数控机床滚珠丝杠副.docx

ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF METALLURGY AND TECHNOLOGY浅谈数控机床滚珠丝杠副名： 专 业： 机械工程系班 级： 08数控技术指导教师： 2010年12 月14 日一、 绪论 3二、 滚珠丝杠螺母副的工作原理 4三、 滚珠丝杠螺母副的特点 6四、 滚珠丝杠螺母副的循环方式 6五、 滚珠丝杠螺母副的支撑 8六、 滚珠丝杠螺母副的制动方式 9七、 滚珠丝杠螺母副的间隙消除 9八、 滚珠丝杠螺母副的预拉伸 12九、 滚珠丝杠的材料和热处理 12十、滚珠丝杠螺母副的防护 14十一、 滚珠丝杠螺母副的参数 代号精度等级和标注......14十二、 滚珠丝杠螺母副的选择方法 19十三、 致谢 20十四、 参考文献 20绪论当前，高度发达的制造业和先进的制造技术已经成为衡量一个国家综合经济实 力和技术水平的重要指标之一，成为一个国家在竞争激烈的国际市场上获胜的关 键因素如今，中国已成为制造业大国，但还不是制造业强国我们要从制造业大国走 向制造业强国，必须大力发展已数控技术为主的先进制造技术，提高计算机设计 与制造（CAD/CAM）的技术水平其中数控机床进给传动系统中的滚珠丝杠副不可或缺，它是直线运动与回转运 动相互转换的新型传动装置，在数控机床领域的应用越来越广泛。

早在1874年，美国专利就记载有采用滚珠螺旋传动的螺旋压力机1940年， 美国首先将滚珠丝杠副用于汽车转向机构上，才成为真正的商品由于设计技术、 制造工艺特别是精密螺纹磨削技术的发展，至1943年，才把滚珠丝杠副用于航 空机械现代，滚珠丝杠副早已应用于很多精密机械尤其数控机床本片论文主要 介绍滚珠丝杠副工作原理，特点，设计等滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副是数控机床进给系统的重要传动部件，它将进给电动机的旋转 运动转换为刀架或工作台的直线运动滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠及反 相器等组成，丝杠螺母上加工有弧形螺旋槽，将丝杠和螺母套在一起形成螺旋式 滚道在滚道内填满滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，二者发生相对轴向位移， 而滚珠则沿着滚道滚动螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能周而复 始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠从滚道掉出其工作原 理如下图所示1—返向器 2—螺母 3—丝杠 4—滚珠图1滚珠丝杠副滚珠丝杠的罗伟滚道按法向截面的不同，分为单圆弧和双圆弧两种不同的形状， 如图3所示其中，单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好图2滚珠丝杠外观(a)单圆弧 (员双圆弧图3螺纹滚道型面滚珠丝杠的特点滚珠丝杆螺母副的优点是1、 传动效率高，传动效率高达90%——96%，约为一般滑动丝杠的2——4倍。

2、 运动平稳，启动时无颤振，低速时无爬行3、 寿命长，机床上使用的滚珠丝杠寿命按累计行程距离计算可达到250km数 控机床的滚珠丝杠尺寸主要由刚度要求来决定，而实际载荷远小于许用载荷， 因此它的使用寿命超过它的设计寿命4、 磨损小，精度保持行好，滚珠丝杠不仅在设计和制造上保证了很高的精度， 而且由于磨损小而具有良好的精度保持性5、 可预紧消除轴向间隙，提高系统刚度滚珠丝杠螺母副的缺点是1、 制造工艺复杂，成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗 糙度要求也高，故制造成本高2、 没有自锁能力，在垂直升降系统或高速大惯量系统中必须有制动机构滚珠丝杠螺母副的循环方式常用的循环方式有两种：外循环和内循环滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离 接触的称谓外循环；始终与丝杠保持接触的称谓内循环滚珠每一个循环闭路称 为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数内循环滚珠丝杠副的每个螺母 有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈 和3.5圈等几种1、 外循环这是在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环外循环的结构和制造工艺简单，使用较广泛。

其缺点是滚道接缝处很难做的平滑，影响滚珠滚道的平稳性，甚至发生卡珠现象， 噪声也较大外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有插管式和螺旋槽式图1 一(b)所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构的工艺性好，但由于 管道突出于螺母体外，径向尺寸较大图1—(a )所示为螺旋槽式，它在螺母 外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种 结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂图1外循环示意图(a) 螺旋槽式：1一套筒；2一螺母；3一滚珠；4一挡珠器；5一丝杠(b) 插管式：1一弯管；2一压板；3—丝杠；4一滚珠；5一滚道2、 内循环图2所示为内循环滚珠丝杠内循环均采用反向器实现滚珠循环，反相器有两种类型圆柱凸槽反相器的圆柱部分嵌入螺母内， 端部开有反向槽反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚 道方向；扁圆镶块反向器为一半圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部 开有方向槽，用镶块的外轮廓定位两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小 了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸，但这种反向器对外轮廓和螺母上的切槽尺 寸精度要求较高内循环滚珠丝杠的优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，故摩擦 损失小。

