滾珠絲杠內(nèi)循環(huán)的的原理及工作
滾珠絲杠內(nèi)循環(huán)的的原理及工作
滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件。它的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸，這一發(fā)展的深刻意義與滾動(dòng)軸承給滑動(dòng)軸承帶來(lái)的變化是一樣的，滾珠絲杠因其優(yōu)異的摩擦特性，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器和精密數(shù)控機(jī)床。特別是近年來(lái)，滾珠絲杠作為數(shù)控機(jī)床的直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，“高速、高效”成為各廠家追求的目標(biāo)，對(duì)于高速驅(qū)動(dòng)與定位部件，國(guó)外已有直線電動(dòng)機(jī)問(wèn)世，開(kāi)始用于加工中心，快速進(jìn)給速度達(dá)到160m/min以上，加速度達(dá)49以上，向滾珠絲杠副提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。但由于線電動(dòng)機(jī)存在價(jià)格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜、需采取措施解決磁鐵吸引金屬切屑、強(qiáng)磁對(duì)人身危害以及發(fā)熱等缺點(diǎn)，在近一段時(shí)間很難得到普及。滾珠絲杠副仍是現(xiàn)在高速驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)先選擇，國(guó)外大部分高速加工中心仍使用滾珠絲杠。
我國(guó)對(duì)高精度絲杠的需求擴(kuò)大，對(duì)滾珠絲杠精度檢測(cè)的要求也越來(lái)越高。我國(guó)自50年代生產(chǎn)滾珠絲杠以來(lái)，對(duì)滾珠絲杠的檢測(cè)工作同時(shí)也在摸索中前進(jìn)，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)滾珠絲杠精度的檢測(cè)都采用靜態(tài)法檢測(cè)，由于檢測(cè)手段的落后，嚴(yán)重制約了我國(guó)滾珠絲杠的質(zhì)量。七十年代以來(lái)，有關(guān)的生產(chǎn)、研究單位致力于滾珠絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x的研制工作，實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)測(cè)量到動(dòng)態(tài)測(cè)量的跨越。隨著對(duì)滾珠絲杠副性能要求的不斷提高，先進(jìn)、便捷的檢測(cè)手段成為提高滾珠絲杠副質(zhì)量的可靠保證。國(guó)內(nèi)外許多滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家除了致力于改革加工工藝外，都把檢測(cè)手段的更新?lián)Q代放在優(yōu)先的地位。
滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終不脫離絲杠表明的循環(huán)方式，稱為內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)的工作圈數(shù)一般是一列只有一圈。在螺母的側(cè)孔內(nèi)，裝有接通相鄰滾道的回殊裝置（稱為反向器）。借助反向器上回珠槽的作用，迫使?jié)L珠沿滾道滾動(dòng)一圈之后，翻越過(guò)絲杠螺紋滾道牙頂，重新回到初始滾道，構(gòu)成了一圈一個(gè)循環(huán)的滾珠鏈，故又稱為單圈內(nèi)循環(huán)。單幽內(nèi)循環(huán)的列數(shù)通常為２～４列，最多可達(dá)到６列，相應(yīng)的說(shuō)，一個(gè)螺母上則需要裝２～４個(gè)或６個(gè)反向器。為使?jié)L珠螺母的結(jié)構(gòu)緊湊些，這些反向器沿螺母圓周是均勻分布的，即對(duì)應(yīng)于積列、三列、四列或六列結(jié)構(gòu)，反向器的軸向間距視反向器的結(jié)構(gòu)形式而不同，選擇時(shí)應(yīng)盡可能使螺母尺寸緊湊些。
