幾種反向結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副性能對(duì)比試驗(yàn)分析

■陜西漢江機(jī)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(duì)比試驗(yàn)分析

■陜西漢江機(jī)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(yàn)臺(tái)和測(cè)試儀器，對(duì)滾珠絲杠副的精度、性能、壽命、精度保持性及可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)，探索了影響滾珠絲杠副噪聲、速度等指標(biāo)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(jī)床的關(guān)鍵功能部件。隨著切削技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(dān)的重大專項(xiàng)課題 “漢江滾動(dòng)功能部件產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”（2012ZX04002—011）中，將提高速度、降低噪聲和溫升作為主要研究任務(wù)。循環(huán)反向裝置是影響上述指標(biāo)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(dǎo)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(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)流暢性好、軸向尺寸小和承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外廣泛推廣應(yīng)用。

由于我國滾珠絲杠副性能試驗(yàn)儀器研制起步較晚，測(cè)試儀器相對(duì)比較匱乏，我公司依靠重大專項(xiàng)的實(shí)施，自主研發(fā)了高速滾珠絲杠綜合性能測(cè)量?jī)x、重載滾珠絲杠副測(cè)量?jī)x、滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)量?jī)x、滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)儀、直線導(dǎo)軌試驗(yàn)機(jī)及直線導(dǎo)軌綜合性能試驗(yàn)儀等20余臺(tái)測(cè)量測(cè)試儀器。

依靠自主研發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試儀器，對(duì)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(jìn)行了大量試驗(yàn)，探索了影響滾珠絲杠副噪聲、速度等指標(biāo)的主要因素。其中，對(duì)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(jìn)行了速度、加速度、噪聲及溫升試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)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(yàn)內(nèi)容

（1）試驗(yàn)產(chǎn)品規(guī)格：分別對(duì)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(jìn)行性能試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。具體規(guī)格如下：①GQ50mm×20mm×1 586mm× 2 335m m，精度P2級(jí)，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(jí)，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(jí)，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(jí)，鋼球φ6.35mm；FD（Z）—5端面結(jié)構(gòu)。

（2）試驗(yàn)步驟：分別將不同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副安裝在高速絲杠測(cè)量?jī)x上，兩端固定，噪聲采集裝置距離噪聲源0.4m。在相同的測(cè)試條件和參數(shù)下，運(yùn)轉(zhuǎn)30個(gè)循環(huán)，分別測(cè)出速度、加速度及噪聲等性能指標(biāo)，噪聲按最大值計(jì)；并在相同的運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間下，測(cè)量各種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)產(chǎn)品的溫升。

2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）加速度及速度：通過對(duì)循環(huán)反向裝置優(yōu)化和產(chǎn)品性能試驗(yàn)，研制的端面結(jié)構(gòu)反向器可提高滾珠絲杠副的運(yùn)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(yùn)行速度，但由于承載鋼球減少了一半，導(dǎo)致承載能力降低50%，適用于高速度、低承載的使用場(chǎng)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(yùn)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(gè)循環(huán)鏈間隙太大，會(huì)造成隔離墊進(jìn)入導(dǎo)管碰到舌頭，影響運(yùn)轉(zhuǎn)流暢性和手感，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。通過精確計(jì)算，應(yīng)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(cè)試條件下，測(cè)試噪聲并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

對(duì)試驗(yàn)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(yùn)行速度，但噪聲明顯增大。安裝隔離墊滾珠絲杠副運(yùn)行平穩(wěn)，聲音柔和，未出現(xiàn)振動(dòng)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(dǎo)致承載能力降低了50%；但安裝自主開發(fā)的隔離墊后，1個(gè)循環(huán)鏈只減少了4個(gè)鋼球，對(duì)承載能力基本沒有影響。

（3）溫升：在使用過程中，溫升是導(dǎo)致滾珠絲杠副的定位精度和重復(fù)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(qiáng)制冷卻和無強(qiáng)制冷卻結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副在一定的運(yùn)行速度下，溫升對(duì)比的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)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(qiáng)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(yùn)行90min后，溫升仍低于3℃。因此，在設(shè)計(jì)精密滾珠絲杠副時(shí)或要求定位精度高的機(jī)床上，可采用空心強(qiáng)制冷卻結(jié)構(gòu)來降低溫升，提高精度。

在相同的運(yùn)行時(shí)間下，溫升隨著速度的提高而增大。對(duì)圖2中運(yùn)行時(shí)間與溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，絲杠在運(yùn)行前30min，溫升上升最快，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，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(cè)試對(duì)比情況

圖2

3. 結(jié)語

通過本次結(jié)構(gòu)及反向裝置改進(jìn)、增加隔離墊等措施，初步達(dá)到了預(yù)期效果。試驗(yàn)表明，滾珠絲杠副改進(jìn)后，速度和溫升等指標(biāo)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(jìn)行優(yōu)化，致力于持續(xù)降低產(chǎn)品噪聲。

收稿日期：（20150430）