摘要：絲杠作為機(jī)床傳送動(dòng)力及定位的關(guān)鍵部件，是機(jī)床性能的重要保證。因此對于總機(jī)設(shè)計(jì)來說選取正確的絲杠應(yīng)是一項(xiàng)十分重要的工作。本文將從設(shè)計(jì)角度講述如何選用絲杠，包括在設(shè)計(jì)中所必需的參數(shù)計(jì)算。
關(guān)鍵詞：絲杠，機(jī)床，定位

前言

隨著國內(nèi)機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，大家對絲杠的使用負(fù)載、速度、精度壽命要求越來越高，因此對于絲杠的設(shè)計(jì)者來說，絲杠的負(fù)荷問題、熱變形問題、定位精度問題、使用壽命問題等都要有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。

1、HDL50三坐標(biāo)加工單元對絲杠負(fù)荷的具體要求

2007年10月，大連機(jī)床集團(tuán)加工中心所自行研制開發(fā)HDL50三坐標(biāo)加工單元，其對絲杠有著嚴(yán)格的技術(shù)要求，要求其快移速度v=54m/min，加速度為a=0.5g，動(dòng)載荷,C=58200N，靜載荷158000N，螺距P=20mm（由FANUC伺服電機(jī)a30/3000i決定），行程ST=800mm，采用一端固定另一端支持的安裝方式。其結(jié)構(gòu)如圖1：

1、旋緊螺母 2、法蘭盤 3、軸承
4、承載重物 5、端蓋 6、電機(jī)支座
7、軸承座 8、軸承壓蓋9、絲杠 10、絲杠螺母
11、法蘭盤12、軸承13、聯(lián)軸器 14、電機(jī)
圖1

1.1軸向負(fù)荷的計(jì)算

1.1.1（水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)）

螺母及承載重物水平的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖2，其軸向負(fù)荷分析如下：

向左等加速運(yùn)動(dòng)：Fa1=μ×mg+f+ma
向左等速運(yùn)動(dòng)：Fa2=μ×mg+f
向左等減速運(yùn)動(dòng)：Fa3=μ×mg+f-ma
向右等加速運(yùn)動(dòng)：Fa4=-μ×mg-f-ma
向右等速運(yùn)動(dòng)：Fa5=-μ×mg-f
向右等減速運(yùn)動(dòng)：Fa6=-μ×mg-f+ma

a=Vmax/T

Vmax：為最高速度
T：達(dá)到最高速度所用時(shí)間
m：總質(zhì)量，指螺母帶動(dòng)的所有物重
μ：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)
f：無負(fù)荷時(shí)的阻力

圖2

由此可得向左等加速運(yùn)動(dòng)或向右等加速運(yùn)動(dòng)時(shí)螺母的載荷最大，因此在設(shè)計(jì)軸向載荷時(shí)應(yīng)該主要參考此數(shù)值。

Fa1=μ×mg+f+ma=0.01×2150×9.8+100+2150×0.5×9.8
=10845.7N

1.1.2（垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng))，如圖3，其軸向負(fù)荷分析如下：

上升等加速運(yùn)動(dòng)：Fa1=μ×mg+f+m(a+g)
上升等速運(yùn)動(dòng)：Fa2=μ×mg+f+mg
上升等減速運(yùn)動(dòng)：Fa3=μ×mg+f+m(g-a)
下降等加速運(yùn)動(dòng)：Fa4=m(g-a)-μ×mg-f
下降等速運(yùn)動(dòng)：Fa5=mg-μ×mg-f
下降等減速運(yùn)動(dòng)：Fa6=m(g+a)- μ×mg-f

由此可得上升等加速運(yùn)動(dòng)時(shí)螺母的載荷最大，因此在設(shè)計(jì)軸向載荷時(shí)應(yīng)該主要參考此數(shù)值。

Fa1=μ×mg+f+m(a+g)= 0.0l×328×9.8+100+328×1.5×9.8
=4953N

1.2絲杠軸容許軸向負(fù)荷

因工作臺(tái)、主軸箱、工件等自重，對絲杠本身產(chǎn)生的壓縮負(fù)荷，所以必須驗(yàn)算對絲杠挫屈的安全性。如下公式分析：

a:安全系數(shù)（取a=0.5)E:彈性系數(shù)
I：絲杠軸牙底直徑（I=πdr4/640N/MM2)
dr:絲杠軸牙底直徑（dr=絲杠節(jié)圓直徑-鋼珠直徑mm)
L：安裝間距（絲杠兩端安裝的相對距離)
m、N:依據(jù)絲杠安裝的方式而定的系數(shù)

