滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝

楊小娟

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110000）

0 引言

滾珠絲杠副傳動(dòng)是目前多數(shù)機(jī)床采用的進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)方式。滾珠絲杠中的鋼球在絲杠軸與螺母之間滾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，傳動(dòng)效率高，定位精度高，將電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件的精準(zhǔn)定位，獲得穩(wěn)定可靠的定位精度和重復(fù)定位精度。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度與絲杠選型、絲杠剛度、軸承座的剛度、滾珠絲杠副的安裝精度有直接的關(guān)系。定位進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度及剛度直接影響機(jī)床的定位精度及加工精度，影響機(jī)床的整體性能。

滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)包括滾珠絲杠的選擇、軸承的選擇、軸承組對方式及預(yù)緊的選擇、絲杠熱伸長對策。每個(gè)環(huán)節(jié)都對精度有一定的影響。

1 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）滾珠絲杠型號(hào)選擇。

滾珠絲杠的尺寸選型要根據(jù)進(jìn)給速度和受力條件進(jìn)行選擇，選型完成后要進(jìn)行滾珠絲杠的極限轉(zhuǎn)速校核、壽命校核、剛度校核確保滾珠絲杠的壽命和剛度滿足使用要求。本文不詳細(xì)介紹滾珠絲杠的選型及校核計(jì)算，僅討論關(guān)于滾珠絲杠安裝精度的相關(guān)內(nèi)容。

在滾珠絲杠傳動(dòng)過程中，尤其是在方向移動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生軸向間隙。為了消除軸向間隙，可以選擇帶預(yù)壓的滾珠絲杠。施加預(yù)壓可以消除軸向間隙，并進(jìn)一步使軸向載荷產(chǎn)生的變形量為最小，在進(jìn)行高精度定位的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇預(yù)壓的絲杠，施加適當(dāng)?shù)穆菽割A(yù)緊負(fù)載，不僅能消除螺母和滾珠絲杠的精度和剛度，又不至于使摩擦力增加、磨損增大，降低使用壽命[1]。

2）滾珠絲杠軸承的選擇。

滾珠絲杠的支承軸承采用接觸角為60°的滾珠絲杠精密滾動(dòng)軸承，這種軸承是一種高精度高性能的軸承，其鋼球數(shù)量比普通的角接觸球軸承多，因此軸承剛度比普通軸承高。此種軸承已預(yù)先設(shè)置預(yù)載荷，因此容易安裝，60°接觸角可以同時(shí)承受徑向和軸向載荷。角接觸球軸承的支撐剛度隨著預(yù)緊力的增大而增大，說明合理地增大預(yù)緊力可增加系統(tǒng)的剛度，提高系統(tǒng)固有頻率，降低系統(tǒng)振動(dòng)[2]。但過大的預(yù)載會(huì)使?jié)L珠的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，引起軸承溫度上升及異響，導(dǎo)致壽命降低。在軸承使用中建議不超過軸承廠家提供的預(yù)負(fù)荷量。

滾珠絲杠軸承一般組對使用，根據(jù)機(jī)床的受力可以選擇2列、3列、4列組配。

常用2列軸承組配方式如圖1所示。

圖1 軸承組配示意圖

a.DB組配（背對背）。可承受徑向載荷和2個(gè)方向的軸向載荷；載荷中心距離長，力矩載荷剛度高；對裝配誤差敏感，容易導(dǎo)致內(nèi)部載荷增大，發(fā)生早期剝落等損傷。

b.DF組配（面對面）。可承受徑向載荷和2個(gè)方向的軸向載荷；載荷中心距離短，力矩載荷剛度低；因力矩載荷剛度低，可抑制因角度誤差等引起的內(nèi)部載荷的增大，適用于無法避免角度誤差或軸彎曲的情況下使用。

c.DT組配。可承受徑向載荷和1個(gè)方向的軸向載荷，軸向載荷的承載能力是單列軸承的2倍，因此適用于1個(gè)方向軸向載荷大的情況。

其余3列、4列組配是以上3種方式的組合。切削類的機(jī)床都受2個(gè)方向的力，故選擇DB或者DF組配方式，受力過大時(shí)可以增加軸承數(shù)量。

3）絲杠支撐方式選擇。

絲杠的支撐方式有固定-浮動(dòng)（如圖2），固定-支撐（如圖3），固定-固定（如圖4）。

圖2 固定-浮動(dòng)

