滚珠丝杠的发展趋势

　　基于“Hertz 弹性接触应力理论” 滚动体结构不断变化创新, 以适应高载、高速、高顺畅性要求。“滚动体” 从“滚珠” 到“滚柱”, 再从“一般滚柱” 发展为“球形短滚柱”、“特殊母线滚柱”、“行星式滚柱” 等新型滚动体, 由此派生出新产品。
　　
　　第一类为交叉滚柱丝杠副。试验表明: 在相同外力作用下, 滚柱产生的接触应约为滚珠的1/2, 最大弹性变形为滚珠的1/3, 其接触刚度可提高3 倍。它与滚柱直线导轨副的区别在于, 受结构的限制其滚柱的长度较短并交叉排列。该产品已用于全电动注塑机、重载CNC 压力机、龙门式加工中心等主机上。
　　
　　第二类为行星滚柱丝杠副。基于内部结构、运动机理和受力状态的差异, 行星滚柱丝杠副具有以下特点: 高刚度、高承载能力, 比同规格滚珠丝杠副高出3 倍以上(最高超过10倍)。承受冲击载荷的能力很强, 工作可靠, 使用寿命长。避开了返向装置对Dn 值的制约,在导程很小的情况下实现高速驱动, Dn≥14 万, 振动小、噪声低。丝杠轴是小导程角的非圆弧螺纹, 有利于达到较高的导程精度, 可实现精密微进给。一体化的螺母组件很容易从丝杠轴分离, 滚动体及相关零件不会散落, 便于安装维修。对恶劣环境(低温、粉尘、化学沉积、无润滑等) 的适应能力较强。目前能够生产行星滚柱丝杠副的国外企业有: INA (德国)、SKF (瑞典)、LSI (美国)、Rollvis (瑞士)、Transrl (法国)、Vcs. SPA (意大利)等, 国内则尚处于研制和单件生产阶段。根据这种产品的特点, 它主要被用于航空母舰、核潜艇、核电站、重型军事装备、冶金设备、重型数控机床等需要重载和高可靠性要求的场合。
　　
　　第三类为螺旋滚子往复式滚珠丝杠副。法国“Transrl” 公司生产了一种螺旋滚子往复式滚珠丝杠副“RHL”, 其直径为21 ~46mm, 导程为5 ~6mm。瑞典的SKF 公司也生产了同类产品, 其精度可达单个导程误差为±3μm, 累积导程误差为±10μm/300mm。其结构分标准型、预紧型和微动型三类。所具有的共同特点是承载能力比同尺寸的滚珠丝杠副传动高出2~5 倍, 静载能力提高1. 4 ~1. 8 倍, 传动效率可达93%, 双螺母预紧时可提高定位精度和系统刚度。作为微动结构, 可获得极小的进给速度。更为独特的是运动不可逆转, 不必加防逆装置。
　　
　　第四类为“滚珠蜗条” 新产品。日本NSK 公司研制的“滚珠蜗条” 新产品, 其工作原理与滚珠丝杠传动类似。蜗条可视为半块滚珠螺母, 把许多块蜗条连接排列在床身上面或工作台下面固定起来, 蜗杆分成两节套在轴上, 各节备有一条可循环的滚珠链。滚珠从蜗杆内设置的通道中返回, 两节蜗杆之间用调整垫片预紧, 另用半边钢瓦覆盖在蜗杆上, 随蜗杆移动使滚珠始终不能脱离蜗杆。其特点是, 蜗杆长度短, 而蜗条不受限制, 这就代替了使用10m 以上长度的大型丝杠传动, 不但解决了工艺制作难、成本高的问题, 而且还避免了刚度下降、惯性力矩增大的问题。
　　
　　2. 高性能产品
　　
