天津日进机电技术有限公司

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精密滚珠丝杠副实现高速化的前景 发布时间:2017-12-10

车工业、航空航天工业的发展对轻合金的高速切削加工越来越重视,加工中心、工业机器人、CNC锻压机械、FMS及各类数控机床和自动化机械的进给驱动速度不断提高。以加工中心为例,工作台的移动速度在80年代仅为15~20m/min、加速度0.5g左右,90年代中前期为30~50m/min,加速度1g左右,到90年代后期已达60~80时min,加速度1.5g以上,并向更高速度推进。作为伺服进给驱动系统中的重要执行机构—滚珠丝杠副,因具有高效快速、节省能源、零间隙高刚度传动、跟随灵敏、不污染环境且对周边环境的适应性强等特点,始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。为适应高速切削加工的要求,在满足定位精度的同时,如何进一步提高进给速度和加(减)速度成为业内人士当前关注的焦点。笔者研究了有关文献并结合多年的亲身经历,提出一些想法供同仁参考。 

1 精密滚珠丝杠副实现高速化要解决的主要矛盾

笔者认为,在精度、线速度、加(减)速度都要兼顾的情况下,需要解决以下问题。 

滚珠丝杠副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速Nc。Nc与丝杠的材质、螺纹小径、两端支承方式、支承间距等因素有关。随着科学技术的发展,Nc值也在不断提高。 

滚珠在螺纹滚道和返向装置中既通畅又可靠地循环滚动的安全转速,可用类似轴承的d0n值表示(d0为滚珠丝杠的名义直径,n为丝杠转速)。要实现高速化,必须通过改进滚珠螺母返向装置、提高制造精度、安装精度和支承刚度来提高d0n值。现在d0n值已由70000提高到150000。 

要解决高速化带来的噪声、温升与热变形。据有关试验表明:当未采取减噪、减振措施时,滚珠丝杠转速每增加1000r/min,噪声增高4~5dB(A),滚珠螺母的温度升高5~6℃。 

以上三点说明:只用增加丝杠的转速来提高进给驱动速度是不明智的。 

为了改善滚珠丝杠副的加(减)速度特性,提高对运动指令的快速跟踪能力,必须提高滚珠丝杠轴系的系统刚度和丝杠副的轴向刚度,减小起动和停止瞬间弹性变形。 

要解决滚珠丝杠副及周边元件在高速运行中的可靠性。

2 产品结构创新是实现高速化的基础

适度增大滚珠丝杠副的导程Pn和螺纹头数是实现高速化的最佳选择。我国早在1989年就完成了大导程滚珠丝杠副的“七•五”攻关,螺旋升角为f>9°~17°的大导程滚珠丝杠副已能批量生产。但是由于螺纹磨床传动链误差“基因”的遗传,导程越大,导程精度越难提高。因此,兼顾精度的需求,导程Pn的增大要适度,例如名义直径与导程的匹配d0×Pn以40mm×20mm,50mm×25mm,50mm×30mm等为宜,线速度均可达到60m/min以上。而采用双头螺纹是为了增加滚珠的有效承载圈数,从而提高丝杠副的刚度和承载能力,提高滚珠螺母在高速运行中的平稳性。虽然超大导程滚珠丝杠副(f>17°)可以获得更高的线速度,但它很难满足精度和加(减)速度的要求。 

空心强冷。在高速运转时丝杠轴的热变形是加工误差的来源之一。同时为了提高系统刚性对丝杠轴预拉伸也会产生热量。解决发热问题的有效办法是将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却。空心丝杠轴还有助于减小高速运转时的惯性,增加丝杠轴的扭曲刚度。北京机床研究所曾于1997年与成都工具研究所合作,完成大型空心滚珠丝杠的深孔加工,并从中摸索出合金钢精密深孔工艺的经验,可在高速滚珠丝杠生产中推广应用。

Si3N4陶瓷与GCr15轴承钢物理性能对比表 

滚动体材料 硬度

HRC 密度

g/cm2 弹性模量

N/mm2 热膨胀系数

×10-6℃ 热导率

W/(m·K) 

GCr15 62~64 7.85 2.1×105 12.4 41.87~50.24 

Si3N4 78 3.2 3.2×105 3.4 29.31 

在滚珠上做足文章。在高速运动时,滚珠的自旋速度、公转速度、离心力、陀螺力矩都很大,滚珠相互间的撞击、进出反向机构时的瞬间冲击力也很大。解决这个问题有四个办法:①通过对滚珠链优化计算,适当减小滚珠直径;②采用空心钢球;③将滚珠链中的滚珠按一大一小间隔排列;④采用Si3N4氮化硅陶瓷球。 

