滾珠絲杠螺母副的故障診斷與維修

孫 鵬

（岳陽職業技術學院，湖南 岳陽 414000）

現代數控機床的各直線軸多采用滾珠絲杠螺母副傳動，滾珠絲杠螺母副的傳動精度直接影響到數控機床的運行精度和加工品質。滾珠絲杠螺母副的相關故障會導致數控機床出現定位精度下降，反向間隙過大，機械爬行，噪音過大，剛性不足等故障現象，影響機床的正常使用。所以，及時排除因滾珠絲杠螺母副所產生的故障，是保證數控機床正常運行及加工品質的重要環節。

1 滾珠絲杠概述

1.1 滾珠絲杠的性能

滾珠絲杠的性能要求十分嚴格，其要求傳動可靠性高，不易磨損，可長期無故障運行，還須傳動靈敏，運行精度高，不易產生爬行。同時，傳動效率要高，運行平穩，一般為η=0.92~0.96，在施加預緊力后，可消除軸向間隙，在反向時無空行程。但是，其缺點是不能自鎖，垂直安裝時需有平衡裝置。

1.2 滾珠絲杠的結構

（1）按滾珠絲杠的傳動形式可分為絲杠轉動傳動和螺母轉動傳動。

絲杠轉動是指：絲杠轉動，螺母固定在工作臺上。絲杠旋轉推動螺母，螺母帶動工作臺做往復運動。一般我們常見的都是這種類型的安裝方式。

螺母傳動是指：絲杠被固定，螺母通過軸承固定在工作臺上，伺服電機帶動螺母旋轉，螺母沿絲杠做軸向運動，進而帶動工作臺運動。這種傳動方式一般用于絲杠較長的機床上，防止絲杠因剛性不足而產生震動和變形。

（2）按滾珠絲杠螺母結構可分為：內循環和外循環兩種方式。

外循環方式的滾珠絲杠螺母由絲杠、滾珠、回珠管和螺母組成。與內循環方式的主要區別在于，螺母螺旋槽的兩端用回珠管連接起來，使滾珠能夠從一端重新回到另一端，構成一個閉合的循環回路。

內循環方式的滾珠絲杠螺母結構關鍵是在螺母的側孔中裝有圓柱凸輪式反向器，反向器上銑有S形回珠槽，將相鄰兩螺紋滾道連接起來。滾珠從螺紋滾道進入反向器，借助反向器迫使滾珠越過絲杠牙頂進入相鄰滾道，實現循環。

1.3 滾珠絲杠的工作原理

這里我們只簡述外循環滾珠絲杠的工作原理，內循環滾珠絲杠的工作原理與其類似。如圖1 所示，外循環滾珠絲杠由絲杠1、滾珠2、回珠管3 和螺母4組成。在絲杠1 和螺母4 上各加工有圓弧形螺旋槽，將它們套裝起來便形成了螺旋形滾道，在滾道內裝滿滾珠2。當絲杠相對于螺母旋轉時，絲杠的旋轉面經滾珠推動螺母軸向移動，同時，滾珠沿螺旋形滾道滾動，使絲杠和螺母之間的滑動摩擦轉變為滾珠與絲杠、螺母之間的滾動摩擦。滾珠通過回珠管從一端重新回到另一端。

圖1 外循環滾珠絲杠

2 滾珠絲杠主要故障及原因

因滾珠絲杠傳動系統在數控機床各機構中實際運行最為頻繁，各零部件經常產生機械磨損和潤滑不良，因而，常常出現定位精度下降，反向間隙過大，機械爬行，軸承磨損嚴重，噪音過大等故障。當這些故障出現時就要我們對此做出正確的診斷，才能及時修復設備。滾珠絲杠在運行中產生的故障現象主要可以分為2 類，其具體原因如下。

2.1 反向間隙大，定位精度差，加工零件尺寸不穩定

滾珠絲杠螺母副及其支撐系統由于長時間運行產生的磨損間隙，將直接影響數控機床的傳動精度和剛性。一般故障現象有：反向間隙大、定位精度不穩定等。根據磨損具體產生的位置，故障原因可細分為以下幾類：

（1）滾珠絲杠支撐軸承磨損或軸承預加負荷墊圈配的不合適。

（2）滾珠絲杠雙螺母副產生間隙，滾珠磨損。（3）滾珠絲杠單螺母副由于磨損產生間隙。（4）螺母法蘭盤與工作臺之間沒有固定牢，產生間隙。

2.2 滾珠絲杠副運動不平穩，噪音過大

這種故障現象主要因一些人為原因產生，具體如下：

（1）伺服電機驅動參數未調整好。（2）絲杠絲母潤滑不良。

3 檢測與維修

滾珠絲杠所產生故障是多種多樣的，沒有固定的模式。有的故障是漸發性故障，要有一個發展的過程，隨著使用時間的增加越來越嚴重；有的是突發性故障，一般沒有明顯的征兆，這種故障是各種不利因素及外界共同作用而產生的。所以通過正確的檢測來確定真正的故障原因，是快速準確維修的前提。

