滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件,以减少摩擦。其工作原理如图2-8所示。丝杠和螺母上都加工有弧形的螺旋槽,将它们套装起来就形成了螺旋滚道,在滚道内装有滚珠,当丝杠与螺母相对旋转时,两者发生轴向移动,而滚珠则沿螺旋滚道向前滚动,螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来,使滚珠能做周而复始的循环运动,管道的两端还起着挡珠的作用,以防滚珠沿滚道掉出。

滚珠丝杠螺母副按滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。图2-8(a)所示为内循环式,滚珠循环过程中与丝杠始终接触,螺母螺旋槽的两相邻滚道之间由滚珠反向器实现滚珠的循环运动,并防止滚珠在管道内做循环运动。图2-8(b)所示为外循环式,螺旋槽两端通过回珠管相连,滚珠在管道内作循环运动。

图2-8　滚珠丝杠传动原理图

滚珠丝杠副具有传动效率高,传动平稳、不易产生爬行,磨损小、寿命长、精度保持性好,可通过预紧和间隙消除措施提高轴间刚度和反向精度,运动具有可逆性等优点。但它制造工艺复杂,成本高,在垂直安装时不能自锁,因而须附加制动机构。现代数控机床除了大型数控机床因移动距离大而采用齿轮齿条副、蜗杆蜗条副外,各类中、小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杠副。

数控机床进给系统所使用的滚珠丝杠必须具有可靠的轴向间隙消除机构、合理的安装结构和有效的防护装置。

1.轴向间隙的消除

轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时,丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外,在施加轴向载荷之后,轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。

轴向间隙的消除常采用双螺母消隙结构,利用两个螺母的相对轴向位移,使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时,应注意预紧力(预紧是指在过盈的条件下工作,把弹性变形量控制在最小限度)不宜过大,预紧力过大会使空载力矩增加,从而降低传动效率,缩短使用寿命。要特别消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。

(1)双螺母消隙　常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有以下几种。

1)垫片调隙式如图2-9(a)所示,通过修磨垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移,消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单,刚性好,但调整不便,滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。

2)螺纹调隙式如图2-9(b)所示,左螺母外端有凸缘,右螺母外端没有凸缘而制有螺纹,并用两个圆螺母1、2固定,用平键限制螺母在螺母座内的转动。调整时,只要拧动圆螺母1即可消除间隙并产生预紧力,然后用螺母2锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点,但调整精度差。

图2-9　双螺母垫片、螺纹调隙结构

3)齿差调隙式　如图2-10所示,在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮,齿数只相差一个齿,分别与紧固在套筒两端的内齿圈相啮合,内齿圈的齿数与外齿轮的齿数相同。调整时,先取下内齿圈,根据间隙的大小,让两个螺母分别在相同方向转过一个齿或几个齿,于是两个螺母在轴向彼此移近(或移开)相应的距离。间隙消除量Δ 可用以下公式计算:

式中　n——两螺母在同一方向转过的齿数;

t——滚珠丝杠的导程;

Z1、Z2——齿轮的齿数。

图2-10　双螺母齿差调隙结构

这种调整方法能精确调整预紧量,调整方便可靠,但结构尺寸较大,多用于高精度的传动。

(2)单螺母消隙(www.daowen.com)

除上述双螺母消隙结构外,近年来出现了单螺母消隙滚珠丝杠螺母副。如图2-11所示,螺母在完成精磨后,沿径向开一薄槽,通过内六角调整螺钉极为方便地实现了间隙的调整和预紧。

图2-11　能消除间隙的单螺母结构

2.滚珠丝杠的安装

数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外,滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合,并应保证孔对端面的垂直度;在螺母座上增加适当的筋板,并加大螺母座和机床结合部件的接触面积,以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。

(1)轴承的选择　为了提高支承的轴向刚度,选择合适的轴承至关重要。国内用于支承滚珠丝杠的轴承主要是滚动轴承,包括向心轴承、推力轴承和向心角接触轴承。近年来,国外出现了一种滚珠丝杠专用轴承,其结构如图2-12所示。这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触滚珠轴承,与一般角接触轴承相比,接触角增大到60°,增加了滚珠的数目并相应减小了滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上,而且使用极为方便。

图2-12　滚珠丝杠专用轴承

(2)轴承的支承配置　滚珠丝杠主要承受轴向载荷,它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重,如图2-13所示,常见的轴承支承配置有以下三种:

1)图2-13(a)所示是一端固定、一端自由的支承形式,其结构简单,轴向刚度低,适用于短丝杠及垂直布置丝杠,一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。

2)图2-13(b)所示是一端固定、一端浮动的支承形式,丝杠轴向刚度与图2-13(a)形式相同,丝杠受热后有膨胀伸长的余地,需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂,工艺较困难,适用于较长丝杠或卧式丝杠。

3)图2-13(c)所示是两端固定的支承形式,丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的四倍,可预拉伸,这样既可对滚珠丝杠施加预紧力,又可使丝杠受热变形得到补偿,保持恒定预紧力,但结构、工艺都较复杂,适用于长丝杠。

图2-13　滚珠丝杠的支承配置

由于滚珠丝杠不具有自锁性,用在垂直升降传动或水平放置的高速大惯量传动中,当外界动力消失后,执行部件可在重力和惯性力作用下继续运动,因此须设计可靠的锁紧装置,常用的锁紧装置一般由超越离合器和电磁摩擦离合器组成。

3.滚珠丝杠的防护

在数控机床使用过程中,若在滚珠丝杠副滚道上落入了脏物,或使用肮脏的润滑油,不仅会妨碍滚珠的正常运动,而且使磨损急剧增加。对于制造误差和预紧变形量以微米计的滚珠丝杠传动副来说,这种磨损特别敏感,因此有效地防护、密封和保持润滑油的清洁就显得十分重要。

通常采用毛毡圈对螺母进行密封,毛毡圈厚度为螺距的2～3倍,而且其内孔做成螺纹的形状,使之紧密地包住丝杠,并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之外,还可以采用耐油橡胶或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触,因此防尘效果较好,但也增加了滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩,可以采用由较硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈,内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状,并留有一定间隙。

对于暴露在外面的丝杠,一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套管以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩,以防止尘埃和磨粒黏附到丝杠表面。这几种防护罩与导轨的防护罩有相似之处:一端连接在滚珠螺母的端面,另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。

近年来出现一种钢带缠卷式丝杠防护装置,其原理如图2-14所示。防护装置和螺母一起固定在拖板上,整个装置由支承滚子1、张紧轮2和钢带3等零件组成。钢带的两端分别固定在丝杠的外圆表面。防护装置中的钢带绕过支承滚子,并靠弹簧和张紧轮将钢带张紧。当丝杠旋转时,工作台(或拖板)相对丝杠做轴向移动,丝杠一端的钢带按丝杠的螺距被放开,而另一端则以同样的螺距将钢带缠卷在丝杠上。由于钢带的宽度正好等于丝杠的螺距,因此螺纹槽被严密地封住。还因为钢带的正、反两面始终不接触,钢带外表面黏附的脏物就不会被带到内表面上,使内表面保持清洁。

图2-14　钢带缠卷式丝杠防护装置

滚珠丝杠螺母副常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑油通过注油孔注入;润滑脂则是在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内,定期润滑。