滾珠絲杠進給系統的設計與安裝

楊小娟

（沈陽機床（集團）有限責任公司，沈陽 110000）

0 引言

滾珠絲杠副傳動是目前多數機床采用的進給系統傳動方式。滾珠絲杠中的鋼球在絲杠軸與螺母之間滾動，驅動轉矩小，傳動效率高，定位精度高，將電動機軸的旋轉運動轉變為移動部件的直線運動，實現移動部件的精準定位，獲得穩定可靠的定位精度和重復定位精度。滾珠絲杠副的傳動精度與絲杠選型、絲杠剛度、軸承座的剛度、滾珠絲杠副的安裝精度有直接的關系。定位進給系統的傳動精度及剛度直接影響機床的定位精度及加工精度，影響機床的整體性能。

滾珠絲杠副的設計包括滾珠絲杠的選擇、軸承的選擇、軸承組對方式及預緊的選擇、絲杠熱伸長對策。每個環節都對精度有一定的影響。

1 進給系統設計

1）滾珠絲杠型號選擇。

滾珠絲杠的尺寸選型要根據進給速度和受力條件進行選擇，選型完成后要進行滾珠絲杠的極限轉速校核、壽命校核、剛度校核確保滾珠絲杠的壽命和剛度滿足使用要求。本文不詳細介紹滾珠絲杠的選型及校核計算，僅討論關于滾珠絲杠安裝精度的相關內容。

在滾珠絲杠傳動過程中，尤其是在方向移動的過程中會產生軸向間隙。為了消除軸向間隙，可以選擇帶預壓的滾珠絲杠。施加預壓可以消除軸向間隙，并進一步使軸向載荷產生的變形量為最小，在進行高精度定位的進給系統設計時，應選擇預壓的絲杠，施加適當的螺母預緊負載，不僅能消除螺母和滾珠絲杠的精度和剛度，又不至于使摩擦力增加、磨損增大，降低使用壽命[1]。

2）滾珠絲杠軸承的選擇。

滾珠絲杠的支承軸承采用接觸角為60°的滾珠絲杠精密滾動軸承，這種軸承是一種高精度高性能的軸承，其鋼球數量比普通的角接觸球軸承多，因此軸承剛度比普通軸承高。此種軸承已預先設置預載荷，因此容易安裝，60°接觸角可以同時承受徑向和軸向載荷。角接觸球軸承的支撐剛度隨著預緊力的增大而增大，說明合理地增大預緊力可增加系統的剛度，提高系統固有頻率，降低系統振動[2]。但過大的預載會使滾珠的摩擦轉矩增大，引起軸承溫度上升及異響，導致壽命降低。在軸承使用中建議不超過軸承廠家提供的預負荷量。

滾珠絲杠軸承一般組對使用，根據機床的受力可以選擇2列、3列、4列組配。

常用2列軸承組配方式如圖1所示。

圖1 軸承組配示意圖

a.DB組配（背對背）。可承受徑向載荷和2個方向的軸向載荷；載荷中心距離長，力矩載荷剛度高；對裝配誤差敏感，容易導致內部載荷增大，發生早期剝落等損傷。

b.DF組配（面對面）。可承受徑向載荷和2個方向的軸向載荷；載荷中心距離短，力矩載荷剛度低；因力矩載荷剛度低，可抑制因角度誤差等引起的內部載荷的增大，適用于無法避免角度誤差或軸彎曲的情況下使用。

c.DT組配。可承受徑向載荷和1個方向的軸向載荷，軸向載荷的承載能力是單列軸承的2倍，因此適用于1個方向軸向載荷大的情況。

其余3列、4列組配是以上3種方式的組合。切削類的機床都受2個方向的力，故選擇DB或者DF組配方式，受力過大時可以增加軸承數量。

3）絲杠支撐方式選擇。

絲杠的支撐方式有固定-浮動（如圖2），固定-支撐（如圖3），固定-固定（如圖4）。

圖2 固定-浮動

圖3 固定-支撐

圖4 固定-固定

a.固定-浮動應用于行程短、垂直安裝的場合。

b.固定-支撐適用于一般傳動精度的場合。

c.固定-固定適用于精密運動的場合。

對于固定-固定結構形式，為了提高整體的剛度、平穩性以及進行絲杠熱伸長的補償，須通過兩端螺母的鎖緊，對整個絲杠系進行預拉伸安裝。絲杠傳動剛度的提高不僅可提高傳動精度，提高抗振性，也顯著減小準停過程的振動超調[3]。

4）絲杠絲母形式選擇。

對傳動精度要求高的場合應選擇預壓型的絲母，施加預壓可以消除軸向間隙，使軸向載荷產生的變位量為最小。研究顯示，滾珠絲杠副承受的載荷和預緊力是性能衰退和磨損的關鍵因素[4]，因此最大預壓負荷不應超過絲杠軸向基本額定動載荷的10%，若傳動部分受力計算清晰的情況下可選擇最大軸向載荷的1/3作為絲母的預壓載荷。

施加和沒施加預壓的彈性變形曲線如圖5所示。

圖5 滾珠絲杠的彈性變形曲線

5）軸承座設計。

軸承座是軸承安裝的載體，軸承座的加工及安裝精度直接影響進給系統的運動精度、噪聲及壽命。在軸承座設計時應給予足夠的剛度和精度。如果電動機通過聯軸器直聯絲杠時，設計軸承座時應設計軸承座和電動機座一體，以避免裝配過程中的誤差。另外為提高絲杠兩端軸承座的一致性，可采用成組加工、配套入庫的方式，再配合刮研技術提高裝配精度。軸承座孔精度要求如圖6所示。

