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精密滚珠丝杠副实现高速化的前景

2014-12-03 浏览量 88154

汽车工业、航空航天工业的发展对轻合金的高速切削加工越来越重视，加工中心、工业机器人、CNC锻压机械、FMS及各类数控机床和自动化机械的进给驱动速度不断提高。以加工中心为例，工作台的移动速度在80年代仅为15～20m/min、加速度0.5g左右，90年代中前期为30～50m/min，加速度1g左右，到90年代后期已达60～80时min，加速度1.5g以上，并向更高速度推进。作为伺服进给驱动系统中的重要执行机构—滚珠丝杠副，因具有快速、节省能源、零间隙高刚度传动、跟随灵敏、不污染环境且对周边环境的适应性强等特点，始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。为适应高速切削加工的要求，在满足定位精度的同时，如何进一步提高进给速度和加(减)速度成为业内人士当前关注的焦点。笔者研究了有关文献并结合多年的亲身经历，提出一些想法供同仁参考。
1、精密滚珠丝杠副实现高速化要解决的主要矛盾
笔者认为，在精度、线速度、加(减)速度都要兼顾的情况下，需要解决以下问题。滚珠丝杠副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速Nc。Nc与丝杠的材质、螺纹小径、两端支承方式、支承间距等因素有关。随着科学技术的发展，Nc值也在不断提高。
滚珠在螺纹滚道和返向装置中既通畅又可靠地循环滚动的安全转速，可用类似轴承的d0n值表示(d0为滚珠丝杠的名义直径，n为丝杠转速)。要实现高速化，必须通过改进滚珠螺母返向装置、提高制造精度、安装精度和支承刚度来提高d0n值。现在d0n值已由70000提高到150000。
要解决高速化带来的噪声、温升与热变形。据有关试验表明:当未采取减噪、减振措施时，滚珠丝杠转速每增加1000r/min，噪声增高4～5dB(A)，滚珠螺母的温度升高5～6℃。以上三点说明:只用增加丝杠的转速来提高进给驱动速度是不明智的。
为了改善滚珠丝杠副的加(减)速度特性，提高对运动指令的快速跟踪能力，必须提高滚珠丝杠轴系的系统刚度和丝杠副的轴向刚度，减小起动和停止瞬间弹性变形。
要解决滚珠丝杠副及周边元件在高速运行中的可靠性。
2、产品结构创新是实现高速化的基础
适度增大滚珠丝杠副的导程Pn和螺纹头数是实现高速化的最佳选择。我国早在1989年就完成了大导程滚珠丝杠副的“七?五”攻关，螺旋升角为f>9°～17°的大导程滚珠丝杠副已能批量生产。但是由于螺纹磨床传动链误差“基因”的遗传，导程越大，导程精度越难提高。因此，兼顾精度的需求，导程Pn的增大要适度，例如名义直径与导程的匹配d0×Pn以40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等为宜，线速度均可达到60m/min以上。而采用双头螺纹是为了增加滚珠的有效承载圈数，从而提高丝杠副的刚度和承载能力，提高滚珠螺母在高速运行中的平稳性。虽然超大导程滚珠丝杠副(f>17°)可以获得更高的线速度，但它很难满足精度和加(减)速度的要求。
空心强冷。在高速运转时丝杠轴的热变形是加工误差的来源之一。同时为了提高系统刚性对丝杠轴预拉伸也会产生热量。解决发热问题的有效办法是将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却。空心丝杠轴还有助于减小高速运转时的惯性，增加丝杠轴的扭曲刚度。北京机床研究所曾于1997年与成都工具研究所合作，完成大型空心滚珠丝杠的深孔加工，并从中摸索出合金钢精密深孔工艺的经验，可在高速滚珠丝杠生产中推广应用。
3、提高工艺水平和制造质量是高速化的关键
生产流程中的关键工序实现CNC化，包括CNC车削中心、CNC丝杠磨床、CNC内螺纹磨削中心、CNC中频淬火设备等。CNC丝杠磨床不但可获得很高的导程精度、双头螺纹的分度精度，还可自动补偿由于砂轮磨损导致丝杠中径尺寸的变化，而这恰恰是高速传动要求全行程内预紧力矩和刚度稳定所需要的。在CNC内螺纹磨削中心上滚珠螺母一次安装完成内螺纹滚道和装配基面的精磨，这将大大提高丝杠副在主机上的安装精度，使高速传动更加平稳。采用CNC砂轮修正器或金刚滚轮可对大螺旋升角的双圆弧齿形进行矫正，可获得高精度的滚道截形，使滚珠与滚道的适应度fr处于最佳状态，从而提高接触刚度，改善滚珠在快速滚动时的流畅性。如果再对螺纹滚道抛光或超精研抛，滚道表面粗糙度可达尺Ra0.04～0.08μm，滚珠与滚道的吻合度可提高20%左右，可大大降低高速运行时的噪声，增加疲劳强度。
为了确保高速运行时的安全和可靠性，要从冷热工艺入手严格控制产品的内在质量，首先要严格控制原材料的品质，其次要在冷热加工的全过程实施“小变形无裂纹”工艺。采用CNC中频淬火工艺既能达到硬度和硬化层深度的要求，还可减少淬火过程中的弯曲和轴向变形，使丝杠全长上硬度均布。对滚珠螺母实施光亮(真空)淬火不但可减小变形、避免淬裂倾向，还能改善硬化层的质量，提高疲劳寿命。

4、周边元部件
线性伺服进给系统的高速化是一个系统工程。丝杠副支承刚度和安装精度对提高临界转速Nc、改善运动平稳性、降低噪声有不可忽视的作用。为了减小运动惯性，应减小运动部件的数量和质量，采用高强度合金铝、碳素纤维增强塑料等实现高速运动部件的轻量化。周边的滚动直线导轨副、滚动轴承等亦应满足高速化的要求。唯其如此，在高速伺服电动机的驱动下，滚珠丝杠副轴系才能获得高速、的预期效果。
5 、充实检测手段、强化试验研究
我国即将加人WTO，我国精密高速滚珠丝杠副起步较晚，面对国际大市场的竞争，产品要创新、工艺水平要提高、产品质量更要过硬。滚珠丝杠的制造企业要迅速改变只注意产品产量、产值，不重视新产品的性能试验研究的局面。不但要对高速滚珠丝杠副的定位精度、噪声、温升、加(减)速度、动态刚度等进行试验研究，更要大力开展可靠性的试验研究，此乃占领市场的关键。

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