滾珠絲杠的發(fā)展趨勢

　　基于“Hertz 彈性接觸應力理論” 滾動體結構不斷變化創(chuàng)新, 以適應高載、高速、高順暢性要求。“滾動體” 從“滾珠” 到“滾柱”, 再從“一般滾柱” 發(fā)展為“球形短滾柱”、“特殊母線滾柱”、“行星式滾柱” 等新型滾動體, 由此派生出新產品。
　　
　　第一類為交叉滾柱絲杠副。試驗表明: 在相同外力作用下, 滾柱產生的接觸應約為滾珠的1/2, 最大彈性變形為滾珠的1/3, 其接觸剛度可提高3 倍。它與滾柱直線導軌副的區(qū)別在于, 受結構的限制其滾柱的長度較短并交叉排列。該產品已用于全電動注塑機、重載CNC 壓力機、龍門式加工中心等主機上。
　　
　　第二類為行星滾柱絲杠副。基于內部結構、運動機理和受力狀態(tài)的差異, 行星滾柱絲杠副具有以下特點: 高剛度、高承載能力, 比同規(guī)格滾珠絲杠副高出3 倍以上(最高超過10倍)。承受沖擊載荷的能力很強, 工作可靠, 使用壽命長。避開了返向裝置對Dn 值的制約,在導程很小的情況下實現高速驅動, Dn≥14 萬, 振動小、噪聲低。絲杠軸是小導程角的非圓弧螺紋, 有利于達到較高的導程精度, 可實現精密微進給。一體化的螺母組件很容易從絲杠軸分離, 滾動體及相關零件不會散落, 便于安裝維修。對惡劣環(huán)境(低溫、粉塵、化學沉積、無潤滑等) 的適應能力較強。目前能夠生產行星滾柱絲杠副的國外企業(yè)有: INA (德國)、SKF (瑞典)、LSI (美國)、Rollvis (瑞士)、Transrl (法國)、Vcs. SPA (意大利)等, 國內則尚處于研制和單件生產階段。根據這種產品的特點, 它主要被用于航空母艦、核潛艇、核電站、重型軍事裝備、冶金設備、重型數控機床等需要重載和高可靠性要求的場合。
　　
　　第三類為螺旋滾子往復式滾珠絲杠副。法國“Transrl” 公司生產了一種螺旋滾子往復式滾珠絲杠副“RHL”, 其直徑為21 ~46mm, 導程為5 ~6mm。瑞典的SKF 公司也生產了同類產品, 其精度可達單個導程誤差為±3μm, 累積導程誤差為±10μm/300mm。其結構分標準型、預緊型和微動型三類。所具有的共同特點是承載能力比同尺寸的滾珠絲杠副傳動高出2~5 倍, 靜載能力提高1. 4 ~1. 8 倍, 傳動效率可達93%, 雙螺母預緊時可提高定位精度和系統(tǒng)剛度。作為微動結構, 可獲得極小的進給速度。更為獨特的是運動不可逆轉, 不必加防逆裝置。
　　
　　第四類為“滾珠蝸條” 新產品。日本NSK 公司研制的“滾珠蝸條” 新產品, 其工作原理與滾珠絲杠傳動類似。蝸條可視為半塊滾珠螺母, 把許多塊蝸條連接排列在床身上面或工作臺下面固定起來, 蝸桿分成兩節(jié)套在軸上, 各節(jié)備有一條可循環(huán)的滾珠鏈。滾珠從蝸桿內設置的通道中返回, 兩節(jié)蝸桿之間用調整墊片預緊, 另用半邊鋼瓦覆蓋在蝸桿上, 隨蝸桿移動使?jié)L珠始終不能脫離蝸桿。其特點是, 蝸桿長度短, 而蝸條不受限制, 這就代替了使用10m 以上長度的大型絲杠傳動, 不但解決了工藝制作難、成本高的問題, 而且還避免了剛度下降、慣性力矩增大的問題。
　　
　　2. 高性能產品
　　
