梯形絲杠螺母副易磨損的原因分析和改進方法

葉文俊 王全寶 胡映秋 楊樹生 王晶星

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南 昆明650203)

梯形絲杠副就是絲桿螺紋為梯形螺紋的絲杠，分公、英制兩種。梯形絲杠副具有承載力大、傳動效率高、定位準確、具有自鎖功能等特點，因而梯形絲杠副在筆者公司的臥式鏜床上得到了較廣泛的應用。

某段時間，用戶反映我公司生產的某型臥式鏜床在使用半年左右后發生梯形絲杠螺母副磨損嚴重，導致機床下拖板拖動力不足和出現抖動現象，嚴重影響了機床的正常使用。為此，相關人員廣泛收集各方面的信息、深入生產現場和用戶使用現場，對機床絲杠螺母副磨損嚴重的現象、原因進行了細致的調查和研究，針對各種原因，提出了相應的改進方法，有效地解決了梯形絲杠螺母副易磨損的問題。

1 原因分析

造成梯形絲杠螺母磨損的原因較多，絲杠、螺母的材質、結構、表面粗糙度、加工和裝配工藝、潤滑方式等因素都會影響絲杠副的耐磨性。下面以該型機床的X向絲杠副為例進行分析。

(1)絲杠、螺母的材料

材料的選擇，主要考慮的因素為材料的加工性能、使用性能等。本機床絲杠材料選用45 鋼，T235 調質處理。由于筆者公司熱處理設備采用井式爐，調質時溫度不易保持一致(井口溫度較低)，造成調質后材質不均勻，加工后絲杠表面會存在軟硬不均勻的現象。

螺母的材料選用鑄鋁青銅ZQAl9 -4，其耐磨性、抗震性、加工性能都較好，能夠滿足使用要求。但由于絲杠表面存在軟硬不均勻點，很容易造成銅螺母的快速磨損。

(2)絲杠螺母結構強度

該臥式鏜床X 向梯形絲杠的參數如表1。

表1 X 向絲杠參數表

因為螺紋工作面上單位壓力的大小直接影響絲杠副磨損的快慢，所以對絲杠螺母進行耐磨性計算。耐磨性計算就是驗算工作面上的單位壓力，使其不超過許用值以限制磨損，計算如下［1］:

式中:Q 為最大牽引力，N;t 為絲杠螺紋的導程，mm;d節為絲杠螺紋的平均直徑，mm;L 為螺母的長度，mm;Z 為螺紋頭數;P 為螺紋工作表面上的實際平均單位壓力，MPa;［P］為螺紋工作表面上的許用單位壓力，MPa;h 為螺紋工作高度，mm。

工作高度:h=0.5t=0.5 ×8 =4 mm。

圖1 為X 向絲杠受力分析圖，由受力分析可知:

式中:g 為工件重力，N;g1為工作臺重力，N;g2為上拖板重力，N;g3為其他零件重力，N;F1為上拖板與下拖板間的摩擦力，N;F2為上拖板與下拖板間的粘結力，N;f1為上拖板與下拖板導軌間的摩擦系數;μ 為粘結系數，MPa;S 為上拖板與下拖板間的粘結面積，mm2。

已知:g=100000 N，g1=24500 N，g2=12000 N，g3=3500 N，f1=0.12，μ=5 ×10-3MPa，通過查圖紙:S=507500 m2，則得:

F1=(100000 +24500 +12000 +3500)×0.12 =16800 N

F2=5 ×10-3×507500 =2537.5 N

Q=16800 +2862.5 =19337.5 N

查機床設計手冊P242 表10. 3 可得［1］，［P］=110 MPa

因P＞［P］，即螺母螺紋工作面上的實際工作單位壓力超過許用壓力值，導致螺母易磨損，要改善磨損情況需減小螺母螺紋工作面上的單位壓力。

(3)表面粗糙度

絲杠螺母的表面粗糙度是直接影響絲杠螺母耐磨性的重要因素，表面粗糙度值越大，摩擦系數越大，兩相互運動表面的磨損就越快。另外表面粗糙度還影響配合性質的穩定性、零件的強度等，故對零件提出合理的表面粗糙度要求，是幾何精度設計中一個重要的方面［2］。

初始設計的絲杠和螺母表面粗糙度值為Ra3.2 μm，粗糙度值偏大，所以容易造成螺母磨損。

(4)加工和裝配工藝

老工藝絲杠、螺母按圖紙給定的精度單獨加工，由于牙形角偏差，絲杠、螺母的公差帶允差等因素的影響，二者會出現配合不好或者配合間隙過大、過小的情況，一旦出現這些情況，就會使絲杠螺母副易磨損。

開始時由于交貨周期緊，絲杠座的裝配定位沒有配備專用的工裝，用絲杠直接裝配定位。由于絲杠上螺紋段的外圓是不連續表面，其他外圓段相對較短或者精度不高不方便定位(見圖2)，所以對裝配工人的技能要求較高。絲杠座一旦定位不好，絲杠的正、側向與導軌面的正、側向平行超差，也會出現絲杠螺母副易磨損的現象。