由于單圈內(nèi)循環(huán)是以一圈為列，因而滾珠較少，運(yùn)行阻力減少，啟動(dòng)容易，滾珠流暢性好，靈敏度較高：摩擦損失少，傳動(dòng)效率較高；滾珠回程較短，剛性較好，使運(yùn)轉(zhuǎn)精度得到提高；螺母徑向尺寸小，且零件數(shù)減少，裝配簡(jiǎn)便，適于批量生產(chǎn)。但是不足的是反向器回珠槽為空間曲面呈ｓ形，用普通設(shè)備加工較困難，需要采用數(shù)控機(jī)床或仿形機(jī)床加工，設(shè)備費(fèi)用較高。目前我們國(guó)家較多采用二軸半聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床來(lái)加工內(nèi)循環(huán)式反向器。此外采用這種循環(huán)方式對(duì)滾珠螺旋副的公稱直徑，絲杠外徑、螺紋滾道牙形與接觸角、牙頂圓角等加工要求較高。
要得到高精度的滾珠絲杠，除對(duì)絲杠、螺母提出很高的制造要求外，反向器軌道設(shè)計(jì)也直接影響到滾珠絲扛的工作性能。因此，反向器軌跡的設(shè)計(jì)是滾珠絲杠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。作為內(nèi)循環(huán)滾珠螺旋傳動(dòng)的關(guān)鍵元件之一，反向器的工作性能的好壞，將直接影響傳動(dòng)的質(zhì)量。反向器按其定位方式不同，可分為固定式和浮動(dòng)式兩種；而每一種反向器又有兩種結(jié)構(gòu)形式， 即扁圓形反向器和圓形反向器。
扁圓形反向器的結(jié)構(gòu)是一個(gè)扁圓形鑲塊，緊固在螺母上的扁圓孔中。反向器上銑有Ｓ形的回珠槽。其優(yōu)點(diǎn)是軸向尺寸短，結(jié)構(gòu)緊湊而美觀。缺點(diǎn)是扁圓孔的加工、測(cè)量較為困難，不容易保證精度，裝卸也較為麻煩。
圓形反向器類似一個(gè)帶凸鍵的圓柱鑲塊，反向器上也銑有Ｓ形的回珠槽，它是用圓柱面和凸鍵同時(shí)定位的。它的優(yōu)點(diǎn)是加工測(cè)量都比較容易。但采用該反向器的缺點(diǎn)是，使螺母的軸向尺寸增大（尤其是在大螺距的情況下）。由于采用圓柱面和凸鍵同時(shí)定位，則反而使反向器安裝調(diào)整變得困難了。
浮動(dòng)式反向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，反向器與滾珠螺母上的安裝孔保持有0.01～0.015ｍｍ的配合間隙。在反向器的外圓弧面上車出對(duì)稱圓弧槽（槽寬約為0.8Ｌ，Ｌ——導(dǎo)程），槽內(nèi)安裝拱形片簧。借助于片簧的彈力，始終給反問(wèn)器一個(gè)徑向推力，使位于回珠槽內(nèi)的滾珠始終與絲杠表而保持一定的壓力，這樣，槽內(nèi)滾珠就代替了定位鍵而對(duì)反向器起到白定位作用。
浮動(dòng)式反向器的優(yōu)點(diǎn)是在高頻‘浮動(dòng)’中達(dá)到回珠槽進(jìn)出口的自動(dòng)對(duì)接，從而為滾珠返回提供流暢的通道口，因此具有較好的摩擦特性，預(yù)緊后的空載摩擦力矩Ｔ預(yù)空為固定式反向器的1/3~2/3，當(dāng)預(yù)緊力增大時(shí)，而Ｔ預(yù)空上升平緩。滾珠在返回過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力矩Ｔ預(yù)反與Ｔ預(yù)空的比值（即Ｔ預(yù)反／Ｔ預(yù)空）最小，且結(jié)構(gòu)工藝性好，裝配簡(jiǎn)便，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中工作可靠。這種反向器適用于各種高靈敏度、高剛度要求的精密進(jìn)給系統(tǒng)。但其缺點(diǎn)是，不適用于重載，多頭絲杠副以及大導(dǎo)程、小導(dǎo)程的滾珠絲杠副。
浮動(dòng)式反向器滾珠絲杠副是目前最有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)形式，并且正在逐漸取代固定式反向器的滾珠絲杠。
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