GUANGDONG POLYTECHNIC INSTITUTE 毕业设计（论文） 题 目：滚珠丝杠螺母副的维修、 保养与改进 （院） 系： 汽车工程系 专 业： 机电设备维修与管理 班 级： （二）班 学 号： 065050207 姓 名： 指导老师： 完成日期： 2009-4-10
摘 要 高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天航空、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。为了实现高速加工，首先要有高速数控机床。高速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，而优质的滚珠丝杠螺母副在高速进给系统中扮演着重要角色。本文通过分析滚珠丝杠螺母副的结构原理和类型，重点描述滚珠丝杠螺母副的支承方式、维修、保养与改进。 关键词：滚珠丝杠螺母副 支承 维修 保养 改进
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目 录
前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 §1 滚珠丝杠螺母副的结构原理和类型„„„„„„„„„„„„„„„3 1.1 螺母副的结构原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.2 螺母副的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3 滚珠丝杠螺母副的优点及应用范围„„„„„„„„„„„„„„„5 §2 滚珠丝杠螺母副的支承方式„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 §3 滚珠丝杠螺母副的维修„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 3.1 常见故障及排除方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 3.2 维修实例„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 §4 滚珠丝杠螺母副的维护„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 §5 滚珠丝杠螺母副的改进„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
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前言：
为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副。
§1 滚珠丝杠螺母副的结构原理和类型 1.1 螺母副的结构原理
滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件，其结构原理如图1所示。
图1
在丝杠1和螺母3上都装有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道（在图中4所指的位置），将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。
1.2 螺母副的分类
滚珠丝杠螺母副有多种结构类型。
1、按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式(图2)的较多，内循环回珠器则采用反向器实现滚珠循环(图3)。
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图2
图3
2、按螺纹滚道的截面形状分为单圆弧(图4a)和双圆弧(图4b)两种。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。
()()图4
3、按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母齿差预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。
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1.3 滚珠丝杠螺母副的优点及应用范围
1、滚珠丝杠螺母副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点： ①传动效率高，灵敏度高，传动平稳。 ②磨损小，寿命长。
③可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。
④有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
2、滚珠丝杠螺母副的精度等级及其应用范围如下表所示：
精度等级 代号 P B J C 名称 普通级 标准级 精密级 超精级 普通机床 一般数控机床 精密机床、普通数控机床、加工中心和仪表机床 精密机床、精密数控机床、高精度加工中心和仪表机床 应用范围
§2 滚珠丝杠螺母副的支承方式
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之外(通常都适当加大与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强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度)，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素，否则滚珠丝杠的寿命会大大下降。因此要注意轴承的选用和组合，尤其是轴向刚度要求较高时，为了提高支承的轴向刚度，选择合适的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。滚珠丝杠螺母副的支承方式通常有以下几种： 1、仅一端装推力轴承(固定—自由式) 如图5a所示，丝杠一端固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式承载能力小，轴向刚度低,只适用于行程小的短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。
2、一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承(固定—支承式) 如图5b所示，丝杠
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一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力，支承端轴承只承受径向力，这种支承方式可用于丝杠较长的情况。为了减少丝杠热变形的影响，推力轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。
3、两端装推力轴承(单推—单推式或双推—单推式) 如图5c所示，将推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高传动刚度。但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感。
4、两端装推力轴承及深沟球轴承（固定—固定式） 如图5d所示，丝杠两端均固定并且同时承受轴向力和径向力。为了使丝杠具有最大的刚度，它的两端采用了双重支承，即推力轴承加深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形转化为推力轴承的预紧力。