圖6 軸承座孔精度要求

軸承與軸承座孔配合時，為提高旋轉精度，最好的辦法是使用過盈配合，但實際上作為機械的傳動裝置需要調整，且考慮到維持精度時需要進行軸承的更換等維修作業，一般采用微量的間隙配合，軸承與軸和軸承座的配合公差分別為h5和H6。此處的公差因軸承品牌的不同會有差別，使用中要根據實際使用進行設計。

2 滾珠絲杠的安裝

滾珠絲杠的安裝主要是軸承預緊及滾珠絲杠的預拉伸。

1）軸承安裝。

絲杠支撐用軸承的損傷形式有很多種，最常見的導致軸承損壞的形式是過大載荷引起的壓痕。

滾動軸承在運轉狀態中要使軸承保持適當的內部游隙，角接觸球軸承會預先加入適當的預緊進行安裝以提高軸承的剛度。但錯誤的預載荷會導致摩擦轉矩的加大、溫度上升、噪聲異常、壽命低下等。所以預緊力的大小要根據軸承的預載情況根據軸承樣本來選取（如表1）。

表1 NTN軸承標準預緊載荷

軸承安裝對于不同的軸承組配方式，安裝方法有所區別。

a.DB安裝（如圖7）。

圖7 DB安裝示意圖

DB組合的軸承預緊力施加在軸承內圈，通過鎖緊螺母來施加軸承預緊力，預緊力大小可通過鎖緊螺母的轉矩來控制。螺母端與螺紋面要成準確的直角。如有傾斜在緊固時軸承側面與螺母端面會發生不均勻接觸引發扭曲。

鎖緊螺母轉矩和預緊力的換算公式為

式中：F為緊固力，N；Mn為緊固力矩，N·mm;d2為螺紋有效徑，mm；β為螺紋引導角，（°）；ρ為螺紋面摩擦角，（°）；dn為螺母座面的平均直徑，mm; μm為螺母座面的摩擦因數，取0.15。

在實際裝配過程中，可以依據軸承預緊力計算鎖緊螺母的轉矩，根據轉矩值來控制軸承預緊力。b.DF安裝（如圖8）。DF組合軸承預緊力施加在軸承外圈，一般在壓蓋與軸承座之間留有間隙，然后用螺栓緊固以實現軸承預緊。一般推薦的外圈緊固量為0.01～0.02 mm，精密高速運動場合使用時緊固量請咨詢軸承廠家。

圖8 DB安裝示意圖

以上這種方式需配磨軸承壓蓋，使緊固量符合軸承預緊要求，配磨量大，對配磨的精度要求高。

另外還有一種方式，不對壓蓋進行配磨，軸承的預緊通過對壓蓋的安裝螺栓進行緊固，通過螺栓的緊固轉矩來保證軸承所需的預緊力。這種方法裝配簡單，但是預緊力和壓蓋的剛度有關，不精確。

2）絲杠安裝。

絲杠在運行過程中會因溫度的升高而引起熱伸長，熱伸長的出現會使絲杠發生彎曲，使定位精度降低。

降低熱伸長對精度的影響，一方面要盡可能降低發熱，如減少滾珠絲杠、軸承的預緊量，加大滾珠絲杠的導程，降低轉速，對絲杠進行冷卻等。另一方面可對絲杠軸進行預拉伸。

因發熱引起的絲杠伸長量計算公式為

式中：Δl為絲杠軸的軸方向伸縮量，mm；ρ為熱膨脹系數，12×10-6/℃；Δt為絲杠的溫度變化量，℃；l為絲杠有效長度，mm。

一般選擇Δt=3 ℃時的絲杠伸長量作為絲杠的預拉伸量。對于絲杠溫升較大的場合可以采用一端固定，另一端半固定留浮動量的形式，這種方式允許絲杠進行少量的軸向位移，避免因熱伸長引起的彎曲。

DB調整量ΔL預留在軸承座孔，DF安裝調整量ΔL預留在絲杠軸端，如圖9所示。

由圖9可見，DB組配方式的預拉伸需要調整軸承座來實現；DF組配的預拉伸需要擰鎖緊螺母來進行預拉伸，DF方式更容易實現絲杠的預拉伸。

圖9 軸承座孔調整量示意圖

a.絲杠安裝調整步驟。

滾珠絲杠副一般只能承受軸向力，較大的徑向力和傾覆力矩可能造成絲杠的損壞，所以滾珠絲杠的正確安裝對其使用運轉性能具有重大的決定作用[4]。

b.滾珠絲杠調整步驟（如圖10）。

圖10 安裝誤差示意圖

對螺母安裝座調心→對軸承座調心→安裝滾珠絲杠→安裝支撐單元→調整絲杠軸端跳動→確認運行性能→對電動機調心→安裝聯軸器、電動機。

滾珠絲杠安裝精度誤差要求：傾斜誤差在1/5000以下；偏心誤差在10 μm以下。

安裝誤差對滾珠絲杠的影響主要有以下幾方面：影響耐久性；增大摩擦力矩；降低運行精度；噪聲變大；壽命降低。

傾斜安裝誤差對壽命的影響如圖11所示。

圖11 傾斜安裝誤差對壽命的影響曲線

3 結語

本文著眼于提高滾珠絲杠副傳動系統的安裝精度和使用壽命，從滾珠絲杠的選型、滾珠絲杠絲母預緊選擇、安裝方式的選擇、軸承座的設計出發，詳細介紹了目前常用的設計安裝方法，并分析其應用場合。從絲杠副的安裝工藝出發，介紹軸承座設計要點及公差選擇；軸承的預緊量選擇及實現方式；預拉伸量的計算及實現方式；介紹滾珠絲杠安裝調整步驟及精度要求。通過以上的論述，詳細地介紹了滾珠絲杠副安裝過程中的各個環節的影響因素，為滾珠絲杠副設計安裝及維修提供指導和參考。