3.1 滾珠絲杠螺母副及支撐系統間隙的檢測與修理

當數控機床出現反向誤差大，定位精度不穩定，過象限出現刀痕時，首先要檢測絲杠系統有沒有間隙。檢測的方法是:用百分表配合鋼球放在絲杠的一端中心孔中，測量絲杠的軸向竄動，另一塊百分表測量工作臺移動；正反轉動絲杠，觀察兩塊百分表上反映的數值，根據數值不同的變化確認故障部位。

（1）絲杠支撐軸承間隙的檢測與修理

如測量絲杠的百分表在絲杠正反向轉動時指針沒有擺動，說明絲杠沒有竄動；如百分表指針擺動，說明絲杠有竄動現象，該百分表最大與最小測量值之差就是絲杠的軸向竄動的距離。這時，我們就要檢查支撐軸承的背帽是否鎖緊，支撐軸承是否已磨損失效，預加負荷軸承墊圈是否合適。如果軸承沒有問題，只要重新配做預加負荷墊圈就可以了。如果軸承損壞，需要把軸承更換掉，重新配做預加負荷墊圈，再把背帽背緊。絲杠軸向竄動大小主要在于支撐軸承預加負荷墊圈的精度。絲杠安裝精度最理想的狀態是沒有正反間隙，支撐軸承還要有0.02 mm 左右的過盈。

（2）滾珠絲杠雙螺母副產生間隙的檢測與維修

通過檢測，如果確認故障不是由于絲杠竄動引起的，那就要考慮是否是絲杠螺母副之間產生了間隙，這種情況的檢測方法基本與檢測絲杠竄動相同，用百分表測量與螺母相連的工作臺上，正反向轉動絲杠，檢測出絲杠與螺母之間的最大間隙，然后進行調整。

方法如圖2 所示，調整墊片4 的厚度，使左右兩螺母1、2 產生軸向位移，從而消除滾珠絲杠螺母副間隙和產生預緊力。因絲杠螺母副的結構不同，所以調整方法也不同，這里不一一列舉。

圖2 絲杠螺母副間隙調整

（3）單螺母副的檢測與維修

對于單螺母滾珠絲杠，絲杠螺母副之間的間隙是不能調整的。如檢測出絲杠螺母副存在間隙，首先檢查絲杠和螺母的螺紋圓弧是否已經磨損，如磨損嚴重，必須更換全套絲杠螺母；如檢查磨損輕微，就可以更換更大直徑的滾珠來修復。在修復時，首先要檢測出絲杠螺母副的最大間隙，換算成滾珠直徑的增加，然后選配合適的滾珠重新裝配。這樣的維修是比較復雜，所需時間長，要求技術水平高。

（4）螺母法蘭盤與工作臺連接沒有固定好而產生的間隙

這個問題一般容易被人忽視，因機床長期往復運動，固定法拉盤的螺釘松動產生間隙，在檢查絲杠螺母間隙時最好把該故障因素先排除，以免在修理時走彎路。

（5）滾珠絲杠螺母副運動不平穩、噪音過大等故障的維修

滾珠絲杠螺母副運動不平穩和噪音過大，大部分是由于潤滑不良造成的，但有時也可能因伺服電機驅動參數未調整好造成的。

3.2 軸承、絲杠螺母副潤滑不良

機床在工作中如產生噪音和振動，在檢測機械傳動部分沒有問題后，首先，要考慮到潤滑不良的問題，因為很多機床經過多年的運轉，絲杠螺母自動潤滑系統往往堵塞，不能自動潤滑。這時，可以在軸承、螺母中加入耐高溫、耐高速的潤滑脂就可以解決問題，潤滑脂能保證軸承、螺母正常運行數年之久。

3.3 伺服電機驅動問題

有的機床在運動中產生振動和爬行，往往檢測機械部分均無問題，不管怎樣調整都不能消除振動和爬行。經仔細檢查，發現伺服電機驅動增益參數不適合實際運行狀況。調整增益參數后，就可消除振動和爬行故障。

4 結束語

以上對于數控機床維修技術的闡述，是我們幾年中近百次數控機床的調試和維修的經驗總結。雖然數控機床滾珠絲杠所產生故障是多種多樣的，維修方法也不盡相同，一篇短文很難盡述，但是我們仍希望把一些基本方法與思路寫出來，與大家交流以期能引起人們對數控維修技術的重視，維修技術的直接目的和結果是使數控機床恢復正常運行，從而保證生產的順利進行。

[1]王愛玲.數控機床結構及應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]王 鋼.數控機床調試、使用與維護[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3]黃 翔，李迎光.數控編程理論、技術與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[4]關 穎.數控車床[M].北京：化學工業出版社，2005.

[5]鄧 奕.數控機床結構與數控編程[M]. 北京：國防工業出版社，2006.

[6]王忠鋒.數控機床故障診斷及維修實例[M].北京：國防工業出版社，2005.

[7]牛志斌.數控車床故障診斷與維修技[M].巧北京：機械工業出版社，2005.