滾珠絲杠副表面質量對摩擦力矩影響研究*

宋現(xiàn)春，莊利軍，孫 悅，莊 然，郭英杰

(山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

在我國，數控機床和與其配套的功能部件的發(fā)展水平相差很大，機床部件的制造水平達不到機床的需求[1]。滾珠絲杠副是數控機床中的關鍵功能部件之一，國內學者對滾珠絲杠已經做了大量的研究，如張政潑等[2]提出了一種由螺母預緊力而產生的附加摩擦力矩的計算方法，同時分析了滾珠絲杠副摩擦力矩隨負載的變化規(guī)律；黃寬等[3]設計了一種適用于重載滾珠絲杠副的測量儀，能夠動態(tài)測量重載滾珠絲杠副的摩擦力矩和溫升。

為了進一步提升滾珠絲杠加工制造技術，本文從理論層面出發(fā)，分析滾珠絲杠副摩擦力矩產生機理，通過試驗研究分析滾道表面粗糙度與摩擦力矩之間的關系。

1 滾珠絲杠副表面質量及摩擦力矩

1.1 滾珠絲杠副表面質量

滾珠絲杠副由絲杠、螺母、滾珠以及返向器4部分組成，其結構如圖1所示。絲杠的旋轉帶動螺母進行移動，這種運動是可逆的，所以滾珠絲杠副是實現(xiàn)旋轉運動和直線運動相互轉化的理想裝置。

圖1 滾珠絲杠副結構示意圖

滾珠絲杠副的表面質量是指絲杠滾道加工后的表面平整度，它會影響滾珠滾動的流暢性，從而影響絲杠的傳動效率，一般用Ra表示，其計算公式為：

(1)

其中:l為評定長度；y(x)為在x位置的工件表面相對于基準線的高度。

1.2 摩擦力矩的組成及計算模型

摩擦力矩是滾珠絲杠副最重要的性能參數之一，反映了滾珠絲杠副的摩擦特性。滾珠絲杠副運行過程中的摩擦損失主要包含以下幾個方面[4]：

(1) 差動滑動摩擦。滾珠在運行過程中會發(fā)生彈性變形，在滾珠與滾道的接觸點會形成一個橢圓的接觸面，此時的滾珠除了存在與滾道之間的滑動摩擦外，還存在其自旋而產生的差動滑動形式的摩擦，滾珠與滾道之間的接觸面積越大，摩擦力也會越大，差動滑動摩擦力矩MC[5]可表示為：

(2)

其中：μs為滾動摩擦因數；a為接觸橢圓長半軸尺寸；d為絲杠公稱直徑；Q為外載荷；f為滑動摩擦因數；db為滾珠直徑。

(2) 滾珠與滾珠之間的摩擦。絲杠運行時，兩相鄰滾珠之間的相對滑移速度為單個滾珠做純滾動時線速度的兩倍，而且速度的變化會導致摩擦因數的變化，當相鄰兩滾珠的相對速度達到一定的值后，滾珠絲杠副的摩擦力矩會顯著增大。滾珠之間的相互摩擦力可以近似地用兩物體的接觸摩擦力來計算，滾珠間的摩擦力矩Mf可表示為：

(3)

其中：μb為動摩擦因數；Fb為法向載荷。

(3) 滾珠的彈性滯后造成的阻力。物體的彈性變形能會在兩物體接觸時消耗，在兩物體分離時釋放。但由于物體的彈性遲滯和松弛效應，釋放的能量總是比消耗的能量少，兩種能量的差值就是滾動摩擦損失。由于這種彈性滯后的存在，滾珠滾動時，與滾道接觸的兩側受到的力大小不等，因此就會產生阻力矩。滾珠的彈性滯后造成的阻力矩Me可以表示為：

(4)

其中：b為接觸面圓半徑；μ為摩擦因數。

(4) 滾珠返回裝置中的阻力。滾珠在出入返向裝置時其運動會發(fā)生劇烈變化，此時返向器中的摩擦力矩主要由滾珠與滾珠之間的摩擦阻力、滾珠與返向器之間的摩擦阻力和滾珠出入返向器時的摩擦阻力3部分組成，而且外循環(huán)的摩擦力要比內循環(huán)的摩擦力大得多，所以保證滾珠絲杠副返向裝置的光滑性非常重要。

假設滾珠質量、半徑和運行速度分別為mb、rb和vb，滾珠的數量為z，返向器長度為k，根據質點動能定理，可以得出滾珠在返向裝置中的摩擦力矩Mb為：

(5)

(5) 潤滑劑的黏滯阻力。帕姆格林參照對軸承的分析方式提出了滾珠絲杠副由潤滑劑的黏滯阻力所產生的摩擦力矩MR的計算公式[6]：

(6)

其中：f0為與潤滑有關的系數；υ為潤滑劑的運動黏度；n為絲杠的轉速。

事實上，滾珠與絲杠及螺母滾道之間產生的摩擦力矩是由各個接觸點處產生的，絲杠運行時各種摩擦力矩是相互耦合的，并不能簡單地疊加計算，所以滾珠絲杠副總摩擦力矩可以近似表示為:

(7)

其中:Qi和μi分別為單個滾珠的接觸載荷和摩擦因數。

公式(7)可以很好地解釋說明摩擦力矩變動的原因。

2 滾珠絲杠副摩擦力矩測量試驗

2.1 試驗方案的設計

本次試驗采用山東博特公司開發(fā)的摩擦力矩測量試驗臺，其結構及測量原理如圖2所示。進行測量時，滾珠絲杠1的一端用三爪卡盤固定，另一端用頂尖支撐，傳力桿3將絲杠的摩擦力矩轉化為壓力傳遞給傳感器4，然后將數據傳輸到計算機。

試驗對象采用山東博特生產的KD4016型滾珠絲杠副，具體參數如表1所示。將待測滾珠絲杠按照粗糙度的大小分為3組，粗糙度依次為0.9 μm、0.6 μm和0.3 μm，設定絲杠轉速為120 r/min，分別進行正、反向摩擦力矩測量試驗。

1-被測滾珠絲杠；2-絲杠螺母；3-傳力桿；4-力傳感器；5-傳感器擋板；6-傳感器基座；7-工作臺

表1 KD4016滾珠絲杠副參數

2.2 試驗測量結果

測量結果如表2及圖3～圖5所示。

圖5 粗糙度為0.3 μm時摩擦力矩測量結果

表2 摩擦力矩試驗測量結果

圖3 粗糙度為0.9 μm時摩擦力矩測量結果

2.3 試驗結果分析

根據上述試驗結果可以得到：不論絲杠的正向運轉還是反向運轉，隨著滾道表面粗糙度的增加，滾珠絲杠副摩擦力矩的平均值都在逐漸增大，摩擦力矩的波動也會變大；滾道表面粗糙度從0.3 μm增加到0.6 μm對摩擦力矩產生的影響要大于表面粗糙度從0.6 μm增加到0.9 μm對摩擦力矩產生的影響。

圖4 粗糙度為0.6 μm時摩擦力矩測量結果

3 結語

本文分析了滾珠絲杠副摩擦力矩的構成以及計算方法，并對不同滾道表面粗糙度的滾珠絲杠進行了摩擦力矩測量試驗，得出了滾珠絲杠副表面質量對摩擦力矩的影響規(guī)律。提高滾珠絲杠副的表面加工質量可以顯著地降低滾珠絲杠副的表面粗糙度，是改善滾珠絲杠副性能的主要措施。