(5)潤滑方式

絲杠螺母的潤滑采用油池潤滑(Z 向)和齒輪飛濺潤滑(Y 向)。油池潤滑是在油池的底部打小孔并塞入毛線，油液沁滿毛線后淋到絲杠螺母副上進行潤滑。這種潤滑方式會因裝配人員塞入毛線的松緊程度而影響絲杠螺母的潤滑效果;齒輪飛濺潤滑也會因齒輪轉速的高低及淋到齒輪上油液的多少而使絲杠螺母的潤滑不充分。潤滑不好，必然會導致螺母易磨損［3］。

2 改進方法

根據上述的原因分析，采取了下述改進方法來解決絲杠螺母副易磨損的問題。

(1)材料

絲杠材料由45 鋼改為 YF45MnV 結構鋼。YF45MnV 是一種易切削非調質鋼，其硬度為230～260 HB，稍高于45 鋼調質態(45 鋼T235 的硬度為220～250 HB)，而切削性能僅相當于45 鋼的正火態。車削后絲杠表面硬度均勻，并能改善絲杠加工的表面粗糙度，而且無需調質工序，故材料更改后不僅提高了加工效率、降低了成本，而且提高了絲杠的質量、精度和耐磨性［4］。

螺母材料由鑄鋁青銅ZQAl9 -4 改為鋁基合金ZTBZA31YB。ZTBZA31YB 鋁基合金是以密度2.7 t/m3的鋁合金元素為基礎，添加21 種金屬元素，采用特殊工藝將合金液中氫氣、氫原子排除，采用激冷、復合激冷鑄造工藝，有效杜絕了疏松、針孔等鑄造缺陷，大幅度提高了合金的減磨耐磨特性和綜合技術性能。與銅合金相比，它具有以下優點:密度小了4.8 t/m3(ZQAl9-4 密度為7.5 t/m3)，轉動慣量小了1/2 以上;硬度高為142～147 HB(ZQAl9-4 硬度為100～110 HB);摩擦系數小0.035～0.038(鑄銅為0.07～0.08)，故其耐磨壽命比鑄銅延長2～4 倍以上。

(2)結構

將螺母長度由120 mm 加長至205 mm，這樣

所以P=107.29 MPa ＜［P］=110 MPa，滿足梯形絲杠設計要求。

(3)表面粗糙度

修改圖紙，把絲杠、螺母牙形的表面粗糙度值由Ra3.2 μm 改為Ra1.6 μm。

針對新材料，首先選用合適的刀具，然后匹配切削用量，保證絲杠、螺母加工后的表面粗糙度值達到Ra1.6 μm，以減小摩擦，保證配合性質的穩定性，提高絲杠螺母副的耐磨性。

(4)工藝

為了使絲杠、螺母的牙形角相吻合、配合間隙達到設計要求，二者螺紋的精車工序采用配對加工法:即一件絲杠精車好后，根據絲杠的實際螺紋尺寸來精車配對螺母的螺紋，精加工完成后打編號成套入庫。配對加工法可有效保證絲杠螺母副的配合精度，減小磨損。

采用空殼定位法來定位裝配絲杠座。空殼定位法是在具有連接定位要求的零、部件未進行裝配前，利用工裝進行預定位，相互位置確定后，再進行各自部件的裝配，進而完成整個裝配工作的一種方法［5］。

如圖3 所示，利用工裝測量套和測量軸，以導軌面為基準先找正測量軸的正、側向母線，即先校準絲杠座，然后配作絲杠座的定位銷孔。絲杠座預定位完成后，拆下工裝測量套和測量軸，然后再安裝絲杠。這樣就能較好地保證絲杠與導軌面的平行，減小因裝配誤差而導致的絲杠螺母磨損。

(5)潤滑方式

改用容積式潤滑系統來潤滑絲杠螺母副。容積式潤滑系統，由電動間隙潤滑泵供油，油量分配器(PDI)將潤滑油按選定的注油量輸送到各個潤滑點，潤滑周期可根據需要在PC 中設定。

眾所周知，要使運動副的摩擦減小，必須在運動副表面保持適當的清潔的潤滑油膜，即維持摩擦表面之間恒量供油以形成油膜。周期定量供油，既可使油膜不被損壞又不會產生污染和浪費，是一種非常好的潤滑方式，可以較好地減小摩擦，進而減小運動副的磨損。

采取以上改進措施后，該型臥式鏜床的絲杠螺母副實際使用驗證結果為:使用2 年后仍然工況良好，磨損甚微。使用壽命的延長，減少了維修、更換的費用，相應降低了成本。

3 結語

針對梯形絲杠螺母副的磨損情況，首先從材料、結構、表面粗糙度、加工和裝配工藝、潤滑方式等方面進行了多因素的原因分析，然后針對不同的原因采取了一系列的改進方法，實踐證明，這些改進方法有效地解決了梯形絲杠螺母副易磨損的難題。

由于采用了新材料、新工藝，不僅保證了絲杠螺母副的精度和使用要求，而且提高了生產效率，降低了生產成本，提高了機床的經濟效益。故而拋磚引玉，與廣大同行共享。

［1］戴曙.金屬切削機床設計［M］.2 版.北京:機械工業出版社，1985.

［2］甘永立. 幾何量公差與檢測［M］.7 版. 上海:上海科學技術出版社，2005.

［3］成大先.機械設計手冊［M］.5 版.北京:化學工業出版社，2009.

［4］付承云，李祥文，羅秀珍. 機床零件用鋼及熱處理JB/T6609 -2008［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［5］李躍年.空殼定位法在裝配中的應用［J］. 金屬加工:冷加工，2012(19):41 -44.