　　要提高機床的生產效率, 就要提高機床的速度。在日本, 機床的進給速度每年都在刷新, 明顯呈高速化趨勢。為了滿足高速的要求, 一般可選用大導程滾珠絲杠副, 但會引起負荷能力不足、剛度不足的問題。NSK 所開發(fā)的BSS 系列高速滾珠絲杠副, 具有低噪聲、低振動特征。由于采用新的循環(huán)方式, 其Dn 值可達到22 萬, 比現有的產品提高1 倍。而且噪聲可降低5 ~7dB。另外, 由于不帶鋼球循環(huán)管, 與現有同類產品相比, 螺母的外徑可以減小15% ~30%。根據需要, 還可加上高防塵密封蓋及免維護的自動潤滑元件, 并有中導程和大導程許多規(guī)格, 其產品得到了日本許多大型機床廠家的好評。為了保持滾珠絲杠副在國際市場上的競爭力, 產品必須具有質量高、成本低、品種新的特點。把單圈內循環(huán)滾珠絲杠副的扁圓形反向器革新為圓弧形浮動式結構, 其特點是反向器工作時可自動調位, 摩擦力矩比原固定式結構小2/3, 且滾珠流暢性好, 加工和裝配工藝得到改善。這種新型結構已研制成功, 并形成了NFN、FNC 系列投入生產, 效果良好, 目前正在推廣應用。
　　
　　3. 超規(guī)格產品
　　
　　滾珠絲杠副傳動的產品規(guī)模向著微型和大型兩個方面不斷發(fā)展。如日本NSK 公司生產了一種MBS 系列的微型滾珠絲杠副, 其直徑為4 ~ 14mm, 導程為1 ~ 3mm, 長度為100 ~160mm 五種規(guī)格。主要用于精密測量儀器、小型機床、電子計算機的打印、光學器械、半導體加工機械等設備上作進給傳動。大型滾珠絲杠副主要用于重型機床、煉鋼煉鐵、起重機械、雷達天線定位器和原子能反應堆等設備上。如英國COVENTRY 精密量具公司制造的大型滾珠絲杠副直徑為203mm, 長度為18. 3m, 用于煉鋼設備上, 可承受動載荷1 000kN、靜載荷2 000kN; 日本NSK 公司生產的BS 系列精密滾珠絲杠副, 直徑為140mm, 導程為32mm, 長度為15m, 用于大型機床等大型設備上。目前該公司已制造出直徑為300mm, 長度為16m, 自重只有9. 5t 的特大型滾珠絲杠副。美國的WARNER—BEAVER 公司生產的插管式外循環(huán)滾珠絲杠副, 直徑達127mm, 長度為12. 5m, 用于數控機床、雷達天線定位器。
　　
　　4. 冷軋型產品
　　
　　普通型滾珠絲杠副主要是利用低摩擦和磨損小的特點, 對精度要求并不高, 甚至不作要求。絲杠采用冷軋滾壓加工出螺旋槽, 無需再磨削, 材料為15CrMo、20CrMo、50CrMo、25CrMoAlA 等, 滲碳淬火后硬度可達55HRC 以上, 再進行磷酸鹽薄膜處理以防銹。冷軋滾珠絲杠副尺寸固定, 生產率高, 價格低廉, 并能保持機械效率高、耐磨性好的特點, 因而得到普及和推廣。如美國生產了用于工程機械的冷軋滾珠絲杠副, 日本生產了14 ~15mm 共七種規(guī)格的系列化標準R 型冷軋滾珠絲杠副。冷軋滾珠絲杠副的特點是, 可沿整個絲杠軋出螺旋槽, 根據機械裝配要求, 用戶可自由加工軸端尺寸, 因此用途甚廣, 如醫(yī)院病床、手術臺、千斤頂、小型起重機、閥門開關等均可采用。國內普通型滾珠絲杠副的開發(fā), 對冷軋滾珠絲杠副做了大量工作, 取得了相當大的進展, 目前已能生產冷軋型滾珠絲杠副, 填補了國內在滾珠絲杠副產品方面的空白, 主要用于普通機床。
　　
　　5. 特殊型產品
　　
　　為了滿足高溫、低溫、無潤滑、水下或露天等特殊工作環(huán)境要求, 又開發(fā)了“特殊型”滾珠絲杠副。目前主要用于航空和核工業(yè)。美國用于飛機上的特殊滾珠絲杠副占全部用量的30%以上, 主要供飛機襟翼和尾翼操縱系統(tǒng)、噴氣發(fā)動機推力向開關和燃燒室噴嘴位置的調整裝置。英國生產的特殊型內循環(huán)滾珠絲杠副, 用于飛機起落架操縱機構、直升飛機等。滾珠絲杠副傳動用于核反應堆控制棒的驅動裝置, 可防止反應堆發(fā)生危險。國內在特殊型滾珠絲杠副方面, 則研制了空心絲杠和沉淀硬化鋼滾珠絲杠副, 用于航空航天工業(yè)、核工程等,發(fā)展較快, 潛力很大。
