滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展,这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。
(表 G18-1,摘自 ZBJ51004—1989)
注:表中·为公称直径和基本导程的优先组合;V为推荐组合,在优先组合不敷用时推荐选用;△为普通组合,在优先组合和推荐组合不敷用时选用。
示例:CDM50 10-3-P3 表示外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠,其公称直径50mm,基本导程 10mm,右旋螺纹,载荷钢球为 3圈,精度 3 级的定位滚珠丝杠副。
滚珠丝杠的支承和支承方式将影响丝杠副的刚度,因此,对运动精度要求高时应审慎地加以选择。丝杠一端安装两个深沟球轴承或角接触轴承或圆锥滚子轴承的称为固定支承(G);安装一个深沟球轴承或角接触轴承或圆锥轴承的称铰支承(J);螺母相当于固定支承(G)。丝杠的支承方式有两端固定(G-G),一端固定、一端铰支(G-J),一端固定、一端自由(G-Z),两端铰支(J-J),一端固定、一端铰支(G-J)几种。
常用的循环方式有两种:外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环;始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列,每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种,每列只有一圈;外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。
1) 外循环:外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环,外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。常用外循环方式端盖式;插管式;螺旋槽式。端盖式,在螺母上加工一纵向孔,作为滚珠的回程通道,螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口,滚珠由此进入回程管,形成循环。插管式,它用弯管作为返回管道,这种结构工艺性好,但是由于管道突出螺母体外,径向尺寸较大。螺旋槽式,它是在螺母外圆上铣出螺旋槽,槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切,形成返回通道,这种结构比插管式结构径向尺寸小,但制造较复杂。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单,使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑,影响滚珠滚道的平稳性。
2) 内循环:内循环均采用反向器实现滚珠循环,反向器有两种类型。圆柱凸键反向器,它的圆柱部分嵌入螺母内,端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键1定位,以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器,反向器为一般圆头平键镶块,镶块嵌入螺母的切槽中,其端部开有反向槽3,用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较,后者尺寸较小,从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。
防逆转措施
滚珠丝杠逆传动的效率也很高,不能自锁,若用于垂直运动的机构或其他需要防止逆转的场合,必须设置防逆转装置,以防止在传动中断时,因零部件自重而产生逆转。防逆转装置可采用本身不能逆转的电液脉冲电机或步进电机作原动机,或采用单向超越离合器,或采用电器、液压及机械的防逆转制动器,还可采用具有自锁能力的蜗杆传动作中间传动机构,但后者传动效率将大大降低。
防护、密封与润滑
为防止意外的机械损伤,避免尘埃、污物及铁屑进入丝杠螺母内造成磨粒磨损,应在丝杠轴上安装防护装置,如螺旋弹簧保护套、折叠式防护套等,并在螺母两端安装密封圈。应根据不同的载荷和转速,采用相应的润滑方式,以提高传动效率和延长丝杠副寿命。对于在中等载荷下,一般转速的滚珠丝杠,可采用锂基脂或 20号、30 号机械油润滑;对于在重载下的高速丝杠,采用 NBU15 高速润滑油或 90 号、180 号透平油润滑。
其他注意事项
1)在重载时,应尽可能使丝杠受拉力,避免受压产生横向位移;在安排螺母承载凸缘位置时,应尽量使螺母、螺杆同时受拉或受压,使两者变形方向一致,滚动体和滚道受载均匀,有利于长期保持精度。其正确的布置如图 所示。
2)滚珠丝杠副的传动质量,可通过增加滚珠螺母的负载滚珠有效圈数来提高。如负载滚珠有效圈数由 3 圈变为 5 圈,丝杠副的刚度和动载荷提高 1.4~1.6倍。此时如工作载荷不变,丝杠副的寿命可提高,如保持寿命不变,则可减小丝杠直径,从而提高进给动作的速度(因丝杠的惯性矩与直径四次方成正比)和降低材料消耗。
超高DN值滚珠丝杠:高速工具机,高速综合加工中心机
端盖式滚珠丝杠:快速搬运系统,一般产业机械,自动化机械
高速化滚珠丝杠:CNC机械、精密工具机、产业机械、电子机械、高速化机械
精密研磨级滚珠丝杠:CNC机械,精密工具机,产业机械,电子机械,输送机械,航天工业,其它天线使用的致动器、阀门开关装置等
螺帽旋转式(R1)系列滚珠丝杠:半导体机械、产业用机器人、木工机、雷射加工机、搬送装置等
轧制级滚珠丝杠:低摩擦、运转顺畅的优点,同时供货迅速且价格低廉
重负荷滚珠丝杠:全电式射出成形机、冲压机、半导体制造装置、重负荷制动器、产业机械、锻压机械