滾珠絲杠支承端的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計*＊

尚 苗 何新林 孫永濤 焦 林

(①西京學院，陜西西安710123;②中航工業(yè)西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，陜西西安710089;③山東永華機械有限公司，山東兗州272100)

滾珠絲杠副傳動是現(xiàn)代數(shù)控機床中最常見的直線坐標軸傳動形式，滾珠絲杠副由于具有傳動效率高，靈敏度高，傳動平穩(wěn)，磨損小，壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于各類中小數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)。滾珠絲杠傳動的精度和可靠性，一方面取決于滾珠絲杠副本身的精度和質(zhì)量，同時與其軸向固定支承端的安裝方式和機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣有直接的關(guān)系。滾珠絲杠軸端機械結(jié)構(gòu)如果設(shè)計不合理，會直接影響滾珠絲杠的傳動精度和性能，也會對軸向固定支承端的軸承壽命帶來極大的影響，嚴重時會造成軸承損壞，進一步影響數(shù)控機床的正常工作。

1 問題提出

在數(shù)控機床的裝配調(diào)試和產(chǎn)品使用過程中，發(fā)現(xiàn)部分數(shù)控機床的滾珠絲杠支承端發(fā)熱明顯，經(jīng)測試個別機床的滾珠絲杠支承端軸承座表面溫度達到45℃以上，造成該軸坐標的定位精度不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)極個別絲杠支承軸承損壞的現(xiàn)象。為了提高數(shù)控機床的整體質(zhì)量和可靠性，防止此類現(xiàn)象重復出現(xiàn)，在排除滾珠絲杠副和滾動軸承本身的質(zhì)量問題后，我們對滾珠絲杠支承端原來的機械結(jié)構(gòu)進行了分析，提出了改進和優(yōu)化措施。

2 原因分析

2.1 熱變形影響

滾珠絲杠高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱伸長變形，使?jié)L珠絲杠軸向固定端軸承持續(xù)受不穩(wěn)定的外力作用，導致絲杠定位精度的不穩(wěn)定。

滾珠絲杠熱伸長變形量△L的計算公式如下:

式中:ρ為熱膨脹系數(shù);θ為絲杠的平均溫升;L為絲杠的總長。

根據(jù)滾珠絲杠最常用材質(zhì)(GCr15)的熱膨脹系數(shù)，可理論計算得出1 000 mm長的絲杠，溫度每升高1℃，就會產(chǎn)生12 μm的伸長量。

通過ANSYS有限元分析(圖1)，對于長度2 480 mm的絲杠，在溫升5℃的情況下，總的熱伸長量為0.15 mm(圖2)，也與上述計算結(jié)果相吻合。

2.2 原軸端結(jié)構(gòu)分析

圖3為某數(shù)控機床絲杠原軸端結(jié)構(gòu)，絲杠前端、尾端油封8與隔套6和隔套10為接觸式的旋轉(zhuǎn)密封，相互間的摩擦會產(chǎn)生熱量，同時對絲杠專用軸承7高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量外散起到阻擋的作用，導致溫升的增加，增大絲杠的熱伸長量。

滾珠絲杠在安裝過程中，如果預拉伸力不足，絲杠在高速旋轉(zhuǎn)中發(fā)熱，隨溫度變化而產(chǎn)生的熱伸長量在該結(jié)構(gòu)中無法消除，絲杠的熱伸長導致支承端軸承持續(xù)受大小不穩(wěn)定的變載荷力作用，加速軸承老化，影響軸承使用壽命。

以上結(jié)構(gòu)還存在裝配的難點就是隔套9的配磨問題，需要多次的配磨才能滿足裝配要求，增加裝配難度降低裝配效率。

3 改進設(shè)計

3.1 新結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對以上問題，我們對滾珠絲杠支承端結(jié)構(gòu)形式做了改進設(shè)計，改進后新結(jié)構(gòu)如圖4所示。

以NSK絲杠專用軸承TAC B系列球軸承(接觸角α=60°)為例，4列組合(DBB或DFF)C9預緊狀態(tài)下，預緊力為7 040 N，C10預緊狀態(tài)下，預緊力為13 200 N，我們在選擇碟形彈簧6時，根據(jù)碟形彈簧疊合曲線圖(圖5)選擇合理的預緊，碟形彈簧的預緊力(包含由于絲杠熱伸長時對碟形彈簧的預壓)選擇為絲杠專用軸承C9和C10預緊狀態(tài)之間，即碟形彈簧的總預緊力為7 040～13 200 N之間。根據(jù)所要產(chǎn)生的總預緊力載荷，由表1即可確定碟形彈簧的尺寸L及其應產(chǎn)生的變形量S。

表1 碟形彈簧變形量與載荷(疊合)關(guān)系表

如圖6所示，當絲杠由于熱變形伸長量為△L時，上端碟形彈簧壓縮△L，絲杠產(chǎn)生向尾端微量位移，尾端碟形彈簧伸長△L，整個過程，絲杠專用軸承始終保持在較恒定力的預緊狀態(tài)下，使軸承的使用壽命相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較大程度的提高。

3.2 新結(jié)構(gòu)優(yōu)點

(1)對絲杠熱伸長量做到完全吸收，使絲杠軸承始終保持在恒定力的預緊狀態(tài)。

(2)前、后隔套與軸承座之間存在0.5 mm間隙，不會由于自身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生熱量，也不會對軸承旋轉(zhuǎn)熱量的外散產(chǎn)生阻礙。

(3)該結(jié)構(gòu)前隔套加工可直接一次加工到位，取消該隔套裝配時的配磨環(huán)節(jié)，可通過碟形彈簧變形來吸收不等高量。

(4)絲杠軸承的使用壽命較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有大幅提升，同時，改進后數(shù)控機床定位精度的穩(wěn)定性較原有結(jié)構(gòu)有大幅提高。

4 驗證

按照改進后新結(jié)構(gòu)完成裝配的某數(shù)控機床，在機床運行了300 h后，我們對其X軸、Y軸進行了實際精度測量。測量數(shù)據(jù)如圖7所示。從實際測量結(jié)果看，改進后的新結(jié)構(gòu)其坐標定位精度高，精度穩(wěn)定且保持性好，而且，沒有發(fā)生軸承過熱及軸承損壞現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過對滾珠絲杠支承端軸承易損壞的現(xiàn)象總結(jié)分析，找出了造成滾珠絲杠定位精度不穩(wěn)定、個別軸承損壞的主要原因，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計改進方案及改進措施，并成功應用于數(shù)控機床的絲杠傳動中，提高了滾珠絲杠傳動的可靠性，提高的數(shù)控機床的整體產(chǎn)品質(zhì)量，對同類產(chǎn)品的設(shè)計起到借鑒作用。