从上表可看出:Si3N4热压氮化硅陶瓷球具有硬度高、密度小(不到钢球的一半)、弹性模量大、热膨胀系数小、磨损慢和寿命高等特点,在高速运转时可大大减小滚珠的离心力(见下图)和进出反向机构的冲击力,由于滚动体的旋滚比(V自旋/(V滚动)减小,使自旋运动引起的滑移摩擦减少,从而降低丝杠副的噪声和温升,使d0·n值得到提高。我国洛阳轴承研究所和山东工业陶瓷研究院等单位在“八•五”期间就开展了陶瓷球和混合轴承的研究,深圳南玻结构陶瓷公司已能生产3级精度的陶瓷球。图1 陶瓷球在滚动轴承中减小离心载荷的对比试验(SKF资料) 

改进滚珠螺母结构。包括三个方面:①改进预加负荷的方式,对预紧力Fp实施动态控制。在高速运转时为保持滚珠丝杠副在全行程范围内刚度和精度不发生变化,必须使Fp不丢失,动态预紧转矩Tp恒定。国外研制出一种可在工作过程中连续自动调节预紧力的装置。该装置包括调节器(压电陶瓷)和传感器,将其配置在双螺母之间,当预紧力Fp在工作中发生变化时(丝杠中径的不一致性也会导致Fp变化),由传感器发出信号,利用CNC控制系统发出指令通过调节器的膨胀和压缩对预紧力进行适时补偿。国内华东理工大学曾在1990年前研制出PVF2压电薄膜预紧力传感器,可对预紧力直接测量。②滚珠在进出反向机构时会重复产生布里涅耳(Brinell)效 应,即布氏撞击耗损,在高速时这种重复撞击尤为明显,并伴有噪声。因此应针对高速的要求对循环反向机构进行优化设计。在这方面的工作包括:内循环反向结构及回珠槽曲线参数的优化;采用高含油、高密度纤维减摩材料使滚珠在循环时“软着陆”;外循环导珠管采用高强度厚壁优质合金材料、加大曲率半径、对管壁和管舌实施强化处理;反向器和导珠管在滚珠螺母体上的坐标位置优化布局等。③其它减振减噪措施有:在滚珠螺母体周边配置防噪声套管;外插管的固定采用高强度工程塑料并将导珠管外露部分全部复盖;在丝杠轴行程端部配置缓冲减振器等。 

对滚珠丝杠副实施双电动机驱动。用一个伺服电动机驱动滚珠丝杠轴。另一个伺服电动机以相反方向驱动由轴承支撑的滚珠螺母,这样在不增加丝杠转速的情况下,工作台的进给速度几乎可提高一倍。 

当丝杠行程很长时,可将“丝杠转动→螺母移动”的丝杠驱动方式改为“丝杠固定,螺母一边转动一边移动”的螺母驱动方式。其好处在于消除了临界转速Nc的限制,避免了长丝杠在高速转动时产生的一系列令人烦脑的问题。 

采用PVD涂层改善滚珠丝杠副的摩擦特性。据有关文献介绍,在螺纹滚道、滚珠反向通道、钢球表面采用PVD涂层可使高速运转时的摩擦力矩降低10%左右,并明显减少钢球在非纯滚动的“滑移”过程中对螺纹滚道的擦伤,降低温升,提高运动的平稳性,延长使用寿命。当采用导程PA=40mm时,移动线速度可达120m/min。

3 提高工艺水平和制造质量是高速化的关键

生产流程中的关键工序实现CNC化,包括CNC车削中心、CNC丝杠磨床、CNC内螺纹磨削中心、CNC中频淬火设备等。CNC丝杠磨床不但可获得很高的导程精度、双头螺纹的分度精度,还可自动补偿由于砂轮磨损导致丝杠中径尺寸的变化,而这恰恰是高速传动要求全行程内预紧力矩和刚度稳定所需要的。在CNC内螺纹磨削中心上滚珠螺母一次安装完成内螺纹滚道和装配基面的精磨,这将大大提高丝杠副在主机上的安装精度,使高速传动更加平稳。采用CNC砂轮修正器或金刚滚轮可对大螺旋升角的双圆弧齿形进行矫正,可获得高精度的滚道截形,使滚珠与滚道的适应度fr处于最佳状态,从而提高接触刚度,改善滚珠在快速滚动时的流畅性。如果再对螺纹滚道抛光或超精研抛,滚道表面粗糙度可达尺Ra0.04~0.08µm,滚珠与滚道的吻合度可提高20%左右,可大大降低高速运行时的噪声,增加疲劳强度。 

