滾珠絲杠的發(fā)展趨勢

　　基于“Hertz 彈性接觸應(yīng)力理論” 滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)不斷變化創(chuàng)新, 以適應(yīng)高載、高速、高順暢性要求。“滾動(dòng)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(dòng)體, 由此派生出新產(chǎn)品。
　　
　　第一類為交叉滾柱絲杠副。試驗(yàn)表明: 在相同外力作用下, 滾柱產(chǎn)生的接觸應(yīng)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(dǎo)軌副的區(qū)別在于, 受結(jié)構(gòu)的限制其滾柱的長度較短并交叉排列。該產(chǎn)品已用于全電動(dòng)注塑機(jī)、重載CNC 壓力機(jī)、龍門式加工中心等主機(jī)上。
　　
　　第二類為行星滾柱絲杠副。基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理和受力狀態(tài)的差異, 行星滾柱絲杠副具有以下特點(diǎn): 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(qiáng), 工作可靠, 使用壽命長。避開了返向裝置對Dn 值的制約,在導(dǎo)程很小的情況下實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng), Dn≥14 萬, 振動(dòng)小、噪聲低。絲杠軸是小導(dǎo)程角的非圓弧螺紋, 有利于達(dá)到較高的導(dǎo)程精度, 可實(shí)現(xiàn)精密微進(jìn)給。一體化的螺母組件很容易從絲杠軸分離, 滾動(dòng)體及相關(guān)零件不會散落, 便于安裝維修。對惡劣環(huán)境(低溫、粉塵、化學(xué)沉積、無潤滑等) 的適應(yīng)能力較強(qiáng)。目前能夠生產(chǎn)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(nèi)則尚處于研制和單件生產(chǎn)階段。根據(jù)這種產(chǎn)品的特點(diǎn), 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(shè)備、重型數(shù)控機(jī)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(fù)式滾珠絲杠副。法國“Transrl” 公司生產(chǎn)了一種螺旋滾子往復(fù)式滾珠絲杠副“RHL”, 其直徑為21 ~46mm, 導(dǎo)程為5 ~6mm。瑞典的SKF 公司也生產(chǎn)了同類產(chǎn)品, 其精度可達(dá)單個(gè)導(dǎo)程誤差為±3μm, 累積導(dǎo)程誤差為±10μm/300mm。其結(jié)構(gòu)分標(biāo)準(zhǔn)型、預(yù)緊型和微動(dòng)型三類。所具有的共同特點(diǎn)是承載能力比同尺寸的滾珠絲杠副傳動(dòng)高出2~5 倍, 靜載能力提高1. 4 ~1. 8 倍, 傳動(dòng)效率可達(dá)93%, 雙螺母預(yù)緊時(shí)可提高定位精度和系統(tǒng)剛度。作為微動(dòng)結(jié)構(gòu), 可獲得極小的進(jìn)給速度。更為獨(dú)特的是運(yùn)動(dòng)不可逆轉(zhuǎn), 不必加防逆裝置。
　　
　　第四類為“滾珠蝸條” 新產(chǎn)品。日本NSK 公司研制的“滾珠蝸條” 新產(chǎn)品, 其工作原理與滾珠絲杠傳動(dòng)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(nèi)設(shè)置的通道中返回, 兩節(jié)蝸桿之間用調(diào)整墊片預(yù)緊, 另用半邊鋼瓦覆蓋在蝸桿上, 隨蝸桿移動(dòng)使?jié)L珠始終不能脫離蝸桿。其特點(diǎn)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(dòng), 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(chǎn)品
　　
