滚珠丝杠

1.1滚珠丝杠副原理及其结构特点：
1.1.1滚珠丝杠副原理
滚珠丝杠副是数控机床中常用的功能部件，它是由滚珠丝杠、滚珠螺母、和滚珠，反向器组成的部件。

可以将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转换为旋转运动。

滚珠丝杠副中的滚动体是滚珠[6]
图1-1 滚珠丝杠副结构
滚珠丝杠副的结构原理图（图1-1）：组成：主要由丝杠、螺母、滚珠及滚道（回珠器）、螺母座等组成。

工作原理：在丝杠和螺母上加工有弧形的螺旋槽，当丝杠被带动运动时，丝杠与螺母间的滚珠会沿着滚道滚动，而且，为了防止滚珠从滚道中滚出，在螺母上设有返回器，使其做周而复始地循环运动。

滚珠螺母一般由两段组成，以消除间隙及提高刚度和传动精度。

另外，滚珠丝杠副还有个擦拭器，它可以将异物在滚珠丝杠部件中清除掉，并使丝杠保持有效润滑。

擦拭器可延长滚珠丝杠的使用寿命并且提高其可靠性。

1.1.2滚珠丝杠副特点：
滚珠丝杠副相对滑动丝杠副，其具有如下特点[6]：
（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）无背隙与预紧
采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。

若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。

正是由于滚珠丝杠的如上优点，使得滚珠丝杠广泛地应用于精密机床，航空航天，纺织，军工等领域，但是同传统的滑动丝杠相比较，滚珠丝杠还是有其缺点：加工工艺要求高，结构复杂，成本高等。

1.2滚珠丝杠副的构造和分类
滚珠丝杠副通常由丝杠，螺母和滚珠等组成。

其构造差异的不同，类型的不同就决定了其传动精度，效率。

对于丝杠来讲，除了螺纹滚道型面的区别外，其他的参数基本都一样。

对于螺母，其构造主要与滚珠循环装置和调隙预紧的形式有关。

而滚珠循环装置返回器的构造，则对整个传动装置的精度，寿命，运行的流畅程度都有重要影响。

滚珠丝杠副的分类方法主要有，按常规，螺纹滚道型面，滚珠循环方式，轴向间隙调整预紧方式等几类。

1.2.1常规分类
目前还没有一个统一的分类方法，但是各国基本上用以下方法来分类：
普通滚珠丝杠：一般指公称直径d0=16～100mm,导程P h=4～20mm，螺旋升角φ<9°。

微型滚珠丝杠副：d0≤12mm,导程Ph≤3mm,螺旋升角φ<9°。

大导程滚珠丝杠副：d0≥16mm，12d0≤导程Ph≤dn或螺旋升角9°<φ≤17°,对于导程φ>17°称为超大导程滚珠丝杠副。

重型滚珠丝杠副：d0≥125mm。

1.2.2螺纹滚道型面
螺纹滚道型面是指，在节圆柱面上，导程为公称导程且通过滚珠中心的螺旋线的法平面与滚道平面的交线。

常用的滚动型面有两种：双圆弧形和单圆弧形。

如图（1-2）
图1-2 螺纹滚道型面
滚道与滚珠间所传递的负荷矢量与滚珠丝杠轴线的垂直面之间的夹角称为公称接触角。

从有利于传动效率、承载能力和滚珠流畅性等提高观点来看，目前，布国内均采用β=45°。

单圆弧形滚道型面（如图1-2 a））的特点是，磨削螺纹滚道的砂轮成型比较简便，而且易于获得更高的加工精度。

但其接触角β随着初始间隙和轴向载荷的大小不同而变化，因而使其传动效率、承载能力及轴向刚度等变得不稳定。

双圆弧形滚道型面（如图1-2 b））由于接触角β在工作过程中能基本保持不变，因而传动效率、承载能力和轴向刚度均稳定，特别是螺旋槽底部不与滚珠接触，可容存一定的润滑油和脏物，使磨损减小，并对滚珠流畅大有好处。

