)量小；反之中徑尺寸變動(dòng)量越大。在加工方式的選擇上，目前加工螺紋的方法不外乎磨削、旋銑、冷擠壓（軋制），這三種方法中，砂輪磨粒在磨削過(guò)程中產(chǎn)生磨損、脫落，進(jìn)而導(dǎo)致砂輪直徑的變化，最終影響到絲杠中徑尺寸的變化，這種情況與所選砂輪的質(zhì)量有直接的關(guān)系。這也是中經(jīng)尺寸相對(duì)于其他兩種方法最不易控制的加工方法。另滾珠絲杠副精度越高，公稱直徑尺寸變動(dòng)量要求越高，在同樣長(zhǎng)度尺寸下，動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變化就越小。

如何提高滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，首要問(wèn)題就是要根據(jù)不同的使用情況，選擇合理的循環(huán)結(jié)構(gòu)形式；其次提高滾珠絲杠及滾珠螺母的零件加工精度即提高零件質(zhì)量，嚴(yán)格控制滾珠絲杠及滾珠螺母滾道圓度及中徑尺寸變動(dòng)量，降低滾道表面粗糙度值；三是提高零件裝配質(zhì)量，保證裝配中滾道與返向元件出入口平滑過(guò)渡；四是在加工及裝配上解決的同時(shí)，再?gòu)臐L珠絲杠副的安裝使用上嚴(yán)格按要求進(jìn)行，只有這樣才可保證滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性，提高其運(yùn)動(dòng)精度。

以上只是作者對(duì)影響滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)性能的一些見解，不妥之處，共同探討。