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制约我国机床发展的关键部件之一“滚珠丝杠”,你了解么

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发表于 2018-9-19 20:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
中国作为世界上最大的机床消费国,制造业已经发展成为一个支柱产业。由于汽车工业的发展,对机床的速度和效率都提出了新的更高的要求。据了解,目前中国机床的数控化率发展很快。
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日本机床的数控化率从开始的40%提高到目前90%的水平,大约花了15年的时间,从中国现在发展的速度来看,如要达到目前日本的水平,估计不需要花费这么多的时间,提高数控机床功能零部件的性能和质量已经成为中国机床工业发展的当务之急。
为实现其高性能,中国生产的机床在驱动上使用高精度滚珠丝杠的比率有了很大的提高。目前机床采用的滚珠丝杠,有价格较低的国产的,也有精度较高的日本和欧洲等进口产品。使用进口产品往往是在那些对加工速度、精度、寿命及稳定性方面有较高要求的机床。
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随着机床速度的提高,导轨的使用也由滑动向滚动转化。在中国,由于机床速度较低及制造成本上的原因,滑动导轨的使用还占大多数,但使用滚珠导轨和滚柱导轨的机床数量在急速上升。由于滚动导轨具有高速、长寿命、可加预压、安装方便等方面的优点,随着对机床性能及数控化要求的提高,滚动导轨使用比率的提高是必然的趋势。
一、简介

滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展,这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
滚珠丝杠主要参数为:公称直径与导程。
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二、原理

1.按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例,滚珠丝杠(已基本取代梯形丝杆,俗称丝杆)是用来将旋转运动转化为直线运动;或将直线运动转化为旋转运动的执行元件,并具有传动效率高,定位准确等。
2.当滚珠丝杠作为主动体时,螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动,被动工件可以通过螺母座和螺母连接,从而实现对应的直线运动。
滚珠丝杠轴承为适应各种用途,提供了标准化种类繁多的产品。广泛应用于机床,滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压(双螺母方式、位预压方式)、定压预压。可根据用途选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠(精度分为从CO-C7的6个等级)和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承(精度分为从C7-C10的3个等级)。
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三、用途

超高DN值滚珠丝杠:高速工具机,高速综合加工中心机
端盖式滚珠丝杠:快速搬运系统,一般产业机械,自动化机械
高速化滚珠丝杠:CNC机械、精密工具机、产业机械、电子机械、高速化机械
精密研磨级滚珠丝杠:CNC机械,精密工具机,产业机械,电子机械,输送机械,航天工业,其它天线使用的致动器、阀门开关装置等
螺帽旋转式(R1)系列滚珠丝杠:半导体机械、产业用机器人、木工机、雷射加工机、搬送装置等
轧制级滚珠丝杠:低摩擦、运转顺畅的优点,同时供货迅速且价格低廉
重负荷滚珠丝杠:全电式射出成形机、冲压机、半导体制造装置、重负荷制动器、产业机械、锻压机械
四、类型

常用的循环方式有两种:外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环;始终与丝杠保持接触的称为内循环。
1) 外循环:
外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。
常用外循环方式端盖式、插管式、螺旋槽式。
端盖式,在螺母上加工一纵向孔,作为滚珠的回程通道,螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口,滚珠由此进入回程管,形成循环。
插管式,它用弯管作为返回管道,这种结构工艺性好,但是由于管道突出螺母体外,径向尺寸较大。
螺旋槽式,它是在螺母外圆上铣出螺旋槽,槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切,形成返回通道,这种结构比插管式结构径向尺寸小,但制造较复杂。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单,使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑,影响滚珠滚道的平稳性。
2) 内循环:内循环均采用反向器实现滚珠循环,反向器有两种类型。
圆柱凸键反向器,它的圆柱部分嵌入螺母内,端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位,以保证对准螺纹滚道方向。
扁圆镶块反向器,反向器为一般圆头平键镶块,镶块嵌入螺母的切槽中,其端部开有反向槽,用镶块的外轮廓定位。
两种反向器比较,后者尺寸较小,从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。
种类选择
滚珠丝杠的螺母,根据钢球的循环方式可分为:弯管式、循环器式、端盖式。这三种循环方式的特长。
弯管式
SBN、BNF、BNT、BNFN、BIF 和 BTK型)这些型号,搜索的到。
循环式导片式(HBN型)
这些型号是最典型的螺母,通过使用弯管让钢球经行循环。钢球从丝杆轴的沟槽中掬取进入弯管后,再回到沟槽中,做无限循环运动。
循环器式(DK、DKN、DIK、JPF 和 DIR型)
这些型号是最小型的螺母,通过循环器改变钢球的行进方向,越过丝杆轴外径回到原位,做无限循环运动。
端盖式
(SBK、SDA、SBKH、WHF、BLK、WGF、BLW、WTF、CNF 和 BLR型)
这些型号是最合适高速给进的螺母。钢球利用端盖,从丝杆轴的沟槽中被掬取到螺母的通孔里,通过通孔又回到沟槽中,做无限循环运动。
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五、特点