　　要提高机床的生产效率, 就要提高机床的速度。在日本, 机床的进给速度每年都在刷新, 明显呈高速化趋势。为了满足高速的要求, 一般可选用大导程滚珠丝杠副, 但会引起负荷能力不足、刚度不足的问题。NSK 所开发的BSS 系列高速滚珠丝杠副, 具有低噪声、低振动特征。由于采用新的循环方式, 其Dn 值可达到22 万, 比现有的产品提高1 倍。而且噪声可降低5 ~7dB。另外, 由于不带钢球循环管, 与现有同类产品相比, 螺母的外径可以减小15% ~30%。根据需要, 还可加上高防尘密封盖及免维护的自动润滑元件, 并有中导程和大导程许多规格, 其产品得到了日本许多大型机床厂家的好评。为了保持滚珠丝杠副在国际市场上的竞争力, 产品必须具有质量高、成本低、品种新的特点。把单圈内循环滚珠丝杠副的扁圆形反向器革新为圆弧形浮动式结构, 其特点是反向器工作时可自动调位, 摩擦力矩比原固定式结构小2/3, 且滚珠流畅性好, 加工和装配工艺得到改善。这种新型结构已研制成功, 并形成了NFN、FNC 系列投入生产, 效果良好, 目前正在推广应用。
　　
　　3. 超规格产品
　　
　　滚珠丝杠副传动的产品规模向着微型和大型两个方面不断发展。如日本NSK 公司生产了一种MBS 系列的微型滚珠丝杠副, 其直径为4 ~ 14mm, 导程为1 ~ 3mm, 长度为100 ~160mm 五种规格。主要用于精密测量仪器、小型机床、电子计算机的打印、光学器械、半导体加工机械等设备上作进给传动。大型滚珠丝杠副主要用于重型机床、炼钢炼铁、起重机械、雷达天线定位器和原子能反应堆等设备上。如英国COVENTRY 精密量具公司制造的大型滚珠丝杠副直径为203mm, 长度为18. 3m, 用于炼钢设备上, 可承受动载荷1 000kN、静载荷2 000kN; 日本NSK 公司生产的BS 系列精密滚珠丝杠副, 直径为140mm, 导程为32mm, 长度为15m, 用于大型机床等大型设备上。目前该公司已制造出直径为300mm, 长度为16m, 自重只有9. 5t 的特大型滚珠丝杠副。美国的WARNER—BEAVER 公司生产的插管式外循环滚珠丝杠副, 直径达127mm, 长度为12. 5m, 用于数控机床、雷达天线定位器。
　　
　　4. 冷轧型产品
　　
　　普通型滚珠丝杠副主要是利用低摩擦和磨损小的特点, 对精度要求并不高, 甚至不作要求。丝杠采用冷轧滚压加工出螺旋槽, 无需再磨削, 材料为15CrMo、20CrMo、50CrMo、25CrMoAlA 等, 渗碳淬火后硬度可达55HRC 以上, 再进行磷酸盐薄膜处理以防锈。冷轧滚珠丝杠副尺寸固定, 生产率高, 价格低廉, 并能保持机械效率高、耐磨性好的特点, 因而得到普及和推广。如美国生产了用于工程机械的冷轧滚珠丝杠副, 日本生产了14 ~15mm 共七种规格的系列化标准R 型冷轧滚珠丝杠副。冷轧滚珠丝杠副的特点是, 可沿整个丝杠轧出螺旋槽, 根据机械装配要求, 用户可自由加工轴端尺寸, 因此用途甚广, 如医院病床、手术台、千斤顶、小型起重机、阀门开关等均可采用。国内普通型滚珠丝杠副的开发, 对冷轧滚珠丝杠副做了大量工作, 取得了相当大的进展, 目前已能生产冷轧型滚珠丝杠副, 填补了国内在滚珠丝杠副产品方面的空白, 主要用于普通机床。
　　
　　5. 特殊型产品
　　
