如何保持滚珠丝杆的精度

滚珠丝杆通常用于需要精密定位的场合。高的机械效率、低的传动扭矩和轴向游隙几乎为零, 使得滚珠丝杆成为刀具定位和飞机副翼驱动这类应用中的重要装置。然而, 阻力和由连续工作产生的热量可能引起很大的摩擦力和定位误差。

在滚珠丝杆里增加摩擦的设计因素也增加扭矩, 并且反过来影响定位精度。滚珠被压紧在滚珠丝杆螺母和丝杆轴之间时, 产生的楔效应是一个潜在的摩擦源。在正转的时候, 滚珠通常对着螺母挤压; 反转时,滚珠对着丝杆轴挤压。由于滑动摩擦系数比滚动摩擦系数大得多( 没动0.1～0.3;滚动0.001～0.003) ,楔效应大大增加了扭矩。

当滚珠丝杆轴在固定的角度内振动时, 挤压引起的扭矩特别麻烦。这种运动会引起振动扭矩, 既使用极精密的零件也很难完全消除。然而, 通过采用歌德式拱形而不采用圆弧形的滚珠沟槽或通过降低滚珠丝杆的刚度, 可以把这种扭矩减到最小量。歌德式拱形具有较深的流通性较好的V 形截面。

当两个滚珠丝杠螺母一起使用时, 通常用垫片隔开, 预紧力由垫片厚度确定。通过用蝶形弹簧代替实心垫片, 可以减小滚珠丝杆的扭矩, 这种弹簧允许有轴向变形从而减少了挤压。另一个主要的阻力源, 即相邻滚珠间的摩擦力, 可以通过拿掉几个滚珠或用隔离滚珠( 即有间隙的滚珠) 代替其中某些滚珠的方法来减少。采用这些方法, 摩擦产生的扭矩最多可减少30%。在降低滚珠及其滚道之间的摩擦力方面,同样的方法也是有效的。

为了最大限度地减少摩擦力, 隔离滚珠和承载滚珠应该相互交替。但是, 某些负载和刚度要求可能需要每三个承载滚珠用一个隔离滚珠。直径比承载滚珠稍小的隔离滚珠起惰轮的作用, 他们沿和承载滚珠相反的方向旋转, 并且减少接触摩擦。采用隔离滚珠或减少承载滚珠数目的一个不利的后果是降低了滚珠丝杆的承载能力, 这必须通过减少工作负载或增大滚珠丝杆尺寸来补偿。

润滑引起的阻力也会增大摩擦扭矩, 尤其是在高速时, 大多数滚珠丝杆是在远低于5 米/ 分的速度下使用。然而, 现代机床要求的速度大于10 米/ 分, 有些系统应用的速度高达30 米/ 分。产生最小阻力的润滑剂类型由滚珠丝杆轴向旋转速度确定。一般说来, 转速在500转/ 分以下或移动速度为3 米/ 分时, 用油脂润滑最好。在这种较低的速度下主要是边界润滑。转速超过500转/ 分, 主要是油体薄膜润滑, 油是最好的润滑剂。

热膨胀引起的定位精度降低不仅是由滚珠运动的摩擦热造成的, 而且也是由诸如液压流体、电动机、齿轮箱之类因素的机械运转热所造成的。如果在导轨或床身上产生了变形, 即使能够防止滚珠丝杆的温升, 也不可能获得高的精度。在分析精度的时候, 来自所有这样的热源的热都必须加以考虑。

在计算由滚珠丝杆本身产生的热量时, 高的工作负载是一个最大的潜在原因。通常, 工作负载大约是滚珠丝杆顶紧力的3 倍。更大的负载必须通过增大所用的滚珠丝杆装置的尺寸或通过更大的润滑剂冷却能力来补偿。补偿热膨胀的一种方法是对滚珠丝杆施加一种预紧力。这是通过把丝杆轴加工成负公差尺寸来实现的。用这种方法使螺矩稍微缩短, 在装配时使滚珠丝杠螺母受到压缩。在工作温度下丝杆膨胀装置就正常工作。

在温度极高的情况下, 可将单独的冷却系统装进滚珠丝杆, 将空气或油雾喷在丝杆轴上。通常, 空气冷却更为有效, 并且不会象那样损耗。冷却也可以通过使压力水通过空心轴滚珠丝杆的方法来进行,采用这样的系统, 滚珠丝杆的温度几乎不会升高。

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