　　
　　目前電動式注塑機已占到注塑機總量75%。電動式對于液壓式的比率在逐年增加, 電動式注塑機最大已做到了1 000t。注塑和合模部分要求很高的負荷承受能力, 特別是注塑部分的滾珠絲杠, 需把粘度較高的塑性材料以高速射出, 并加以保持, 以20 ~150mm 的行程,以100 ~250mm/ s 比較慢的速度, 在高負荷的狀態(tài)下反復運動。對于注塑部分的滾珠絲杠副, 要求能在小行程下運動并具有良好的承受高負荷能力的主要特征。為滿足電動式注塑機的高負荷要求, NSK 公司開發(fā)了處于世界領先水平的注塑機專用絲杠———HTF 系列滾珠絲杠, 目前在日本的電動式注塑機的市場占有率達80%。
　　
　　高性能數控機床離不開高性能滾動功能部件, 作為數控機床關鍵功能部件的滾動功能部件在精度保持性和性能可靠性方面問題非常突出, 急需進行技術攻關來解決。目前國內滾動功能部件高端產品市場大部分由國外廠家或外資企業(yè)所占領, 嚴重影響到我國高端數控裝備的自主研發(fā)與國產化, 因此, 從精度保持性和性能可靠性入手, 提高滾動功能部件的性能和質量已成為國產滾動功能部件生產企業(yè)的當務之急, 直接影響到我國機床行業(yè)和裝備制造業(yè)的發(fā)展。
　　
　　滾動功能部件主要分為三類: 精密滾動功能部件、高速滾動功能部件、重載滾動功能部件。對于精密滾動功能部件, 可靠性試驗以精度指標檢驗為主, 并分析影響精度因素, 其可靠性評估以精度保持性為指標進行評估; 對于高速滾動功能部件, 可靠性試驗以性能指標檢驗為主, 并分析影響產品性能因素, 其可靠性評估以性能可靠性進行評估; 對于重載滾動功能部件, 可靠性試驗以壽命指標檢驗為主, 并分析影響壽命因素, 其可靠性以疲勞壽命進行評估。相對于精度和性能, 壽命則是滾動功能部件產品最主要指標, 壽命終止則代表產品完全失效。
　　
　　國外企業(yè)和外資企業(yè)在滾動功能部件精度保持性和性能可靠性方面技術領先, 開發(fā)了一些相關的試驗與檢測設備, 但一般僅限于作為本企業(yè)內部使用。國內滾動功能部件生產企業(yè)規(guī)模小, 在滾動功能部件精度保持性和可靠性技術方面大多基于經驗模式, 雖然近幾年開展了相關的可靠性試驗方法與評估方法的研究, 但積淀還不夠, 還需加大力氣, 真正建立起滾動功能部件可靠性試驗體系與試驗規(guī)范。
　　
　　針對目前國產滾動功能部件在精度保持性和性能可靠性方面難以滿足高端數控機床產品要求的這一現狀, 必須對滾動功能部件精度保持性和性能可靠性進行系統(tǒng)研究, 尤其應該注重可靠性試驗研究, 爭取在國內滾動功能部件生產企業(yè)建立完善可靠性研究體系, 提高滾動功能部件使用性能, 進而提高其在高端產品市場的競爭力。
　　
　　滾動功能部件可靠性研究是一個系統(tǒng)工程, 主要圍繞滾動功能部件精度保持性和性能可靠性, 從可靠性設計、可靠性分析、可靠性試驗、可靠性評估和可靠性增長等方面進行方法與技術研究, 還包括相關試驗與檢測設備開發(fā)等。

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