不过磨削这种结构型面时砂轮成型较为复杂。

但只要采用专用的成型砂轮修正器，在普通螺纹磨床上就可磨得。

螺纹滚道的曲率半径R与滚珠半径r b比值的大小，对滚珠螺旋传动承载能力有很大影响，一般都取R/r b=1.04～1.11之间。

比值过大，摩擦损失增加；比值过小，则承载能力降低。

目前有偏取小的趋向。

1.3滚珠循环方式与特点
在一个螺母上具有独立运动的滚珠链数目称为列数。

如果只有一条独立运动的滚珠链，称为单列；有两条者，称为双列；两条以上者，称为多列。

而一条独立运动的滚珠链的滚珠数（即一列中的滚珠数），称为工作滚珠数。

工作滚珠循环中绕经螺纹滚道的圈数，称为工作圈数。

一般情况下，一列中工作滚珠的总数不超过150颗。

因为在一列中滚珠数越多，传动效率越低，运行阻力越大，特别是启动更加困难，甚至产生阻滞，出现卡球现象。

因此，在一列中不但要限制工
作滚珠总数，而且对工作圈数也要限制在5圈之内，其目的在于保持滚珠流畅性。

对每个螺母而言，不论双列或多列，工作圈数的总和不宜多用10圈，其理由是滚珠沿螺纹滚道不同圈数的压力分布是不均匀的，如图(1-3)所示，第一圈承受载荷为30%～40%，尔后逐圈减少，从第五圈至第十圈，总共才承受载荷10%。

从图可看出，在一列中不超过5圈较为合理。

整个螺母超过十圈就无实际意义。

根据承载能力的需要，如果在一列中滚珠数目超过150颗时，就应改为双列或多列，当然，一列中未达到150颗时，由于设计和结构上的要求，也可采用双列或多列结果。

总之，要具体问题具体分析，综合平衡，合理组合。

图1-3滚珠所受载荷与圈数关系图
滚珠循环方式按滚珠在循环反向的过程中与丝杠表面脱离与否，可分为两大类：
（1）内循环
滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表面的循环方式，称为内循环，如图所示，在螺母的侧孔内，装有接通相邻滚道的回珠装置（或称反相器）。

借助于反相器上回珠槽的作用，迫使滚珠沿滚道一圈之后，翻越过丝杠螺纹滚道牙顶，重新回到初始滚道，构成了一圈一个循环的滚珠链（即为一个列），故又称为单圈内循环。

单圈内循环的圈数通常为2～4列，最多可达6列，相应地说，一个螺母上则需要装2～4个或6个反相器。

为使滚珠螺母的结构紧凑些，这些反向器沿螺母圆周式均匀分布的，即对应于双列、三列、四列或六列结构，反向器分别沿螺母圆周方向互错180°、120°、90°或60°。

反向器的轴向间距视反向器的结构形式而不同，选择时应尽量可能使螺母尺寸紧凑些。

图1-4内循环结构图
由于单圈内循环式以一圈为列，因此滚珠较少，运行阻力减少，启动容易，滚珠流畅性好，灵敏度较高；摩擦损失少，传动效率高；滚珠回程较短，刚性较好，使运转精度得到提高；螺母径向尺寸小，且零件数减少，装备简便，适用批量生产。

但不足的是反向器回珠槽为空间曲面S形，用普通设备加工较困难，而且对滚珠螺旋副的公称直径、丝杠外径、螺纹滚道牙型与接触角、牙顶圆角（保证圆滑过渡）等加工要求较高，需采用数控机床或仿形机床加工，设备费用较高。