1、摩擦损失小、传动效率高
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滑动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。
2、精度高
滚珠丝杠副是一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的,特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3、高速进给和微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4、轴向刚度高
滚珠丝杠副可以加与预压,由于预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。
5、不能自锁、具有传动的可逆性
六、滚珠丝杠的保护

滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、90~180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内,而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。
滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件,只要避免磨料微粒及化学活性物质进入,就可以认为这些元件几乎是不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入脏物,或使用肮脏的润滑油,不仅会妨碍滚珠的正常运转,而且使磨损急剧增加。
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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,而且内孔做成螺纹的形状,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。
对于暴露在外面的丝杠,一般采用螺旋刚带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩,以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。除与导轨的防护罩相似外,这几种防护罩一端连接在滚珠螺母的端面,另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。这样就可以更加的牢固了。
七、螺纹的主要参数

1)外径d(大径)(D)——与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径——亦称公称直径
2)内径(小径)d1(D1)——与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径,在强度计算中作危险剖面的计算直径
3)中径d2——在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径,近似等于螺纹的平均直径 d2≈0.5(d+d1)
4)螺距P——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离
5)导程(S)——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离
6)线数n——螺纹螺旋线数目,一般为便于制造n≤4螺距、导程、线数之间关系:S=nP
7)螺旋升角ψ——在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。
8)牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角9)牙型斜角β——螺纹牙型的侧边与螺 纹轴线的垂直平面的夹角。
对称牙型各种螺纹(除矩形螺纹)的主要几何尺寸可查阅有关标准——公称尺寸为螺纹外径对管螺纹近似等于管子的内径。
滚珠丝杠的选型过程中对滚珠丝杠本身需要注意的主要参数如下:
1、公称直径
即丝杠的外径,常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120,不过请注意,这些规格中,各厂家一般只备16~50的货,也就是说,其他直径大部分都是期货(见单生产,货期大约在30~60天之间,日系产品大约是2~2.5个月,欧美产品大约是3~4个月)。
公称直径和负载基本成正比,直径越大的负载越大,具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念:动额定负荷与静额定负荷,前者指运动状态下的额定轴向负载,后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是,额定负荷并非最大负荷,实际负荷与额定负荷的比值越小,丝杠的理论寿命越高。推荐:直径尽量选16~63。
2、导程
也称螺距,即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离,常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40,中小导程现货产品一般只有5、10,大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040(4位数前两位指直径,后两位指导程),其他规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关,在输入转速一定的情况下,导程越大速度越快。推荐:导程尽量选5和10。
3、长度
长度有两个概念,一个是全长,另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长,但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分,一个是螺纹全长,一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度,后者是指螺母直线移动的理论最大长度,螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量(如果需要安装防护罩,还要考虑防护罩压缩后的长度,一般按防护罩最大长度的1/8计算)。
在设计绘图时,丝杠的全长大致可以按照一下参数累加:丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度(轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量)+动力输入连接长度(如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量)。特别需要注意的是,如果你的长度超长(大于3米)或长径比很大(大于70),最好事先咨询厂家销售人员可否生产,总体的情况是,国内厂家常规品最大长度3米,特殊品16米,国外厂家常规品6米,特殊品22米。当然不是说国内厂家就不能生产更长的,只是定制品的价格比较离谱。推荐:长度尽量选6米以下,超过的用齿轮齿条更划算了。
