基于試驗方法的滾珠絲杠副靜剛度檢測技術應用

■陜西漢江機床有限公司 （漢中 723000） 趙 娜 王 蕾 黃 輝

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隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國家層面智能制造的提出，使得機床的綜合性能顯得尤為重要，而機床的主要功能部件滾珠絲杠副的靜剛度指標直接影響高精加工機床的綜合性能。然而國內(nèi)滾珠絲杠副生產(chǎn)企業(yè)對于靜剛度的檢測方面研究較少，因此采用何種試驗方法對滾珠絲杠進行靜剛度檢測顯得尤為關鍵。鑒于我廠承接了某企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)，為了滿足產(chǎn)品剛度要求及設計結(jié)果反饋，我廠通過模擬實際工況，結(jié)合特定工裝對產(chǎn)品進行相應的靜剛度檢測試驗。

由于待測產(chǎn)品在實際工況下載荷方向為軸向，且變形量在微米級，因此該試驗通過計算機控制試驗臺的加載及卸載，采用系統(tǒng)集成電氣元件實時精準采集絲杠副軸向微小位移及載荷數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)后臺處理繪制分析靜剛度曲線。總體采用同一規(guī)格多組滾珠絲杠副單一變量法進行試驗，將多次采集得到的數(shù)據(jù)進行算術加權平均值的求解，最終匯總分析產(chǎn)品的靜剛度情況。

現(xiàn)以某產(chǎn)品滾珠絲杠副（編號：SY001-01、SY001-02和SY001-02A）進行試驗對比。結(jié)合試驗方案，對試驗對象SY001系列3種規(guī)格的絲杠副進行相應的結(jié)構(gòu)設計，關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)試驗方案，每種規(guī)格30組試驗數(shù)據(jù)，SY001系列3種規(guī)格共90組數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較大，在此僅以SY001-01的試驗數(shù)據(jù)為例進行說明。

當外露試驗臺尺寸為60mm，加載力分別為6kN、4kN和2kN時絲杠副對應的“加載靜剛度”、“卸載靜剛度”之間的變化折線統(tǒng)計圖和數(shù)據(jù)分布圖如圖1所示。

結(jié)合圖1規(guī)律，加載力6kN、4kN和2kN時，加載及卸載靜剛度值略有上下浮動變化，但變化幅度較小，經(jīng)匯總得出加載力與靜剛度關系值如表2所示。

此次剛性試驗的滾珠絲杠副的反向器采用自制腰形和外購腰形兩種方式，自制腰形反向器是我廠自主研發(fā)的一種與螺母過盈配合的金屬固定型反向器，而外購腰形反向器則是一種與螺母間隙配合的金屬固定型反向器。應某企業(yè)需求特針對SY001-02與SY001-02A絲杠副分別采用自制腰形和外購腰形反向器，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，由該兩結(jié)構(gòu)絲杠副靜剛度試驗數(shù)據(jù)，通過SY001-02與SY001-02A絲杠剛度及變形量數(shù)據(jù)表信息進行分析，繪制加載力與靜剛度關系圖（見圖2）和加載力與變形量關系圖（見圖3）。

由加載力與靜剛度變化關系可知，加載力3.5kN、7.5kN和11kN時，靜剛度實際值相對剛度加權平均數(shù)浮動較小，因此該結(jié)構(gòu)絲杠副可用靜剛度加權平均數(shù)代表實際剛度值，即02結(jié)構(gòu)剛度為461.7N/μm，02A結(jié)構(gòu)剛度為363.8N/μm，同時說明自制腰型反向器結(jié)構(gòu)的剛度比外購腰形反向器結(jié)構(gòu)的剛度高26.91%，剛性性能較好。

表1 SY001系列絲杠副結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 加載力與靜剛度均值關系（外露試驗臺尺寸：60mm）

圖1 SY001-01加載及卸載剛度變化折線統(tǒng)計

圖2 加載力與靜剛度關系

圖3 加載力與變形量關系

表3 絲杠副結(jié)構(gòu)與剛度及變形量對照

由加載力與變形量變化關系圖可知，加載力3.5kN、7kN和10kN時，加載最大變形量加權平均數(shù)及卸載最大變形量加權平均數(shù)相對變形量加權平均數(shù)浮動較小，因此該結(jié)構(gòu)絲杠副可用最大變形量加權平均數(shù)代表實際最大變形量，即02結(jié)構(gòu)（自制腰型反向器）最大變形量16.02μm，02A結(jié)構(gòu)（外購腰形反向器）最大變形量19.92μm，同時說明自制腰型反向器結(jié)構(gòu)的最大變形量比外購腰形反向器結(jié)構(gòu)少19.58%，變形量較小，鋼性性能較好。

結(jié)合滾珠絲杠副各結(jié)構(gòu)加載力與加載靜剛度、卸載靜剛度及變形量對照表數(shù)據(jù)匯總，再通過模擬實際工況，可得試驗對象SY001系列3種規(guī)格的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)與剛度及變形對照表，如表3所示。

通過試驗可知，相同結(jié)構(gòu)參數(shù)時，鋼球越大，絲杠副剛度越大，變形量越小；自制腰型反向器比外購腰形反向器結(jié)構(gòu)絲杠副的靜剛度大，變形小。最終我廠選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)，研制的產(chǎn)品通過了某企業(yè)的驗收，滿足了某企業(yè)的靜剛度要求，所以該試驗方法對于滾珠絲杠副的靜剛度檢測是可行的。