小直徑、大導(dǎo)程新型滾珠絲杠副的研究

■ 大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司 （遼寧 116036） 侯 賀

1. 滾珠絲杠副生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

自1964年我國(guó)自主研發(fā)第一套滾珠絲杠副以來，隨著產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，以及制造技術(shù)和水平的不斷發(fā)展和提高，其功能隨著主機(jī)產(chǎn)品的不斷發(fā)展、提高，已從最初的“敏捷省能傳動(dòng)”到“精密定位”，再?gòu)摹按髮?dǎo)程快速驅(qū)動(dòng)”到“精密高速驅(qū)動(dòng)”。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，“速度”與“精密”已成為數(shù)控產(chǎn)品先進(jìn)性的一個(gè)重要指標(biāo)。高速精密滾珠絲杠副和直線電動(dòng)機(jī)成為能夠滿足上述兩大指標(biāo)的核心功能部件。高速、大導(dǎo)程、靜音、耐用成為國(guó)內(nèi)外滾珠絲杠副產(chǎn)業(yè)的熱門發(fā)展方向。日本NSK公司、THK公司，德國(guó)Rexroth公司及中國(guó)臺(tái)灣HIWIN公司的產(chǎn)品在高速、靜音等方面處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)的關(guān)鍵功能部件在“速度”和“精密”上與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大差距。

近年來，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備及電子機(jī)械行業(yè)迅速發(fā)展，一些小型精密測(cè)試裝置、小型機(jī)器人、繞線機(jī)、電子行業(yè)的注膠機(jī)以及小型桁架結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。小型機(jī)械多數(shù)要求線速度較高，運(yùn)行平穩(wěn)，定位精度高。

滾珠絲杠副具有優(yōu)良的滾動(dòng)摩擦特性和高的傳動(dòng)效率（η=90%～95%），傳動(dòng)敏捷、靈活。提速共有三種途徑：①加大導(dǎo)程Pn。就是人們常說的大導(dǎo)程滾珠絲杠副。由于Pn增大，導(dǎo)程精度容易降低，所以加大Pn要適當(dāng)。②提高轉(zhuǎn)速n，或增加螺紋頭數(shù)，但受臨界速度的制約，過高的轉(zhuǎn)速也是很難實(shí)現(xiàn)的。③從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上革新，絲杠空心化、螺母小徑化以及滾珠輕量化等。綜合以上三點(diǎn)，我們研發(fā)了一種直徑小、大導(dǎo)程的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)，以滿足高速驅(qū)動(dòng)的要求。

2. 結(jié)構(gòu)與原理

這種小直徑、大導(dǎo)程的滾珠絲杠副節(jié)圓直徑DPW=15.7mm，導(dǎo)程Pn=20mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作原理：滾珠絲杠作為主體運(yùn)動(dòng)，螺母就會(huì)隨絲杠按照對(duì)應(yīng)的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)部件通過螺母座與螺母聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)。滾珠在螺母內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)，循環(huán)方式有循環(huán)導(dǎo)管式、循環(huán)器式和端蓋式三種。該結(jié)構(gòu)選用端蓋式，即鋼球利用兩端端蓋中的反向器，從絲杠軸的螺旋槽中被掬取到螺母的通孔中，通過通孔又通過反向器回到螺旋槽中，做無線循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

3. 工藝分析

這種小直徑大導(dǎo)程滾珠絲杠副的研發(fā)，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，現(xiàn)對(duì)絲杠和螺母的加工工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。絲杠的加工與以往絲杠的加工方法無顯著區(qū)別，只是在磨削螺旋槽時(shí)，調(diào)整磨頭的角度以滿足螺旋升角的要求。然而小直徑大導(dǎo)程螺母在加工過程中卻遇到了難題。一般螺母螺旋槽的加工選用內(nèi)螺紋磨床，將磨頭轉(zhuǎn)一個(gè)螺旋角度，完成螺旋槽的磨削。磨削時(shí)磨頭與軸線的夾角與螺旋角相等，該小直徑大導(dǎo)程螺母的螺旋角為17°，因?yàn)榻嵌却蠖鴥?nèi)徑小，導(dǎo)致加工時(shí)磨桿與螺母內(nèi)徑發(fā)生干涉，如圖2所示。

圖 1

圖 2

為了完成這種小直徑大導(dǎo)程螺母內(nèi)側(cè)螺旋溝槽的加工，解決磨桿與螺母干涉問題，打破常態(tài)設(shè)計(jì)了新型磨桿，將磨桿由直變彎，使用鋼絲軟軸解決這一難題。新型彎磨桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。由聯(lián)軸器1聯(lián)接電動(dòng)機(jī)主軸與心軸，將動(dòng)力傳遞給心軸，再通過聯(lián)軸器7將心軸與鋼絲軟軸8聯(lián)接，將動(dòng)力傳遞給軸承端蓋，再傳遞給壓蓋，將砂輪壓緊。將砂輪用金剛石滾輪修整器修成R1.389mm圓弧，即可完成螺旋槽的加工，進(jìn)而完成螺母的加工。

圖 3

4. 結(jié)語

該產(chǎn)品主要適用于一些小型精密測(cè)試裝置、小型機(jī)器人、繞線機(jī)、電子行業(yè)的注膠機(jī)以及小型桁架結(jié)構(gòu)等。以本文設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，現(xiàn)樣件生產(chǎn)已完成，經(jīng)性能測(cè)試及樣件檢測(cè)，滿足行業(yè)用戶的各項(xiàng)要求，預(yù)計(jì)在2018年北京國(guó)際機(jī)床展展出，為提高市場(chǎng)占有率，該產(chǎn)品正在規(guī)劃大批量生產(chǎn)。

[1] 王文斌. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 楊叔子，李斌，張福潤(rùn). 機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.