4、螺母形式
各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式,一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母(注意,单螺母和双螺母没有负载和刚性差异,这一点不要听从厂家销售人员的演说,单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能,另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍)。在安装尺寸和性能允许的情况下,设计者在选用时应尽量选择常规形式,以避免维护时备件的货期问题。推荐:频繁动作、高精度维持场合选双螺母,其他场合选双且边单螺母。推荐:螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。
5、精度
滚珠丝杠按GB分类有P类和T类,即传动类和定位类,精度等级有1、2、3、4.....几种,国外产品一般不分传动还是定位,一律以C0~C10或具体数值表示,一般来说,通用机械或普通数控机械选C7(任意300行程内定位误差±0.05)或以下,高精度数控机械选C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下,光学或检测机械选C3以上。
特别需要注意的是,精度和价格关联性很大,并且,精度的概念是组合和维持,也就是说,螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差,出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度。这是个可靠性的问题,与生产商的生产工艺有关。推荐:精度尽量选C7。
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以上说的都是主要参数,在选用型号时还得用到以下参数:珠卷数,珠径,制造方式代码,预压等级等。分别说明如下:
6、珠卷数
这个参数一般标注在型号的导程后,如4010-4,这个“-4”就是珠卷数,因为有循环方式的问题说起来比较复杂,用户可以简单的理解为滚动体的循环圈数,“-4”就是4个循环,这个数值越大表示负载越大螺母长度越长。
7、珠径
这个参数是指滚动体的直径,型号中不会体现,但是在各厂家的技术参数表中会标识,一般与公称直径和导程相关,用户不必理会。但是有些用户因使用不当导致滚珠掉出螺母外需要重装滚珠时这个参数是要注意的,尺寸一般精确到0.001,当然,不推荐用户自行安装,否则厂家不会提供无偿维护,即使产品仍在保修期内。如有滚珠意外掉落的情况,应通知供应商协助安装。
8、制造方式代码
滚珠丝杠的制造方式主要是两种:轧制和磨制,前者也称滚轧制造或转造,一般用F表示。后者也称研磨制造。
一般用G表示。因工艺的不同,两者能达到的精度等级不同,目前,轧制方式能达到的最高精度是C5级,我所知的只有REXROTH可以达到这个精度。而磨制可以成产出更高精度的产品。不过请注意,两种制造方式与精度、性能没有逆向必然性,也就是说如果你选用的精度是C7,那么与它是怎么制造出来的无关。
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事实上我碰到许多厂家的专业销售人员都未必知道两者之间的详细区别,所以多说几句:轧制属于批量制造,磨制属于精确制造,前者的生产效率远远高于后者,但是前者的制造设备成本也远远高于后者。换句话说,磨制丝杠的进入门槛较低,轧制生产的进入门槛较高,能生产轧制丝杠的厂家一般也能生产磨制丝杠,而能生产磨制丝杠的厂家不一定能生产轧制丝杠。所以,同精度产品如果该可以买到轧制品就不要买磨制品,原因很简单:便宜。另外说明一点,轧制和磨制仅指螺杆,螺母全是磨削制造。
9、预压
也称预紧。关于预压,用户不必了解具体预紧力和预紧方式,只需按照厂家样本选择预压等级即可。
等越高螺母与螺杆配合越紧,等级越低越松。遵循的原则是:大直径、双螺母、高精度、驱动力矩较大的情况下预压等级可以选高一点,反之选低一点。
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:27 | 显示全部楼层
又一个外行在这里充专家,国产组装加工中心上用的丝杆目前为止,九成以上用的都是台湾上银。原因很简单,世界能大批量生产滚珠丝杆的主要就三家,日本老家其中就有轴承大佬NSK,台湾一家、就是上银,而日本的太贵,国产的主要都是用上银的,主轴也是清一色的台湾品牌,建春、普森、罗弈等等,系统和机电部分被三菱、安川、法拉克所垄断,可以说加工中心的定价权完全掌握在日本和台湾人手中
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:31 | 显示全部楼层
制约我们是全方位的,岂能只是几个零件!!
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:34 | 显示全部楼层
浙江丽水,滚珠丝杠从无到有,正从有向精爬坡中
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:37 | 显示全部楼层
政府要关注中国高端机床的发展
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:40 | 显示全部楼层
THK了解下
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:43 | 显示全部楼层
用压缩机机油润滑可以吗?谁知道啊
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:46 | 显示全部楼层
国产丝杆和导轨已可满足大多数应用,一些特殊行业不行,像我们生产的PCB钻孔机,己全球前三,己经淘汰了丝杆的应用,使用全线性方案,就冲着100m/min和1.4G的加速度,国产导轨就无法满足,还要使用十年!
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:49 | 显示全部楼层
THK, NSK,,上银,我们国内只用得最多的三线牌子,上银。而国产的连三线都不如。有人还说弯道超车。超你妹!
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 楼主| 发表于 2018-9-19 20:52 | 显示全部楼层
没人制约你。自己制约自己
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