反向器是内循环滚珠螺旋传动的关键部件之一，其工作性能的好坏，将直接影响到传动的质量。

反向器按其定位方式不同，可分为固定式和浮动式两种；而每一种反向器又有两种结构形式，即扁圆形反向器和圆形反向器。

扁圆形反向器的结构类似一个扁圆腰子形镶块，紧固或焊接在螺母上的扁圆孔中。

其优点是轴向尺寸短，可有较多圈数，承载能力较高，且结构紧凑而美观。

缺点是扁圆孔的加工、测量较难，且精度不易保证，装卸也较麻烦。

圆形结构反向器的两对称键、键槽对称精度以及深度均需控制，制造工艺性较差，其余部分加工则较扁圆形有较大改善。

但仍存在轴向尺寸大，装配较困难等缺点。

浮动式反向器的结构特点是：反向器与滚珠螺母上的安装孔保持有一定的配合间隙。

槽内滚珠对反向器起到自定位的作用。

浮动式反向器的优点是：在高频浮动中达到回珠槽进出口的自动对接，从而为滚珠返回提供流畅的通道口，具有良好的摩擦特性。

这种反向器适用于各种高灵敏度、高刚度要求的精密进给系统。

但缺点是，不适合重载、多头螺旋副以及大导程、小导程的滚珠螺旋副。

（2）外循环
滚珠在循环返向时离开了丝杠螺纹滚道而在螺母体内或体外循环，即称为外循环（图1-5）。

外循环滚珠螺旋副一条闭合的滚珠链（即一列），根据结构工艺，可使用的工作圈数为1.5圈，2.5圈或3.5圈为宜，最多不超过4.5圈。

当然，可以配置2.5圈双列结构，这样，圈和列的配合（即圈数×列数）可以表示为1.5×1、2.5×1或3.5×1，4.5×1或2.5×2。

但最常用的结构式2.5×1，3.5×1，2.5×2三种配合。

图1-5外循环结构图
外循环滚珠螺旋副按其滚珠返回装置构造不同，可分为套筒-螺旋槽式、插管式和端盖式三种：
1）套筒-螺旋槽式
在滚珠螺母外圆柱上铣出螺旋形凹槽作为滚珠循环通道，凹槽的两端分别钻有与螺纹滚道相切的通孔（即回珠孔一孔占去圆周的1/4，两端孔共占1/2,此即一列滚珠链总是有一个0.5圈的缘由）,用两个挡珠器装于螺母内表面测控中，弧形挡珠杆与螺纹滚道相吻合，杆端部舌形部分将引导滚珠进入回珠通孔，返回初始螺纹滚道，形成滚珠链运动。

为防止滚珠从回珠槽内脱出，用套筒紧套在螺母外圆柱面上，从而构成了滚珠链的封闭循环运动，这就是套筒─螺旋槽式外循环(如图1-6)。

这种形式结构简单，轴向排列紧凑，承载能力较高。

与单圈内循环相比，工艺性好，生产不受批量限制，且单、双列结构均可采用。

但单列优于双列。

一般只有当单列螺母上工作圈数超过三圈半时才用双列。

而双螺母预紧时，最好以两圈为列（即2.5×1）。

在一列中的滚珠数比起单圈内循环为多，即滚珠运动链长，运动阻力增大，且在螺母体上的回珠槽与回珠孔不易准确平滑连接，拐弯处曲率半径小，滚珠急剧转向运动不平稳而影响了滚珠的流畅性和灵活性，且螺母径向尺寸较大。

更为主要的缺点是挡珠器的弧形杆刚性较差，特别是舌形部分易于磨损，寿命较短。

图1-6套筒─螺旋槽式外循环
2）插管式
插管式外循环（图1-7），把剖分的成型弯管（一般为冲压件）插入螺纹滚道一列工作圈两端与滚道相切的通孔内，以替代套筒─螺旋槽式的凹槽。

管子一般用压板加螺钉固定。

以插入孔中的弯管端部舌形斜口或另装其他形式的挡珠器来
引导滚珠进出弯管以构成循环通道。

插管式的特点是结构简单，工作可靠，工艺性好，适用于大量生产。

回珠管可设计、制造成较理想的运动通道，且允许螺旋副有较高的临时转速。

对套筒─螺旋槽式滚珠循环时回珠进出口急剧转弯影响运转灵活性的缺点得到了极大改善，且T预反/T预空的比值也小很多。

但弯管突出于螺母外部，使螺母径向尺寸增大，在设备部件内部安装受到了限制，且弯管本身壁薄而耐磨性差；当利用弯管端部斜口做挡珠器用时，寿命更短；但由于它适用于重载高速的驱动系统，也适用于精密定位系统，不论大导程、小导程、多头螺纹的滚珠螺旋副，都显示出独特的优越性，因此，是目前应用极为广泛地结构，并正在逐渐取代套筒─螺旋槽式滚珠螺旋副。

国外如日本，就把插管式外循环作为普通系列，而其他结构形式均作为专用系列生产。

图1-7插管式外循环
3）端盖式
端盖式外循环（如图1-8）是较早期的结构，它是在螺母壁厚上钻有一个纵向通孔作为滚珠的返回通道，螺母两端面装有铣出短槽的盖板，段槽端部与螺纹滚道相切，并可引导滚珠进入回珠通孔构成闭合回路。

其特点是结构简单，装拆方便，工艺性好，且作用可靠。

但滚珠通过短槽进出口时要作急剧转弯，影响了滚珠的灵活与流畅性，且滚珠螺母的径向尺寸很大。

目前日趋减少，有被淘汰之势。

图1-8端盖式外循环。