幾種反向結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副性能對比試驗分析

■陜西漢江機床有限公司 （漢中 723003） 李玉英 王建修 梁 鋒

幾種反向結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副性能對比試驗分析

■陜西漢江機床有限公司 （漢中 723003） 李玉英 王建修 梁 鋒

摘要：本文通過使用自主研發(fā)的試驗臺和測試儀器，對滾珠絲杠副的精度、性能、壽命、精度保持性及可靠性進行了試驗，探索了影響滾珠絲杠副噪聲、速度等指標的主要因素，選擇出適合工作條件和工況的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)。

滾珠絲杠副是數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件。隨著切削技術(shù)的發(fā)展，對滾珠絲杠副的高速度、低噪聲、低溫升等性能提出了越來越高的要求。在我公司承擔的重大專項課題 “漢江滾動功能部件產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應用”（2012ZX04002—011）中，將提高速度、降低噪聲和溫升作為主要研究任務。循環(huán)反向裝置是影響上述指標的主要因素之一。目前國內(nèi)常用的循環(huán)反向裝置有外循環(huán)導管、內(nèi)循環(huán)反向器和端面反向器等，其中端面反向器憑借安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)流暢性好、軸向尺寸小和承載能力大的優(yōu)點，已在國內(nèi)外廣泛推廣應用。

由于我國滾珠絲杠副性能試驗儀器研制起步較晚，測試儀器相對比較匱乏，我公司依靠重大專項的實施，自主研發(fā)了高速滾珠絲杠綜合性能測量儀、重載滾珠絲杠副測量儀、滾珠絲杠副摩擦力矩測量儀、滾珠絲杠副可靠性試驗儀、直線導軌試驗機及直線導軌綜合性能試驗儀等20余臺測量測試儀器。

依靠自主研發(fā)的試驗臺和測試儀器，對幾種反向結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副的精度、性能、壽命、精度保持性及可靠性進行了大量試驗，探索了影響滾珠絲杠副噪聲、速度等指標的主要因素。其中，對端面結(jié)構(gòu)、外循環(huán)隔離墊和隔離鋼球結(jié)構(gòu)、外循環(huán)普通結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副分別進行了速度、加速度、噪聲及溫升試驗。通過對試驗結(jié)果分析，選擇了適合工作條件和工況的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)。

1. 試驗內(nèi)容

（1）試驗產(chǎn)品規(guī)格：分別對普通外循環(huán)結(jié)構(gòu)、外循環(huán)增加隔離鋼球和隔離墊結(jié)構(gòu)、端面結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副進行性能試驗，將試驗結(jié)果進行對比。具體規(guī)格如下：①GQ50mm×20mm×1 586mm× 2 335m m，精度P2級，鋼球φ5.953mm；FC2（Z）—5外循環(huán)結(jié)構(gòu)。② Q50mm×20mm×1 586mm×2 335mm，精度P2級，鋼球φ5.953mm，增加φ5.5mm隔離鋼球；FC2（Z）—5外循環(huán)結(jié)構(gòu)。③ GQ50mm×20mm× 1 586mm×2 335mm，精度P2級，鋼球φ5.953mm，增加隔離墊；F C 2（Z）—5外循環(huán)結(jié)構(gòu)。④GQ50mm×20mm×1 586mm× 2 3 3 5 m m，精度P 2級，鋼球φ6.35mm；FD（Z）—5端面結(jié)構(gòu)。

（2）試驗步驟：分別將不同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副安裝在高速絲杠測量儀上，兩端固定，噪聲采集裝置距離噪聲源0.4m。在相同的測試條件和參數(shù)下，運轉(zhuǎn)30個循環(huán)，分別測出速度、加速度及噪聲等性能指標，噪聲按最大值計；并在相同的運行速度和運行時間下，測量各種結(jié)構(gòu)試驗產(chǎn)品的溫升。

2. 試驗結(jié)果及分析

（1）加速度及速度：通過對循環(huán)反向裝置優(yōu)化和產(chǎn)品性能試驗，研制的端面結(jié)構(gòu)反向器可提高滾珠絲杠副的運行速度，但加速度沒有明顯提高；安裝隔離鋼球雖然可提高運行速度，但由于承載鋼球減少了一半，導致承載能力降低50%，適用于高速度、低承載的使用場合。

（2）噪聲：為提高滾珠絲杠副承載能力、降低噪聲以及保障運轉(zhuǎn)流暢性，研制了φ5.953mm鋼球的隔離墊。考慮到增加隔離

墊后，如果一個循環(huán)鏈間隙太大，會造成隔離墊進入導管碰到舌頭，影響運轉(zhuǎn)流暢性和手感，嚴重時會發(fā)生卡死現(xiàn)象。通過精確計算，應保證循環(huán)鏈間隙在0.2mm以內(nèi)。

將外循環(huán)安裝隔離鋼球和隔離墊、端面結(jié)構(gòu)和不安裝隔離元件的滾珠絲杠副在相同測試條件下，測試噪聲并將試驗結(jié)果進行對比，如圖1所示。

對試驗結(jié)果分析表明，端面結(jié)構(gòu)和安裝隔離鋼球可以提高滾珠絲杠副的運行速度，但噪聲明顯增大。安裝隔離墊滾珠絲杠副運行平穩(wěn)，聲音柔和，未出現(xiàn)振動現(xiàn)象；在靜態(tài)和低速條件下，手感柔和，無發(fā)卡現(xiàn)象；與無隔離裝置結(jié)構(gòu)相比，噪聲降低了約3dB，具有顯著的降噪效果。

在絲杠承載方面，安裝隔離鋼球后，承載鋼球減少一半，導致承載能力降低了50%；但安裝自主開發(fā)的隔離墊后，1個循環(huán)鏈只減少了4個鋼球，對承載能力基本沒有影響。

（3）溫升：在使用過程中，溫升是導致滾珠絲杠副的定位精度和重復定位精度降低的主要原因之一。圖2所示為端面反向結(jié)構(gòu)、有恒溫強制冷卻和無強制冷卻結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副在一定的運行速度下，溫升對比的試驗結(jié)果。

試驗結(jié)果表明，端面結(jié)構(gòu)不能有效降低絲杠溫升；通入恒溫強制冷卻液的滾珠絲杠副溫升明顯低于無冷卻結(jié)構(gòu)和端面反向結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副，在運行90min后，溫升仍低于3℃。因此，在設(shè)計精密滾珠絲杠副時或要求定位精度高的機床上，可采用空心強制冷卻結(jié)構(gòu)來降低溫升，提高精度。

在相同的運行時間下，溫升隨著速度的提高而增大。對圖2中運行時間與溫升試驗結(jié)果進行分析，絲杠在運行前30min，溫升上升最快，隨著運行時間的延長，溫升雖仍有所增加，但上升幅度明顯降低。

圖1　幾種不同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副噪聲測試對比情況

圖2

3. 結(jié)語

通過本次結(jié)構(gòu)及反向裝置改進、增加隔離墊等措施，初步達到了預期效果。試驗表明，滾珠絲杠副改進后，速度和溫升等指標明顯改善，后續(xù)將在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和循環(huán)反向裝置等方面繼續(xù)進行優(yōu)化，致力于持續(xù)降低產(chǎn)品噪聲。

收稿日期：（20150430）