　　为了满足高温、低温、无润滑、水下或露天等特殊工作环境要求, 又开发了“特殊型”滚珠丝杠副。目前主要用于航空和核工业。美国用于飞机上的特殊滚珠丝杠副占全部用量的30%以上, 主要供飞机襟翼和尾翼操纵系统、喷气发动机推力向开关和燃烧室喷嘴位置的调整装置。英国生产的特殊型内循环滚珠丝杠副, 用于飞机起落架操纵机构、直升飞机等。滚珠丝杠副传动用于核反应堆控制棒的驱动装置, 可防止反应堆发生危险。国内在特殊型滚珠丝杠副方面, 则研制了空心丝杠和沉淀硬化钢滚珠丝杠副, 用于航空航天工业、核工程等,发展较快, 潜力很大。
　　
　　目前电动式注塑机已占到注塑机总量75%。电动式对于液压式的比率在逐年增加, 电动式注塑机最大已做到了1 000t。注塑和合模部分要求很高的负荷承受能力, 特别是注塑部分的滚珠丝杠, 需把粘度较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 比较慢的速度, 在高负荷的状态下反复运动。对于注塑部分的滚珠丝杠副, 要求能在小行程下运动并具有良好的承受高负荷能力的主要特征。为满足电动式注塑机的高负荷要求, NSK 公司开发了处于世界领先水平的注塑机专用丝杠———HTF 系列滚珠丝杠, 目前在日本的电动式注塑机的市场占有率达80%。
　　
　　高性能数控机床离不开高性能滚动功能部件, 作为数控机床关键功能部件的滚动功能部件在精度保持性和性能可靠性方面问题非常突出, 急需进行技术攻关来解决。目前国内滚动功能部件高端产品市场大部分由国外厂家或外资企业所占领, 严重影响到我国高端数控装备的自主研发与国产化, 因此, 从精度保持性和性能可靠性入手, 提高滚动功能部件的性能和质量已成为国产滚动功能部件生产企业的当务之急, 直接影响到我国机床行业和装备制造业的发展。
　　
　　滚动功能部件主要分为三类: 精密滚动功能部件、高速滚动功能部件、重载滚动功能部件。对于精密滚动功能部件, 可靠性试验以精度指标检验为主, 并分析影响精度因素, 其可靠性评估以精度保持性为指标进行评估; 对于高速滚动功能部件, 可靠性试验以性能指标检验为主, 并分析影响产品性能因素, 其可靠性评估以性能可靠性进行评估; 对于重载滚动功能部件, 可靠性试验以寿命指标检验为主, 并分析影响寿命因素, 其可靠性以疲劳寿命进行评估。相对于精度和性能, 寿命则是滚动功能部件产品最主要指标, 寿命终止则代表产品完全失效。
　　
　　国外企业和外资企业在滚动功能部件精度保持性和性能可靠性方面技术领先, 开发了一些相关的试验与检测设备, 但一般仅限于作为本企业内部使用。国内滚动功能部件生产企业规模小, 在滚动功能部件精度保持性和可靠性技术方面大多基于经验模式, 虽然近几年开展了相关的可靠性试验方法与评估方法的研究, 但积淀还不够, 还需加大力气, 真正建立起滚动功能部件可靠性试验体系与试验规范。
　　
　　针对目前国产滚动功能部件在精度保持性和性能可靠性方面难以满足高端数控机床产品要求的这一现状, 必须对滚动功能部件精度保持性和性能可靠性进行系统研究, 尤其应该注重可靠性试验研究, 争取在国内滚动功能部件生产企业建立完善可靠性研究体系, 提高滚动功能部件使用性能, 进而提高其在高端产品市场的竞争力。
　　
　　滚动功能部件可靠性研究是一个系统工程, 主要围绕滚动功能部件精度保持性和性能可靠性, 从可靠性设计、可靠性分析、可靠性试验、可靠性评估和可靠性增长等方面进行方法与技术研究, 还包括相关试验与检测设备开发等。

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