　　要提高機(jī)床的生產(chǎn)效率, 就要提高機(jī)床的速度。在日本, 機(jī)床的進(jìn)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(dǎo)程滾珠絲杠副, 但會引起負(fù)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(dòng)特征。由于采用新的循環(huán)方式, 其Dn 值可達(dá)到22 萬, 比現(xiàn)有的產(chǎn)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(xiàn)有同類產(chǎn)品相比, 螺母的外徑可以減小15% ~30%。根據(jù)需要, 還可加上高防塵密封蓋及免維護(hù)的自動(dòng)潤滑元件, 并有中導(dǎo)程和大導(dǎo)程許多規(guī)格, 其產(chǎn)品得到了日本許多大型機(jī)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(chǎn)品必須具有質(zhì)量高、成本低、品種新的特點(diǎn)。把單圈內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的扁圓形反向器革新為圓弧形浮動(dòng)式結(jié)構(gòu), 其特點(diǎn)是反向器工作時(shí)可自動(dòng)調(diào)位, 摩擦力矩比原固定式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)已研制成功, 并形成了NFN、FNC 系列投入生產(chǎn), 效果良好, 目前正在推廣應(yīng)用。
　　
　　3. 超規(guī)格產(chǎn)品
　　
　　滾珠絲杠副傳動(dòng)的產(chǎn)品規(guī)模向著微型和大型兩個(gè)方面不斷發(fā)展。如日本NSK 公司生產(chǎn)了一種MBS 系列的微型滾珠絲杠副, 其直徑為4 ~ 14mm, 導(dǎo)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(jī)床、電子計(jì)算機(jī)的打印、光學(xué)器械、半導(dǎo)體加工機(jī)械等設(shè)備上作進(jìn)給傳動(dòng)。大型滾珠絲杠副主要用于重型機(jī)床、煉鋼煉鐵、起重機(jī)械、雷達(dá)天線定位器和原子能反應(yīng)堆等設(shè)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(shè)備上, 可承受動(dòng)載荷1 000kN、靜載荷2 000kN; 日本NSK 公司生產(chǎn)的BS 系列精密滾珠絲杠副, 直徑為140mm, 導(dǎo)程為32mm, 長度為15m, 用于大型機(jī)床等大型設(shè)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(chǎn)的插管式外循環(huán)滾珠絲杠副, 直徑達(dá)127mm, 長度為12. 5m, 用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線定位器。
　　
　　4. 冷軋型產(chǎn)品
　　
　　普通型滾珠絲杠副主要是利用低摩擦和磨損小的特點(diǎn), 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(dá)55HRC 以上, 再進(jìn)行磷酸鹽薄膜處理以防銹。冷軋滾珠絲杠副尺寸固定, 生產(chǎn)率高, 價(jià)格低廉, 并能保持機(jī)械效率高、耐磨性好的特點(diǎn), 因而得到普及和推廣。如美國生產(chǎn)了用于工程機(jī)械的冷軋滾珠絲杠副, 日本生產(chǎn)了14 ~15mm 共七種規(guī)格的系列化標(biāo)準(zhǔn)R 型冷軋滾珠絲杠副。冷軋滾珠絲杠副的特點(diǎn)是, 可沿整個(gè)絲杠軋出螺旋槽, 根據(jù)機(jī)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(shù)臺、千斤頂、小型起重機(jī)、閥門開關(guān)等均可采用。國內(nèi)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(dāng)大的進(jìn)展, 目前已能生產(chǎn)冷軋型滾珠絲杠副, 填補(bǔ)了國內(nèi)在滾珠絲杠副產(chǎn)品方面的空白, 主要用于普通機(jī)床。
　　
　　5. 特殊型產(chǎn)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(jī)上的特殊滾珠絲杠副占全部用量的30%以上, 主要供飛機(jī)襟翼和尾翼操縱系統(tǒng)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力向開關(guān)和燃燒室噴嘴位置的調(diào)整裝置。英國生產(chǎn)的特殊型內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副, 用于飛機(jī)起落架操縱機(jī)構(gòu)、直升飛機(jī)等。滾珠絲杠副傳動(dòng)用于核反應(yīng)堆控制棒的驅(qū)動(dòng)裝置, 可防止反應(yīng)堆發(fā)生危險(xiǎn)。國內(nèi)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(dòng)式注塑機(jī)已占到注塑機(jī)總量75%。