影響滾珠絲杠副運動平穩性的原因及解決方法

陜西漢江機床有限公司 （漢中 723003） 馬宇理 閆篤政

滾珠絲杠副是絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。它可將旋轉運動轉變為直線運動或者將直線運動轉變為旋轉運動，它以傳動效率高、精度高、精度保持性好、重復定位精度好、承載能力大、極限轉速高而著稱，被廣泛應用于數控機床及其他高、精、尖數控產品，機電一體化產品等產品的傳動與驅動當中。

滾珠絲杠副的運動性能包括運動精度和運動的平穩性兩大項。運動精度包括定位精度、重復定位精度、返向誤差等，它直接關系到機床的運動精度，進而影響到所加工零件的尺寸及形位精度；運動平穩性直接影響著機床的運動平穩性，直接導致它所驅動的元件——工作臺的運動平穩性，繼而影響到機床加工零件表面質量。

滾珠絲杠副的運動平穩性反映在運動部件上，具體表現為所驅動的運動元件的穩定性，最直接表現就是滾珠絲杠副所驅動的工作臺運動過程中工作臺平穩性。平穩性好，則工作臺運行平穩，無顫動，加工零件質量符合要求；平穩性差，則工作臺運行不平穩，嚴重時則出現工作臺抖動、導致加工的零件表面出現振紋、零件表面粗糙度超差，同時使工件表面尺寸發生變化，造成被加工零件報廢。具體原因為：滾珠絲杠副運動過程中動態預緊轉矩（摩擦力矩）大小變化過大，在未裝機的滾珠絲杠副中即單個滾珠絲杠成品中，主要表現為滾珠絲杠副在一圈轉動中力矩的變動，滾珠絲杠副在整個運動行程中力矩大小的變化，以及運動中力矩突變有卡死現象發生。

滾珠絲杠副在一圈轉動中出現力矩周期性變化主要原因之一是滾珠絲杠副裝配質量差。返向元件與滾珠螺母滾道出入口對接的平滑度差。如附圖所示，如果螺母滾道出口與返向元件軌道出口平滑過渡，滾動體在滾珠螺母滾道向返向元件軌道運動過程及返向元件軌道向螺母滾道運動過程中（在滾道出入口處）運動流暢，滾道與返向器接口無阻滯；反之，如果螺母滾道出口與返向元件軌道出口不是平滑過渡即螺母滾道比返向器軌道高或者螺母滾道比返向器軌道低（一般情況下螺母滾道比返向器軌道高），則滾動體在運動過程中出現運動受阻，造成運動不流暢，滾珠絲杠副運動平穩性差及絲杠動靜態手感差。滾珠絲杠副中返向元件數量越多，出入口數量就越多，從零件裝配性來看保證其平滑就越困難，運動平穩性就越差。

返向元件與滾珠螺母滾道出入口對接

在同樣的循環圈數下，內循環結構比外循環結構的出入口數量多，而外循環結構又比端面返向結構出入口數量多，故從裝配工藝性來看，內循環結構裝配工藝性就要差，外循環結構次之，端面返向結構工藝性最好。這就是為什么高速運動的滾珠絲杠副優先選用端面返向結構，其次選用外循環杠結構形式，而極少采用內循環結構形式的原因所在。

滾珠絲杠副在一圈轉動中力矩出現周期性變化主要原因之二：零件加工質量的影響，主要是滾珠絲杠螺紋滾道圓度與滾珠螺母螺紋滾道圓度的影響。因為在零件加工中，滾道均會產生圓度誤差，當滾珠絲杠與滾珠螺母做相對旋轉運動時，滾珠螺母繞絲杠轉動做圓周運動，當二者的圓度誤差較小或裝配后轉動中二者的低點與高點嚙合時，運動就變得很平穩；當二者的高點與高點或者低點與低點嚙合時，運動就變得異常不平穩。圓度誤差越大這種現象就越明顯，這時滾珠絲杠副在轉動中就會出現半圈緊、半圈松的情況，導致滾珠絲杠副運動中出現抖動，嚴重時影響到機床工作臺，致使其在運動中出現抖動，加工出的零件尺寸精度及形位誤差、表面粗糙度超差。

影響滾珠絲杠副在整個運動行程中動態預緊轉矩（摩擦力矩）大小變化的主要原因是，受滾珠絲杠副公稱直徑變動量即滾道中徑尺寸平行度的影響。滾珠絲杠在加工中受切削刀具及刀具磨損的影響，公稱直徑尺寸即中徑尺寸出現變化就成為無法避免的現實問題，這種情況只是不同的生產廠家，受加工工藝及加工設備、操作人員水平、加工工藝參數選擇的不同，加工出的滾珠絲杠公稱直徑的尺寸變動量大小不同而已。工藝參數選擇越合理，操作人員技術水平越高，采用的加工方法越先進的廠家，這方面就控制得越好，反之就越差。加工刀具磨損小、中徑尺寸變動量小；反之中徑尺寸變動量越大。在加工方式的選擇上，目前加工螺紋的方法不外乎磨削、旋銑、冷擠壓（軋制），這三種方法中，砂輪磨粒在磨削過程中產生磨損、脫落，進而導致砂輪直徑的變化，最終影響到絲杠中徑尺寸的變化，這種情況與所選砂輪的質量有直接的關系。這也是中經尺寸相對于其他兩種方法最不易控制的加工方法。另滾珠絲杠副精度越高，公稱直徑尺寸變動量要求越高，在同樣長度尺寸下，動態預緊轉矩的變化就越小。

如何提高滾珠絲杠副運動的平穩性，首要問題就是要根據不同的使用情況，選擇合理的循環結構形式；其次提高滾珠絲杠及滾珠螺母的零件加工精度即提高零件質量，嚴格控制滾珠絲杠及滾珠螺母滾道圓度及中徑尺寸變動量，降低滾道表面粗糙度值；三是提高零件裝配質量，保證裝配中滾道與返向元件出入口平滑過渡；四是在加工及裝配上解決的同時，再從滾珠絲杠副的安裝使用上嚴格按要求進行，只有這樣才可保證滾珠絲杠副運動過程中的平穩性，提高其運動精度。

以上只是作者對影響滾珠絲杠副運動性能的一些見解，不妥之處，共同探討。