它适用于高灵敏度、高精度传动、不宜用于重载传动，其缺点是反向器 加工困难图2内循环示意图 1一凸键2、3一反向键滚珠丝杠螺母副的支撑(1) 、支撑方式数控机床的进给系统要获得较高的传动精度，除了加强滚珠丝 杠螺母副本身的刚度以外，滚珠丝杠的正确安装及支撑结构的刚度也是不可忽视 的因素滚珠丝杠常用推力轴承支座，以提高轴向刚度(当滚珠丝杠的轴向负载 很小时，也可以用角接触球轴承支座)，滚珠丝杠在数控机床的安装支撑方式有 以下几种1、 一端装推力轴承如图a所示，这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低， 只适用于短丝杠，一般用于数控机床的调节或升降台式数控铣床的立向轴2、 一端装推力轴承，一端装向心球轴承如图b所示，这种方式可用于丝杠较 长的情况应将推力轴承远离液压电动机等热元件及丝杠上的常用段，以减少丝 杠热变形的影响3. 两端装推力轴承如图c所示，把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预 紧的拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，轴 承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低4. 两端装推力轴承及向心球轴承如图d所示，为使丝杠具有最大的刚度，它 的两端可用双重支撑，即使可用双重支撑，即推力轴承加向心轴承，并施加预紧 拉力。

这种结构方式不能精确地预先测定预紧力，预紧力的大小是由丝杠的温度 变形转化而产生的但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度a)(b)-t®(c) (d)滚珠丝杠螺母副的制动方式由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，无自锁作用（特别是滚珠丝杆处于垂直 传动时），为防止因自重下降，必须装有制动装置制动装置的工作过程一般为：机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开 运动由步进电动机经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱上下移动当加工完毕或中间 停车时，步进电动机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝 杠不能转动，主轴箱便不会下落另外，还有如下几种制动方式1. 用具有刹车作用的制动电动机2. 在传动链中配置逆转效率低的高速比系列，如齿轮、螺杆减速器等，此法 是靠磨损损失达到制动目的，故不经济3. 采用超越离合器滚珠丝杠螺母副的间隙消除滚珠丝杠螺母副的间隙是轴向间隙，它是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠 和螺母之间的最大轴向窜动量除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向 载荷后丝杠产生弹性变形所造成的轴向窜动量为了保证反向传动精度和轴向 刚度，必须消除轴向间隙在用预紧方法消除间隙时，应注意预加载荷能够有效 地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大。

过大的预加载荷将增加 摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命所以一般需要经过多次调整才 能保证机床在最大轴向载荷下既能消除间隙，又能灵活运转为了保证滚珠丝杠的传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副的轴向 间隙除了少数用微量过盈滚珠的单螺母消除间隙外，常采用双螺母结构，利用 两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠丝杠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的 两个相反的侧面上用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大， 否则会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命常用的丝杠螺母副消除间隙的方法有单螺母调隙和双螺母调隙两类1、 单螺母调隙式1、 单螺母变位导程预加负荷图下图所示为单螺母变位导程预加负荷，它是在滚珠螺母体内的两列循环珠链之间，使内螺母滚道在轴向产生一个L0 的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧这种调隙方法结构 简单，但负荷量需预先设定且不能改变单螺母变位导程预加负荷2、 单螺母螺钉预紧螺母的专业生产工作完成精磨之后，沿径向开一浅槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧该专利技术成功地解决了开 槽后滚珠在螺母中良好的通过性，单螺母结构不仅具有很好的性能价格 比，而且间隙的调整和预紧也极为方便。

2）双螺母调隙式1、垫片调隙式图1所示为垫片调隙式，调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向 位移，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垫片图1双螺母垫片调隙式结构2、螺纹调整式图2所示为螺纹调整式，它是用键限制螺母在螺母座内的转动 调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其 锁紧这种方法结构简单紧凑，调整方便，但调整精度较差，且易于松动图2双螺母螺纹调隙式结构 1、2一锁紧螺母3、齿差调隙式图3所示为齿差调隙式，螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱 外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同， 并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端调整时先将内齿圈取下，根据间隙的 大小调整两个螺母1.、2分别相同的方向转过一个或多个齿，使两个螺母在轴向 移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目的图3双螺母齿差调隙式结构（3）滚珠丝杠螺母的预紧力滚珠丝杠螺母副预紧的基本原理是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的 间隙和施加预紧力为保证传动精度及刚度，滚珠丝杠螺母副消除传动间隙外， 还要求预紧。

预紧力Fv的计算公式为Fv=（1/3）Fmax式中，Fmax—轴向最大工作载荷上述消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙的方法，都对螺母进行预紧调整时只要 注意预紧力大小Fv=（ 1/3）Fmax即可滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于机床丝杠的热膨胀将使导程加大， 影响定位精度为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸预拉伸量应略大于热膨胀量 发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有 变化需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温下的长度） 等于公称行程（螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数）减去 预拉伸量拉伸后恢复公称行程值减去的量称为“行程补偿值”滚珠丝杠的材料和热处理为了满足滚珠丝杠传动工作性能和传动精度的要求，以获得最长的工作寿命 和最高的承载能力，螺纹滚道必须具有一定的硬度，一般为HRC58—60，滚珠 硬度一般要求被HRC62—64对于高温下工作或用不锈钢制造的滚珠丝杠。