为了确保高速运行时的安全和可靠性,要从冷热工艺入手严格控制产品的内在质量,首先要严格控制原材料的品质,其次要在冷热加工的全过程实施“小变形无裂纹”工艺。采用CNC中频淬火工艺既能达到硬度和硬化层深度的要求,还可减少淬火过程中的弯曲和轴向变形,使丝杠全长上硬度均布。对滚珠螺母实施光亮(真空)淬火不但可减小变形、避免淬裂倾向,还能改善硬化层的质量,提高疲劳寿命。 

对于空心滚珠丝杠,采用BAT内排屑深孔钻和DF双喷油深孔钻系统,能够满足高速滚珠丝杠对深孔的直线度、粗糙度以及与外圆同轴度的要求。 

为提高滚珠丝杠副的初始接触刚度,避免在工作中预紧力丢失,高速滚珠丝杠副在零件装配后的加载跑合应比一般产品要求更严格,跑合时间应更长。 

4 周边元部件

线性伺服进给系统的高速化是一个系统工程。丝杠副支承刚度和安装精度对提高临界转速Nc、改善运动平稳性、降低噪声有不可忽视的作用。为了减小运动惯性,应减小运动部件的数量和质量,采用高强度合金铝、碳素纤维增强塑料等实现高速运动部件的轻量化。周边的滚动直线导轨副、滚动轴承等亦应满足高速化的要求。唯其如此,在高速伺服电动机的驱动下,滚珠丝杠副轴系才能获得高速、高效的预期效果。 

5 充实检测手段、强化试验研究

我国即将加人WTO,我国精密高速滚珠丝杠副起步较晚,面对国际大市场的竞争,产品要创新、工艺水平要提高、产品质量更要过硬。滚珠丝杠的制造企业要迅速改变只注意产品产量、产值,不重视新产品的性能试验研究的局面。不但要对高速滚珠丝杠副的定位精度、噪声、温升、加(减)速度、动态刚度等进行试验研究,更要大力开展可靠性的试验研究,此乃占领市场的关键。 

应该指出,在滚珠丝杠副的国际标准IS03408-1·2·3-1992、我国标准GB/T17587.1~3-1998和其他各国的标准中,均未给出产品的可靠性指标。但国外名牌生产厂家都有一整套产品性能试验和检测仪器,为了提高产品的市场竞争力,还制定了高于公认标准的内控标准。这是值得我们借鉴的。北京机床研究所在“九•五”攻关中正在开展高速滚珠丝杠副的精度、噪声、温升等方面的试验研究,迈开了可喜的一步。日本 采 用 滚珠丝杠副实现高速传动处于领先地位。NSK公司在80年代就对滚珠丝杠的空心强冷开展了试验研究,1977年推出高速滚珠丝杠副系列产品,最高线速度120m/min,d0n值从100000到120000。MAZAK公司的FJV-20,FJV-25立式加工中心和FF510、FF660卧式加工中心系列全部采用自产高速滚珠丝杠副,后者的快移速度达90m/min、加(减)速度1.5g、重复精度0.002mm。日本光洋机械、牧野铣床制作所的加工中心均采用高速滚珠丝杠副,线速度在60m/min以上。德国AM公司的滚珠丝杠副线速度可达100m/min。Giddings&Lewis公司和Grob公司的卧式加工中心采用滚珠丝杠副工作台移动速度达70m/min,加速度大于1g。我国台湾的PMI银泰科技公司在CIMT99第六届中国国际机床展览会上推出双头、三头高速滚珠丝杠副系列产品,线速度100~120m/min,噪声约76dB(A)。北京机床研究所展出GCBM4016,GCBM4020双头高速滚珠丝杠副,线速度超过48m/min。南京工艺装备制造厂展出陶瓷球高速滚珠丝杠副,线速度36m/min,并出口美国。在CIMT99上展出的国内外数控机床中,除少数几台采用直线电动机外,其余全部采用滚珠丝杠副。 

滚珠丝杠副的功能从最初的“敏捷省能传动”到“精密定位”,再从“大导程高速驱动”到“精密高速型”,是产品升级换代质的飞跃。在线性伺服高速驱动领域中,当对性能价格比、切削加工时间与空行程时间的比例、加减速出现的频率等进行综合分析后,考虑到节能和环保,人们更加关注精密高速滚珠丝杠副的发展。

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