圖3 固定-支撐

圖4 固定-固定

a.固定-浮動(dòng)應(yīng)用于行程短、垂直安裝的場合。

b.固定-支撐適用于一般傳動(dòng)精度的場合。

c.固定-固定適用于精密運(yùn)動(dòng)的場合。

對于固定-固定結(jié)構(gòu)形式，為了提高整體的剛度、平穩(wěn)性以及進(jìn)行絲杠熱伸長的補(bǔ)償，須通過兩端螺母的鎖緊，對整個(gè)絲杠系進(jìn)行預(yù)拉伸安裝。絲杠傳動(dòng)剛度的提高不僅可提高傳動(dòng)精度，提高抗振性，也顯著減小準(zhǔn)停過程的振動(dòng)超調(diào)[3]。

4）絲杠絲母形式選擇。

對傳動(dòng)精度要求高的場合應(yīng)選擇預(yù)壓型的絲母，施加預(yù)壓可以消除軸向間隙，使軸向載荷產(chǎn)生的變位量為最小。研究顯示，滾珠絲杠副承受的載荷和預(yù)緊力是性能衰退和磨損的關(guān)鍵因素[4]，因此最大預(yù)壓負(fù)荷不應(yīng)超過絲杠軸向基本額定動(dòng)載荷的10%，若傳動(dòng)部分受力計(jì)算清晰的情況下可選擇最大軸向載荷的1/3作為絲母的預(yù)壓載荷。

施加和沒施加預(yù)壓的彈性變形曲線如圖5所示。

圖5 滾珠絲杠的彈性變形曲線

5）軸承座設(shè)計(jì)。

軸承座是軸承安裝的載體，軸承座的加工及安裝精度直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、噪聲及壽命。在軸承座設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予足夠的剛度和精度。如果電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直聯(lián)絲杠時(shí)，設(shè)計(jì)軸承座時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)軸承座和電動(dòng)機(jī)座一體，以避免裝配過程中的誤差。另外為提高絲杠兩端軸承座的一致性，可采用成組加工、配套入庫的方式，再配合刮研技術(shù)提高裝配精度。軸承座孔精度要求如圖6所示。

圖6 軸承座孔精度要求

軸承與軸承座孔配合時(shí)，為提高旋轉(zhuǎn)精度，最好的辦法是使用過盈配合，但實(shí)際上作為機(jī)械的傳動(dòng)裝置需要調(diào)整，且考慮到維持精度時(shí)需要進(jìn)行軸承的更換等維修作業(yè)，一般采用微量的間隙配合，軸承與軸和軸承座的配合公差分別為h5和H6。此處的公差因軸承品牌的不同會(huì)有差別，使用中要根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 滾珠絲杠的安裝

滾珠絲杠的安裝主要是軸承預(yù)緊及滾珠絲杠的預(yù)拉伸。

1）軸承安裝。

絲杠支撐用軸承的損傷形式有很多種，最常見的導(dǎo)致軸承損壞的形式是過大載荷引起的壓痕。

滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中要使軸承保持適當(dāng)?shù)膬?nèi)部游隙，角接觸球軸承會(huì)預(yù)先加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊進(jìn)行安裝以提高軸承的剛度。但錯(cuò)誤的預(yù)載荷會(huì)導(dǎo)致摩擦轉(zhuǎn)矩的加大、溫度上升、噪聲異常、壽命低下等。所以預(yù)緊力的大小要根據(jù)軸承的預(yù)載情況根據(jù)軸承樣本來選取（如表1）。

表1 NTN軸承標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊載荷

軸承安裝對于不同的軸承組配方式，安裝方法有所區(qū)別。

a.DB安裝（如圖7）。

圖7 DB安裝示意圖

DB組合的軸承預(yù)緊力施加在軸承內(nèi)圈，通過鎖緊螺母來施加軸承預(yù)緊力，預(yù)緊力大小可通過鎖緊螺母的轉(zhuǎn)矩來控制。螺母端與螺紋面要成準(zhǔn)確的直角。如有傾斜在緊固時(shí)軸承側(cè)面與螺母端面會(huì)發(fā)生不均勻接觸引發(fā)扭曲。

鎖緊螺母轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力的換算公式為

式中：F為緊固力，N；Mn為緊固力矩，N·mm;d2為螺紋有效徑，mm；β為螺紋引導(dǎo)角，（°）；ρ為螺紋面摩擦角，（°）；dn為螺母座面的平均直徑，mm; μm為螺母座面的摩擦因數(shù)，取0.15。

在實(shí)際裝配過程中，可以依據(jù)軸承預(yù)緊力計(jì)算鎖緊螺母的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩值來控制軸承預(yù)緊力。b.DF安裝（如圖8）。DF組合軸承預(yù)緊力施加在軸承外圈，一般在壓蓋與軸承座之間留有間隙，然后用螺栓緊固以實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)緊。一般推薦的外圈緊固量為0.01～0.02 mm，精密高速運(yùn)動(dòng)場合使用時(shí)緊固量請咨詢軸承廠家。

