小直徑、大導程新型滾珠絲杠副的研究

■ 大連連城數控機器股份有限公司 （遼寧 116036） 侯 賀

1. 滾珠絲杠副生產的國內外現狀及發展趨勢

自1964年我國自主研發第一套滾珠絲杠副以來，隨著產品應用范圍的不斷擴大，以及制造技術和水平的不斷發展和提高，其功能隨著主機產品的不斷發展、提高，已從最初的“敏捷省能傳動”到“精密定位”，再從“大導程快速驅動”到“精密高速驅動”。尤其是進入21世紀以來，隨著數控技術的迅速發展與廣泛應用，“速度”與“精密”已成為數控產品先進性的一個重要指標。高速精密滾珠絲杠副和直線電動機成為能夠滿足上述兩大指標的核心功能部件。高速、大導程、靜音、耐用成為國內外滾珠絲杠副產業的熱門發展方向。日本NSK公司、THK公司，德國Rexroth公司及中國臺灣HIWIN公司的產品在高速、靜音等方面處于世界領先水平。國內的關鍵功能部件在“速度”和“精密”上與發達國家存在很大差距。

近年來，國內自動化設備及電子機械行業迅速發展，一些小型精密測試裝置、小型機器人、繞線機、電子行業的注膠機以及小型桁架結構不斷涌現。小型機械多數要求線速度較高，運行平穩，定位精度高。

滾珠絲杠副具有優良的滾動摩擦特性和高的傳動效率（η=90%～95%），傳動敏捷、靈活。提速共有三種途徑：①加大導程Pn。就是人們常說的大導程滾珠絲杠副。由于Pn增大，導程精度容易降低，所以加大Pn要適當。②提高轉速n，或增加螺紋頭數，但受臨界速度的制約，過高的轉速也是很難實現的。③從產品結構上革新，絲杠空心化、螺母小徑化以及滾珠輕量化等。綜合以上三點，我們研發了一種直徑小、大導程的滾珠絲杠副結構，以滿足高速驅動的要求。

2. 結構與原理

這種小直徑、大導程的滾珠絲杠副節圓直徑DPW=15.7mm，導程Pn=20mm，其結構如圖1所示。

工作原理：滾珠絲杠作為主體運動，螺母就會隨絲杠按照對應的導程轉化成直線運動，運動部件通過螺母座與螺母聯接，實現相對應的直線運動。滾珠在螺母內循環滾動，循環方式有循環導管式、循環器式和端蓋式三種。該結構選用端蓋式，即鋼球利用兩端端蓋中的反向器，從絲杠軸的螺旋槽中被掬取到螺母的通孔中，通過通孔又通過反向器回到螺旋槽中，做無線循環運動。

3. 工藝分析

這種小直徑大導程滾珠絲杠副的研發，結構并不復雜，現對絲杠和螺母的加工工藝進行簡單分析。絲杠的加工與以往絲杠的加工方法無顯著區別，只是在磨削螺旋槽時，調整磨頭的角度以滿足螺旋升角的要求。然而小直徑大導程螺母在加工過程中卻遇到了難題。一般螺母螺旋槽的加工選用內螺紋磨床，將磨頭轉一個螺旋角度，完成螺旋槽的磨削。磨削時磨頭與軸線的夾角與螺旋角相等，該小直徑大導程螺母的螺旋角為17°，因為角度大而內徑小，導致加工時磨桿與螺母內徑發生干涉，如圖2所示。

圖 1

圖 2

為了完成這種小直徑大導程螺母內側螺旋溝槽的加工，解決磨桿與螺母干涉問題，打破常態設計了新型磨桿，將磨桿由直變彎，使用鋼絲軟軸解決這一難題。新型彎磨桿結構如圖3所示。由聯軸器1聯接電動機主軸與心軸，將動力傳遞給心軸，再通過聯軸器7將心軸與鋼絲軟軸8聯接，將動力傳遞給軸承端蓋，再傳遞給壓蓋，將砂輪壓緊。將砂輪用金剛石滾輪修整器修成R1.389mm圓弧，即可完成螺旋槽的加工，進而完成螺母的加工。

圖 3

4. 結語

該產品主要適用于一些小型精密測試裝置、小型機器人、繞線機、電子行業的注膠機以及小型桁架結構等。以本文設計為基礎，現樣件生產已完成，經性能測試及樣件檢測，滿足行業用戶的各項要求，預計在2018年北京國際機床展展出，為提高市場占有率，該產品正在規劃大批量生產。

[1] 王文斌. 機械設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

[2] 楊叔子，李斌，張福潤. 機械加工工藝師手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2010.