支持-支持  m=5.1(N=1)
固定-支持  m=10.2(N=2)
固定-固定  m=20.3(N=4)
固定-自由  m=1.3(N=1/4)

1.3 基本靜額定負(fù)荷Co

即絲杠軸向靜止的負(fù)荷，是絲杠承受絲杠溝槽與鋼珠接觸點(diǎn)（即螺母與絲杠軸)的永久變形量和鋼珠本身的永久變形量的總和達(dá)到鋼珠直徑的0.01%時(shí)的最大的軸向力，此負(fù)荷即為基本靜額定負(fù)荷。

1.4 基本動(dòng)額定負(fù)荷Ca

動(dòng)負(fù)荷是指一批相同規(guī)格的絲杠以相同條件轉(zhuǎn)10次，其中90%的絲杠不會(huì)因?yàn)槠诙a(chǎn)生剝離現(xiàn)象。此軸向負(fù)荷為動(dòng)額定負(fù)荷。

2、HDL50三坐標(biāo)加工單元絲杠定位精度

在機(jī)床進(jìn)給精度的誤差中，導(dǎo)程精度、進(jìn)給系統(tǒng)的剛性是研究的重點(diǎn)，其他像因溫升產(chǎn)生的熱變形和導(dǎo)引面的組裝精度等因素也須加以考慮。

2.1絲杠熱變形的解決辦法

絲杠軸因熱而伸長變形，會(huì)導(dǎo)致定位精度的變化。熱變形的多少可以由下列公式計(jì)算：

上式可以解釋為1000mm長的絲杠在每升1℃就會(huì)有產(chǎn)生12μm的伸長量。因此即使絲杠軸的導(dǎo)程經(jīng)過高精度的加工，也會(huì)因溫升產(chǎn)生的變形而無法滿足高精度的定位要求。另外絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越高，則平均溫升也相對提高，熱變形也就越大。因此必須想出辦法解決此問題，如下有三種解決的方案：

(1)控制發(fā)熱量：

a：選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力。
b：選擇正確且適量的潤滑劑。
c：加大滾珠絲杠的導(dǎo)程、降低轉(zhuǎn)數(shù)。

(2)施加強(qiáng)制冷卻

a：采用中空絲杠，利用冷卻液通入，將產(chǎn)生的熱量帶走。
b：絲杠軸外緣以潤滑油或空氣冷卻。

(3)避免溫升的影響：

a：求出累積導(dǎo)程誤差的目標(biāo)值取負(fù)值補(bǔ)正。
b：待機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫升后，再使用。
c：絲杠安裝時(shí)施加預(yù)拉力。
d：使用光柵尺進(jìn)行誤差補(bǔ)償；采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2HDLSO絲杠熱變形的具體計(jì)算

根據(jù)軸承的負(fù)荷能力，累計(jì)導(dǎo)程的目標(biāo)溫升3℃

3、絲杠的壽命

絲杠在正常使用狀態(tài)下，在經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)因?yàn)楦鞣N原因惡化而無法使用，這段時(shí)間就是它的壽命。一般分為兩種：

a．疲勞壽命：即發(fā)生剝離現(xiàn)象時(shí)。b．精度壽命：因磨損而使精度惡化時(shí)。

3.1壽命的計(jì)算

疲勞壽命有三種表達(dá)形式：

a：總回轉(zhuǎn)數(shù)b：總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間c：總行程

長的壽命會(huì)使選擇的絲杠的尺寸太大，造成不經(jīng)濟(jì)的結(jié)果，因此大部分都會(huì)選擇在10000小時(shí)到20000小時(shí)。

4、結(jié)束語：

本文舉例簡要敘述了滾珠絲杠在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意的幾個(gè)最基本的要素，其他設(shè)計(jì)者也可以在設(shè)計(jì)中參考使用本文的計(jì)算；因?yàn)橹两裎覀儑鴥?nèi)的絲杠生產(chǎn)技術(shù)與國外還有很大的差距，因此對于我們設(shè)計(jì)者來說，應(yīng)該去學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)和方法，吸收并且消化，并把技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)，彌補(bǔ)國內(nèi)在某些技術(shù)方面的不足。