滾珠絲杠支承端的結構改進設計*＊

尚 苗 何新林 孫永濤 焦 林

(①西京學院，陜西西安710123;②中航工業西安飛機工業(集團)有限責任公司，陜西西安710089;③山東永華機械有限公司，山東兗州272100)

滾珠絲杠副傳動是現代數控機床中最常見的直線坐標軸傳動形式，滾珠絲杠副由于具有傳動效率高，靈敏度高，傳動平穩，磨損小，壽命長等優點，廣泛應用于各類中小數控機床的進給傳動系統。滾珠絲杠傳動的精度和可靠性，一方面取決于滾珠絲杠副本身的精度和質量，同時與其軸向固定支承端的安裝方式和機械結構的優劣有直接的關系。滾珠絲杠軸端機械結構如果設計不合理，會直接影響滾珠絲杠的傳動精度和性能，也會對軸向固定支承端的軸承壽命帶來極大的影響，嚴重時會造成軸承損壞，進一步影響數控機床的正常工作。

1 問題提出

在數控機床的裝配調試和產品使用過程中，發現部分數控機床的滾珠絲杠支承端發熱明顯，經測試個別機床的滾珠絲杠支承端軸承座表面溫度達到45℃以上，造成該軸坐標的定位精度不穩定，甚至出現極個別絲杠支承軸承損壞的現象。為了提高數控機床的整體質量和可靠性，防止此類現象重復出現，在排除滾珠絲杠副和滾動軸承本身的質量問題后，我們對滾珠絲杠支承端原來的機械結構進行了分析，提出了改進和優化措施。

2 原因分析

2.1 熱變形影響

滾珠絲杠高速旋轉產生熱伸長變形，使滾珠絲杠軸向固定端軸承持續受不穩定的外力作用，導致絲杠定位精度的不穩定。

滾珠絲杠熱伸長變形量△L的計算公式如下:

式中:ρ為熱膨脹系數;θ為絲杠的平均溫升;L為絲杠的總長。

根據滾珠絲杠最常用材質(GCr15)的熱膨脹系數，可理論計算得出1 000 mm長的絲杠，溫度每升高1℃，就會產生12 μm的伸長量。

通過ANSYS有限元分析(圖1)，對于長度2 480 mm的絲杠，在溫升5℃的情況下，總的熱伸長量為0.15 mm(圖2)，也與上述計算結果相吻合。

2.2 原軸端結構分析

圖3為某數控機床絲杠原軸端結構，絲杠前端、尾端油封8與隔套6和隔套10為接觸式的旋轉密封，相互間的摩擦會產生熱量，同時對絲杠專用軸承7高速旋轉時產生的熱量外散起到阻擋的作用，導致溫升的增加，增大絲杠的熱伸長量。

滾珠絲杠在安裝過程中，如果預拉伸力不足，絲杠在高速旋轉中發熱，隨溫度變化而產生的熱伸長量在該結構中無法消除，絲杠的熱伸長導致支承端軸承持續受大小不穩定的變載荷力作用，加速軸承老化，影響軸承使用壽命。

以上結構還存在裝配的難點就是隔套9的配磨問題，需要多次的配磨才能滿足裝配要求，增加裝配難度降低裝配效率。

3 改進設計

3.1 新結構設計

針對以上問題，我們對滾珠絲杠支承端結構形式做了改進設計，改進后新結構如圖4所示。

以NSK絲杠專用軸承TAC B系列球軸承(接觸角α=60°)為例，4列組合(DBB或DFF)C9預緊狀態下，預緊力為7 040 N，C10預緊狀態下，預緊力為13 200 N，我們在選擇碟形彈簧6時，根據碟形彈簧疊合曲線圖(圖5)選擇合理的預緊，碟形彈簧的預緊力(包含由于絲杠熱伸長時對碟形彈簧的預壓)選擇為絲杠專用軸承C9和C10預緊狀態之間，即碟形彈簧的總預緊力為7 040～13 200 N之間。根據所要產生的總預緊力載荷，由表1即可確定碟形彈簧的尺寸L及其應產生的變形量S。

表1 碟形彈簧變形量與載荷(疊合)關系表

如圖6所示，當絲杠由于熱變形伸長量為△L時，上端碟形彈簧壓縮△L，絲杠產生向尾端微量位移，尾端碟形彈簧伸長△L，整個過程，絲杠專用軸承始終保持在較恒定力的預緊狀態下，使軸承的使用壽命相對傳統結構有較大程度的提高。

3.2 新結構優點

(1)對絲杠熱伸長量做到完全吸收，使絲杠軸承始終保持在恒定力的預緊狀態。

(2)前、后隔套與軸承座之間存在0.5 mm間隙，不會由于自身旋轉而產生熱量，也不會對軸承旋轉熱量的外散產生阻礙。

(3)該結構前隔套加工可直接一次加工到位，取消該隔套裝配時的配磨環節，可通過碟形彈簧變形來吸收不等高量。

(4)絲杠軸承的使用壽命較傳統結構有大幅提升，同時，改進后數控機床定位精度的穩定性較原有結構有大幅提高。

4 驗證

按照改進后新結構完成裝配的某數控機床，在機床運行了300 h后，我們對其X軸、Y軸進行了實際精度測量。測量數據如圖7所示。從實際測量結果看，改進后的新結構其坐標定位精度高，精度穩定且保持性好，而且，沒有發生軸承過熱及軸承損壞現象。

5 結語

通過對滾珠絲杠支承端軸承易損壞的現象總結分析，找出了造成滾珠絲杠定位精度不穩定、個別軸承損壞的主要原因，提出結構設計改進方案及改進措施，并成功應用于數控機床的絲杠傳動中，提高了滾珠絲杠傳動的可靠性，提高的數控機床的整體產品質量，對同類產品的設計起到借鑒作用。