图5
近年来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到60度，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。
§3 滚珠丝杠螺母副的维修 3.1 常见故障及排除方法
滚珠丝杠副的常见故障及排除方法见下表：
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故障现象 滚珠丝杠副噪声 故障原因 排除方法 丝杠支承轴承的压盖压合调整轴承压盖，使其压紧轴承端情况不好 丝杠支承轴承可能破裂 电动机与丝杠联轴器松动 丝杠润滑不良 滚珠丝杠副滚珠有破损 面 更换新轴承 拧紧联轴器锁紧螺钉 改善润滑条件，使润滑油量充足 更换新滚珠 调整轴向间隙和预加载荷 调整丝杠支座位置，使丝杠与导轨平行 螺母轴线与导轨不平行 丝杠弯曲变形 调整螺母座的位置 调整丝杠 检查各丝杠副润滑，涂上润滑剂 滚珠丝杠运动不灵活 轴向预加载荷太大 丝杠与导轨不平行 滚珠丝杠润滑状况不良 缺少润滑剂
3.2 维修实例
某配套西门子公司生产的SINUMEDIK8MC数控装置的数控镗铣床，机床Z轴运行(方滑枕为Z轴)抖动，瞬间即出现123号报警，机床停止运行。
分析及处理过程：出现123号报警的原因是跟踪误差超出了机床数据TEN345/N346中所规定的值。导致此种现象有三个可能：①位置测量系统的检测器件与机械位移部分连接不良；②传动部分出现间隙；③位置闭环放大系数KV不匹配。通过详细检查和分析，初步断定是后两个原因，使方滑枕(Z轴)运行过程中产生负载扰动而造成位置闭环振荡。基于这个判断，我们首先修改了设定Z轴KV系数的机床数据TENl52，将原值S1333改成S800，即降低了放大系数，有助于位置闭环稳定：经试运行发现虽振动现象明显减弱，但未彻底消除。这说明机械传动出现间隙的可能性增大，可能是滑枕镶条松动、滚珠丝杠或螺母窜动。对机床各部位采用先易后难，先外后内逐一否定的方法，最后查出故障源：滚珠丝杠螺母背帽松动，使传动出现间隙，当Z轴运动时由于间隙造成的负载扰动导致位置闭环振荡而出现抖动现象。紧好松动的背帽，调整好间隙，并将机床数据TENl52恢复到原值后，故障消除。
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§4 滚珠丝杠螺母副的维护
1、支撑轴承的定期检查 应定期检查丝杠与床身的连接是否有松动以及支撑轴承是否损坏等。如有以上问题，要及时紧固松动部位并更换支撑轴承。 2、滚珠丝杠螺母副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油；润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。
3、滚珠丝杠螺母副的密封 通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的2～3倍，而且内孔做成螺纹形状，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螺母副的摩擦阻力矩。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，并留有一定的间隙。 4、滚珠丝杠螺母副的防护 滚珠丝杠螺母副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠螺母副在机床上外露，则应采用螺旋弹簧钢带、锥形套筒、伸缩套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的封闭防护罩，以防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撑座上。
§5 滚珠丝杠螺母副的改进
高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天航空、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。为了实现高速加工，首先要有高速数控机床。高速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。为了实现高速进给，国内外有关制造厂商不断采取措施，提高滚珠丝杠的高
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速性能。主要措施有：
1、适当加大丝杠的转速、导程和螺纹头数。目前常用大导程滚珠丝杠名义直径与导程的匹配为：40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等，其进给速度均可达到60m/min以上。为了提高滚珠丝杠的刚度和承载能力，大导程滚珠丝杠一般采用双头螺纹，以提高滚珠的有效承载圈数。
2、改进结构，提高滚珠运动的流畅性。改进滚珠循环反向装置，优化回珠槽的曲线参数，采用三维造型的导珠管和回珠器，真正做到沿着内螺纹的导程角方向将滚珠引进螺母体中，使滚珠运动的方向与滚道相切而不是相交。这样可把冲击损耗和噪声减至最小。
3、采用“空心强冷”技术。高速滚珠丝杠在运行时由于摩擦产生高温，造成丝杠的热变形，直接影响高速机床的加工精度。采用“空心强冷”技术，就是将恒温切削液通入空心丝杠的孔中，对滚珠丝杠进行强制冷却，保持滚珠副温度的恒定。这个措施是提高中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度的有效途径。 4、对于大行程的高速进给系统，可采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式。此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动，由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。
5、进一步提高滚珠丝杠的制造质量。通过采用上述种种措施后，可在一定程度上克服传统滚珠丝杠存在的一些问题。日本和瑞士在滚珠丝杠高速化方面一直处于国际领先地位，其最大快速移动速度可达60m/min，个别情况下甚至可达90m/min，加速度可达15m/s2。由于滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本较低，因此在中等载荷、进给速度要求并不十分高、行程范围不太大(小于4～5m)的一般高速加工中心和其他经济型高速数控机床上仍然经常被采用。
结论：本文只是浅析了滚珠丝杠螺母副的结构原理与分类，并就其安装、维修、
保养和改进展开一次大概性的讲述，而在实际工作中我们所遇到的问题会是多种多样的，这就需要我们平时多积累经验。至于滚珠丝杠螺母副的改进，随着科学技术的进步，相信在不久的将来，会有越来越多的适应高速加工的滚珠丝杠螺母副出现。
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参考文献：
[1]《数控机床结构原理与应用》 陈子银 陈为华 北京理工大学出版社 [2]《滚珠丝杠副的安装》
[3]http://maxiangqiang16888.blog.163.com/blog/static/3461842200701711376508/
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致谢：本论文是在邱文新老师的悉心指导下完成的，学生袁华成谨此向邱老师
表示崇高的敬意和衷心的感谢！
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