電動(dòng)式對于液壓式的比率在逐年增加, 電動(dòng)式注塑機(jī)最大已做到了1 000t。注塑和合模部分要求很高的負(fù)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(fù)荷的狀態(tài)下反復(fù)運(yùn)動(dòng)。對于注塑部分的滾珠絲杠副, 要求能在小行程下運(yùn)動(dòng)并具有良好的承受高負(fù)荷能力的主要特征。為滿足電動(dòng)式注塑機(jī)的高負(fù)荷要求, NSK 公司開發(fā)了處于世界領(lǐng)先水平的注塑機(jī)專用絲杠———HTF 系列滾珠絲杠, 目前在日本的電動(dòng)式注塑機(jī)的市場占有率達(dá)80%。
　　
　　高性能數(shù)控機(jī)床離不開高性能滾動(dòng)功能部件, 作為數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件的滾動(dòng)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(jìn)行技術(shù)攻關(guān)來解決。目前國內(nèi)滾動(dòng)功能部件高端產(chǎn)品市場大部分由國外廠家或外資企業(yè)所占領(lǐng), 嚴(yán)重影響到我國高端數(shù)控裝備的自主研發(fā)與國產(chǎn)化, 因此, 從精度保持性和性能可靠性入手, 提高滾動(dòng)功能部件的性能和質(zhì)量已成為國產(chǎn)滾動(dòng)功能部件生產(chǎn)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急, 直接影響到我國機(jī)床行業(yè)和裝備制造業(yè)的發(fā)展。
　　
　　滾動(dòng)功能部件主要分為三類: 精密滾動(dòng)功能部件、高速滾動(dòng)功能部件、重載滾動(dòng)功能部件。對于精密滾動(dòng)功能部件, 可靠性試驗(yàn)以精度指標(biāo)檢驗(yàn)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(biāo)進(jìn)行評估; 對于高速滾動(dòng)功能部件, 可靠性試驗(yàn)以性能指標(biāo)檢驗(yàn)為主, 并分析影響產(chǎn)品性能因素, 其可靠性評估以性能可靠性進(jìn)行評估; 對于重載滾動(dòng)功能部件, 可靠性試驗(yàn)以壽命指標(biāo)檢驗(yàn)為主, 并分析影響壽命因素, 其可靠性以疲勞壽命進(jìn)行評估。相對于精度和性能, 壽命則是滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品最主要指標(biāo), 壽命終止則代表產(chǎn)品完全失效。
　　
　　國外企業(yè)和外資企業(yè)在滾動(dòng)功能部件精度保持性和性能可靠性方面技術(shù)領(lǐng)先, 開發(fā)了一些相關(guān)的試驗(yàn)與檢測設(shè)備, 但一般僅限于作為本企業(yè)內(nèi)部使用。國內(nèi)滾動(dòng)功能部件生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小, 在滾動(dòng)功能部件精度保持性和可靠性技術(shù)方面大多基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ? 雖然近幾年開展了相關(guān)的可靠性試驗(yàn)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(dòng)功能部件可靠性試驗(yàn)體系與試驗(yàn)規(guī)范。
　　
　　針對目前國產(chǎn)滾動(dòng)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(shù)控機(jī)床產(chǎn)品要求的這一現(xiàn)狀, 必須對滾動(dòng)功能部件精度保持性和性能可靠性進(jìn)行系統(tǒng)研究, 尤其應(yīng)該注重可靠性試驗(yàn)研究, 爭取在國內(nèi)滾動(dòng)功能部件生產(chǎn)企業(yè)建立完善可靠性研究體系, 提高滾動(dòng)功能部件使用性能, 進(jìn)而提高其在高端產(chǎn)品市場的競爭力。
　　
　　滾動(dòng)功能部件可靠性研究是一個(gè)系統(tǒng)工程, 主要圍繞滾動(dòng)功能部件精度保持性和性能可靠性, 從可靠性設(shè)計(jì)、可靠性分析、可靠性試驗(yàn)、可靠性評估和可靠性增長等方面進(jìn)行方法與技術(shù)研究, 還包括相關(guān)試驗(yàn)與檢測設(shè)備開發(fā)等。

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