滚珠丝杠副的机械结构及维护

6.2.1　滚珠丝杠副的机械结构及维护

1.滚珠丝杠副的特点

在数控设备上大多采用滚珠丝杠传动代替螺旋丝杠传动。和螺旋丝杠比起来，滚珠丝杠传动有以下特点：

（1）高传动效率。它的传动效率达到90%~96%，是一般滑动丝杠的2~4倍。这就使得它能够用较小的动力来移动较大的负载。

（2）运动平稳。启动力矩和运动力矩基本相等，使它启动时无颤振，低速时无爬行。

（3）寿命长。由于实际载荷远小于许用载荷的原因，它的使用寿命大多超过它的设计寿命。

（4）传动精度高。滚珠丝杠在设计和制造上保证了很高的精度，而且运动精度和定位精度也都较高，同时，运动灵敏、无爬行、磨损小都是它良好精度的保障。

（5）可预紧消隙。经过适当的预紧能提高反向传动精度和刚度，反向时无空行程死区，但是滚珠丝杠副的摩擦角较小，因此不能自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。

2.常用滚珠丝杠的结构

在数控机床上常用的滚珠丝杠见表6-2所示。

表6-2　常用的滚珠丝杠

（续表）

滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径D、导程L和接触角β。公称直径是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它与承载能力直接相关，常用范围为φ30～φ80mm，一般大于丝杠长度的1/30～1/35；导程的大小要根据机床的加工精度要求确定，精度高时，导程小一些；精度低时，导程大一些。一般来说导程的数值在满足加工精度的条件下尽可能取得大一些。参数的具体数值可以查表得出。

3．滚珠丝杠螺母副的维护

（1）滚珠丝杠螺母副传动间隙

滚珠丝杠螺母副的轴向间隙直接影响其反向传动精度和轴向刚度。滚珠丝杠螺母副轴向间隙的常用消除方法是双螺母调整法。它的调整原理是利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别紧贴在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用上述方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。

轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠、螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的间隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括了弹性变形所造成的窜动，可以通过预紧的方法来消除间隙，消除间隙的时候应控制好预加载荷，过大将增加摩擦阻力、降低传动效率、缩短寿命，所以，一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既能消除间隙又能灵活运转。

除了个别采用变量导程或微量过盈滚珠的单螺母消除间隙外，滚珠丝杠螺母副常用双螺母预紧消除间隙。

常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有：

①齿差调隙式（如图6-6所示）在两个螺母的凸缘上加工有圆柱外齿轮，分别与紧固在套筒两端的内齿圈相啮合，左右螺母不能转动。两螺母凸缘齿轮的齿数相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向都转动一个齿或多个齿，然后再插入内齿圈并紧固在螺母座上，则两个螺母便产生角位移，使两个螺母轴向间距改变，实现消除间隙和预紧。

②垫片调隙式（如图6-7所示）在两螺母之间放入一垫片，调整垫片厚度使左右两螺母产生方向相反的位移，使两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。

③螺纹调隙式（如图6-8所示）左螺母外端有凸缘，右螺母右端加工有螺纹，用两个圆螺母1、2把垫片压在螺母座上，左右螺母通过平键和螺母座连接，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，拧紧圆螺母1使右螺母向右滑动，就改变了两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法简单紧凑，工作可靠，调整方便，应用较广，但调整预紧量不能控制。

l—螺母；2—调整垫片；3—反向器；4—钢球；5—丝杠；6—螺母

图6-6　双螺母齿差调隙式结构

l—螺母；2—丝杠；3—反向器；4—钢球；5—垫圈；6—圆螺母；7—螺母

图6-7　双螺母垫片调隙式结构

l—4-内齿圈；2—5-螺母；3—螺母座

图6-8　双螺母螺纹调整间隙式结构

（2）滚珠丝杠副的保护

滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动元件一样，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是在不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入了脏物或使用了肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。对于制造误差和预紧变形量以微米计的滚珠丝杠传动副来说，这种磨损就特别敏感。因此，有效地防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要。

通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的2～3倍，而且内孔做成螺旋的形状，使之紧密包住丝杠，并装入螺母套筒两端的槽孔内。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩。可以采用由较硬的塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并保留一定间隙。

对于暴露在外面的丝杠，一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒黏附到丝杠表面。这几种防护罩都是一端连接在滚珠螺母的断面，另一端固定在滚珠丝杠的支撑座上。

（3）滚珠丝杠的润滑

在滚珠丝杠副里加润滑剂可提高其耐磨性和传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油，润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过在壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副可在每次机床工作前加油一次。

（4）支承轴承的定期检查

数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是非常重要的因素。如为了减少受力后的变形，螺母座应有肋，增大螺母座与机床的接触面积，并要联结可靠。由于滚珠丝杠所承受的主要是轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重，常采用高刚度的推力轴承以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。

常用丝杠的支撑方式如图6-9所示。

图6-9　滚珠丝杠在机床上的支承方式

①一端装推力轴承。如图6-9（a）所示。这种方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用于行程短的短丝杠。如数控机床的调整环节或数控升降台铣床的进给传动结构。

②一端装推力轴承，另一端装向心球轴承。如图6-9（b）所示，这种安装方式用于丝杠较长的情况，当热变形造成丝杠伸长时，其一端固定，另一端能作微量的轴向浮动。为减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离电机热源和丝杠工作时的常用段。

③两端装推力轴承。如图6-9（c）所示，将推力轴承安装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，有助于提高丝杠的轴向刚度，但此种安装方式对热变形较为敏感。

④两端装推力轴承及向心球轴承。如图6-9（d）所示，为了提高刚度，丝杠两端均采用双重支承并施加预紧。这种方式可使丝杠的热变形转化为推力轴承的预紧，但设计时要注意提高推力轴承的承载力和支架刚度。

另外有一种滚珠丝杠专用轴承，如图6-10所示。这是一种特殊的向心推力滚珠轴承，它的轴向承载能力很大，其接触角加大到60°，增加了滚珠数目并相应减小了滚珠直径，它的轴向刚度比一般推力轴承提高了两倍以上，启动力矩也小，使用也很方便，装配时只要用螺母和端盖将内外环压紧，就能获得出厂时已调整好的预紧力。

应定期检查丝杠支承轴承与床身的连接是否有松动，以及支承轴承是否有损坏等。如有以上问题，要及时紧固松动部位并更换支承轴承。

（5）伺服电动机与丝杠的连接伺服电动机与丝杠的连接，必须保证无间隙。在数控设备中，伺服电动机与滚珠丝杠主要采用三种连接方式：直联式、齿轮减速式、同步带式。在闭环数控设备中大都采用直联式。

图6-10　接触角60°的角接触球轴承