基于雙螺母定位預(yù)緊滾珠絲杠副軸向研究

徐帥

摘要：隨著科學(xué)的發(fā)展，要求機(jī)床生產(chǎn)的精度越來越高，這就機(jī)床上的零件的精度有了更高的要求。本文主要分析了雙螺母預(yù)緊的滾珠絲杠副的受力程度，以及其接觸受力所承受的范圍，并對(duì)雙螺母預(yù)緊的滾珠絲杠副的軸向剛度進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并建立了軸向剛度的計(jì)算公式，本文主要研究并分析了滾珠絲杠副軸向剛度的影響因素，并為即將設(shè)計(jì)的新型高速滾珠絲杠提供科學(xué)理論基礎(chǔ)，帶動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：滾珠絲杠副 新型高速滾珠絲杠 軸向剛度

隨著我國(guó)的科技不斷的發(fā)展，我國(guó)滾珠絲杠的發(fā)展也在逐漸的追隨著世界的腳步，向高速度，高精準(zhǔn)度，低消耗邁進(jìn)。大導(dǎo)程滾珠絲杠是發(fā)展的產(chǎn)物，它作為機(jī)床不可或缺的重要零部件，也使機(jī)床高速化發(fā)展有了方向，在機(jī)床高速化發(fā)展的同時(shí)也要保證其零部件的加工精度，只有好的質(zhì)量才能有好的產(chǎn)品。在機(jī)床的系統(tǒng)中，對(duì)定位精度影響最大的因素就是滾珠絲杠副的軸向剛度，在傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計(jì)中，滾珠絲杠副的軸向剛度一直是技術(shù)需要解決的重點(diǎn)，也是我國(guó)在機(jī)床研制中的一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。所以研究高速滾珠絲杠副軸向剛度也是為我國(guó)機(jī)床更好的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)意義。

一、研究預(yù)緊滾珠絲杠副軸向現(xiàn)狀并分析

對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，滾珠絲杠副使其重要的組成部分，滾珠絲杠副的軸向剛度是決定整個(gè)機(jī)床整機(jī)動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵。為了關(guān)鍵不出問題，我們應(yīng)該建立帶滾珠絲杠副的機(jī)床直線導(dǎo)軌結(jié)合部的動(dòng)力學(xué)特性理論模型，通過模型來保證實(shí)際的運(yùn)行不出問題，建立理論模型的前提要計(jì)算直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的線剛度、滾珠絲杠副和角接觸球軸承的軸向剛度，通過有限元法分析含結(jié)合部動(dòng)態(tài)參數(shù)的加工中心整機(jī)動(dòng)態(tài)特性，保證其正常運(yùn)行。如果考慮機(jī)床運(yùn)行時(shí)滾珠絲杠副的軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，就要建立數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，該模型建立的復(fù)雜之處就在于滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，但是很多的專家學(xué)者都提出了建模辦法，其中不同固定形式的統(tǒng)一的絲杠傳動(dòng)鏈等效靜剛度計(jì)算模型，采用分離參數(shù)建模的方法建立絲杠傳動(dòng)鏈的動(dòng)剛度模型，利用滾珠絲杠副中絲杠滾道的力與力矩平衡方程，并考慮變化的接觸角及接觸變形影響，建立聯(lián)合載荷作用下精確的滾珠絲杠副剛度數(shù)學(xué)模型，這三個(gè)模型的建立思想比較新穎，符合新時(shí)代發(fā)展的科學(xué)理念，可以考慮作為分析絲杠傳動(dòng)鏈剛度特性的模型。著名專家胡峰以及他的團(tuán)隊(duì)基于對(duì)絲杠軸向支撐剛度辨識(shí)問題，運(yùn)用數(shù)學(xué)上初參數(shù)解析方法建立絲杠的初參數(shù)矩陣方程，利用初參數(shù)值，使絲杠兩端支撐處和螺母處的軸向剛度的辨別模型被建立起來，這個(gè)辨別模型主要是通過試驗(yàn)的方法對(duì)絲杠支撐點(diǎn)軸向剛度進(jìn)行邊別，這個(gè)辨別模型中的有限元法也被很多的應(yīng)用于滾珠絲杠副剛度的研究。

二、雙螺母軸向平移的預(yù)緊研究

對(duì)于滾珠絲杠副彈性接觸變形的模型研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)軸向變形公式進(jìn)行了改善，通過分析相關(guān)的數(shù)據(jù)得出對(duì)軸向變形量和滾珠絲杠副傳動(dòng)性能的影響原因，并且運(yùn)用有限元模型對(duì)滾珠絲杠副其進(jìn)行接觸分析和軸向變形的原因進(jìn)行證實(shí)，并通過分析得出最合適的滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這樣可以合最大限度的降低滾珠絲杠副的軸向變形量，提高機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)能，在雙螺母軸向平移的預(yù)緊研究中要考慮螺旋升角的問題，為解決這個(gè)問題我們建立了滾珠絲杠副的受力模型，通過分析螺旋升角對(duì)滾珠絲杠副彈性變形的影響，并利用有限元法得到最佳的解決辦法，滾珠在空間上的運(yùn)動(dòng)的不確定性，滾珠絲杠副的幾何參數(shù)是非常復(fù)雜的，所以要引入螺旋升角，假如絲杠不動(dòng)，左螺母沿絲杠中心軸向左平移△L_L，右螺母沿絲杠中心軸向右平移△L_R，此時(shí)該滾珠絲杠副達(dá)到初始預(yù)緊狀態(tài)。若左、右螺母滾道參數(shù)相同，則：

△L_L=△L_R=△L

因?yàn)槁菽甘亲笥覍?duì)稱的，所以在此用右螺母作為例子分析右螺母的情況。

因?yàn)榇舜纹揭频木嚯x是相等的，所以曲線到點(diǎn)的距離都是相等的，但由于主法線的不同，并不是等距曲線，只有點(diǎn)和點(diǎn)所在曲線互為等距曲線。

點(diǎn)所在曲線到點(diǎn)所在曲線的距離為：g_o=r_s+r_n-2r_b，令θ₁=θ'-θ。

由上式求出θ1，并代入式2即可得到右螺母初始預(yù)緊時(shí)的軸向平移量△L_R。如果左右螺母滾道和滾珠參數(shù)相同，那么墊片的最小厚度為△L_I+△L_R=2△L_R。若墊片厚度大于該值，預(yù)緊力大于零，處于預(yù)緊狀態(tài)：若墊片厚度小于或等于該值，預(yù)緊力等于零，處于非預(yù)緊狀態(tài)。

結(jié)束語；本文主要研究了螺母所受壓力與滾道所受壓力之間的關(guān)系，綜合了兩者的關(guān)系并提出了相應(yīng)的模型建立，但由于滾珠與滾道間的摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)軌道的正壓力，所以在分析過程中忽略了其摩擦力以及慣性力，對(duì)于實(shí)際的操作有些誤差。