滚珠丝杠选型讲解

滚珠丝杠副特性

滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系以传动形式分为两种：

（1）将回转运动转化成直线运动。

（2）将直线运动转化成回转运动。

传动效率高

滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4 倍，如图1.1.1 所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。

运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。

高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。

高耐用性

钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。

同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。

高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。

无背隙与高刚性

滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch ）沟槽形状（见图2.1.2 —2.1.3 ）、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。

现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而生。它不仅要求有性

能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：(1) 最大进给速度应达到

40m/min 或更高； (2)加速度要高，达到 1g 以上； (3)动态性能要好，达到较高的定位精度。

高速滚珠丝杠副是指能适应高速化要求(40 m／min 以上) 、满足承载要求且能精密定位的滚珠丝杠副，是实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。

1 高速滚珠丝杠副的结构设计

滚珠丝杠副的驱动速度V ＝Ph×N(Ph 为导程，N 为丝杠转速)，因此提高

驱动速度的途径有两条：其一是提高丝杠的转速，其二是采用大导程。提高转速N 受do·N 值的制约(do 为滚珠丝杠的公称直径)。国际上一般do·N≤7000。0据日本NSK 公司介绍：该公司已将do·N 值提高到153000。N 增大时，do 必须减小，且过分提高转速会引起丝杠发热、共振等问题；d0 太小也会造成系统刚性差、易变形、影响加工精度，且目前伺服电动机的最高转速仅到4000 r／min。导程Ph 过大时，不仅增加了滚珠丝杠副的制造难度，精度难以提高，降低了丝杠副承载，而且也增加了伺服电动机的起动力矩。因此，设计高速滚珠丝杠副时要合理选择丝杠副的转速N、公称直径do 与导程Ph。

数控机床常用的滚珠丝杠副结构为：外循环插管式、内循环反向器式。由于高速滚珠丝杠副的导程较大，如用内循环结构，反向器尺寸较长，承载的钢球数减少，且钢球高速时流畅性差，是不适合的；而外循环插管式结构简单，承载能力大，不受导程的限制。因此，被选作高速滚珠丝杠副的结构。

外循环滚珠丝杠副预紧方式主要有三种：增大钢球直径、变位导程和垫片。

各预紧方式的特点见表1。

应注意以下几点：(1)导程的选择。为了提高丝杠副驱动速度，一般需增大丝杠副导程，

常用丝杠副导程取丝杠直径的1／3—1／2。(2)为了增加承载，选用多头螺纹，以提高丝杠副承载能力。(3)滚珠丝杠副在高速时产生的噪声主要来自钢球在导珠管进出口(见图1P、P'点)处的碰撞。因此，在循环过程中钢球的反向点设计是非常重要的(见图

1），要合理选取反向

o 角

滚珠丝杠副计算流程

支承方式

滚珠丝杠 的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回转转速也

有所不 同，客户应根据自身情况适当选择。

固定 --- 固定 适用于高转速、高精度。

固定 --- 支承 适用于中等转速、高精度。

支承 --- 支承

适用于中等转速，中精度

固定--- 自由适用于低转速，中精度，短轴向丝杠

导程

Pho---导程（mm）

Vmax--- 工作台最大移动速度（mm/min ）

nmax---电机最大转速（r/min ）

I--- 传动比（见滚珠丝杠传动系统说明图），从输出端（马达）至输入端（丝杠）的传动比。

临界转速

临界转速

临界转速也称危险转速——在高速情况下产生共振时所达到的极限转速，此现象会造成产品质量下降，加工机床损坏。

n k = f n k × d 2/L × 10

n k --- 临界转速（r/min ）f nk --- 支承系数（见下表）d2 --- 丝杠螺纹底径

（mm）L n --- 临界长度（mm）

支承方式 f nx

固定——固定27.4

固定——支承18.9

支承——支承12.1

固定——自由 4.3

允许工作转速

为了使用的安全性

n kper ≤ 0.8 × n k

n kper --- 允许工作转速（r/min ）n k --- 临界转速（r/min ）

容许轴向载荷

丝杠理论容许轴向载荷容许轴向载荷也称危险轴向载荷——在轴方向施加的最大拉伸压缩负荷。为了保证丝杠的传动精度，在设计时必须考虑不使丝杠发生变形的轴径尺寸（丝杠螺纹底径）。

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F k = f Fk×d2 /L k × 10

F k --- 丝杠理论容许轴向载荷（N）d2 --- 丝杠螺纹底径（mm）f Fk

--- 支承系数（见下表）

L k --- 轴承与螺母间的距离（mm）

丝杠工作容许轴向载荷

为了使用的安全性，丝杠工作容许轴向载荷应为丝杠理论容许轴向载荷的50%。

F kzul = F k/2

F kzul --- 丝杠工作容许轴向载荷（N）

F k --- 丝杠理论容许轴向载荷（N）

刚度

轴向总刚度

滚珠丝杠传动系统的刚度受到所有与其相连的部件（如：轴承、支承、螺母座等）的影响