圖8 DB安裝示意圖

以上這種方式需配磨軸承壓蓋，使緊固量符合軸承預(yù)緊要求，配磨量大，對配磨的精度要求高。

另外還有一種方式，不對壓蓋進(jìn)行配磨，軸承的預(yù)緊通過對壓蓋的安裝螺栓進(jìn)行緊固，通過螺栓的緊固轉(zhuǎn)矩來保證軸承所需的預(yù)緊力。這種方法裝配簡單，但是預(yù)緊力和壓蓋的剛度有關(guān)，不精確。

2）絲杠安裝。

絲杠在運(yùn)行過程中會(huì)因溫度的升高而引起熱伸長，熱伸長的出現(xiàn)會(huì)使絲杠發(fā)生彎曲，使定位精度降低。

降低熱伸長對精度的影響，一方面要盡可能降低發(fā)熱，如減少滾珠絲杠、軸承的預(yù)緊量，加大滾珠絲杠的導(dǎo)程，降低轉(zhuǎn)速，對絲杠進(jìn)行冷卻等。另一方面可對絲杠軸進(jìn)行預(yù)拉伸。

因發(fā)熱引起的絲杠伸長量計(jì)算公式為

式中：Δl為絲杠軸的軸方向伸縮量，mm；ρ為熱膨脹系數(shù)，12×10-6/℃；Δt為絲杠的溫度變化量，℃；l為絲杠有效長度，mm。

一般選擇Δt=3 ℃時(shí)的絲杠伸長量作為絲杠的預(yù)拉伸量。對于絲杠溫升較大的場合可以采用一端固定，另一端半固定留浮動(dòng)量的形式，這種方式允許絲杠進(jìn)行少量的軸向位移，避免因熱伸長引起的彎曲。

DB調(diào)整量ΔL預(yù)留在軸承座孔，DF安裝調(diào)整量ΔL預(yù)留在絲杠軸端，如圖9所示。

由圖9可見，DB組配方式的預(yù)拉伸需要調(diào)整軸承座來實(shí)現(xiàn)；DF組配的預(yù)拉伸需要擰鎖緊螺母來進(jìn)行預(yù)拉伸，DF方式更容易實(shí)現(xiàn)絲杠的預(yù)拉伸。

圖9 軸承座孔調(diào)整量示意圖

a.絲杠安裝調(diào)整步驟。

滾珠絲杠副一般只能承受軸向力，較大的徑向力和傾覆力矩可能造成絲杠的損壞，所以滾珠絲杠的正確安裝對其使用運(yùn)轉(zhuǎn)性能具有重大的決定作用[4]。

b.滾珠絲杠調(diào)整步驟（如圖10）。

圖10 安裝誤差示意圖

對螺母安裝座調(diào)心→對軸承座調(diào)心→安裝滾珠絲杠→安裝支撐單元→調(diào)整絲杠軸端跳動(dòng)→確認(rèn)運(yùn)行性能→對電動(dòng)機(jī)調(diào)心→安裝聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)。

滾珠絲杠安裝精度誤差要求：傾斜誤差在1/5000以下；偏心誤差在10 μm以下。

安裝誤差對滾珠絲杠的影響主要有以下幾方面：影響耐久性；增大摩擦力矩；降低運(yùn)行精度；噪聲變大；壽命降低。

傾斜安裝誤差對壽命的影響如圖11所示。

圖11 傾斜安裝誤差對壽命的影響曲線

3 結(jié)語

本文著眼于提高滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝精度和使用壽命，從滾珠絲杠的選型、滾珠絲杠絲母預(yù)緊選擇、安裝方式的選擇、軸承座的設(shè)計(jì)出發(fā)，詳細(xì)介紹了目前常用的設(shè)計(jì)安裝方法，并分析其應(yīng)用場合。從絲杠副的安裝工藝出發(fā)，介紹軸承座設(shè)計(jì)要點(diǎn)及公差選擇；軸承的預(yù)緊量選擇及實(shí)現(xiàn)方式；預(yù)拉伸量的計(jì)算及實(shí)現(xiàn)方式；介紹滾珠絲杠安裝調(diào)整步驟及精度要求。通過以上的論述，詳細(xì)地介紹了滾珠絲杠副安裝過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的影響因素，為滾珠絲杠副設(shè)計(jì)安裝及維修提供指導(dǎo)和參考。