影响滚珠丝杠副运动平稳性的原因及解决方法

陕西汉江机床有限公司 （汉中 723003） 马宇理 闫笃政

滚珠丝杠副是丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动或者将直线运动转变为旋转运动，它以传动效率高、精度高、精度保持性好、重复定位精度好、承载能力大、极限转速高而著称，被广泛应用于数控机床及其他高、精、尖数控产品，机电一体化产品等产品的传动与驱动当中。

滚珠丝杠副的运动性能包括运动精度和运动的平稳性两大项。运动精度包括定位精度、重复定位精度、返向误差等，它直接关系到机床的运动精度，进而影响到所加工零件的尺寸及形位精度；运动平稳性直接影响着机床的运动平稳性，直接导致它所驱动的元件——工作台的运动平稳性，继而影响到机床加工零件表面质量。

滚珠丝杠副的运动平稳性反映在运动部件上，具体表现为所驱动的运动元件的稳定性，最直接表现就是滚珠丝杠副所驱动的工作台运动过程中工作台平稳性。平稳性好，则工作台运行平稳，无颤动，加工零件质量符合要求；平稳性差，则工作台运行不平稳，严重时则出现工作台抖动、导致加工的零件表面出现振纹、零件表面粗糙度超差，同时使工件表面尺寸发生变化，造成被加工零件报废。具体原因为：滚珠丝杠副运动过程中动态预紧转矩（摩擦力矩）大小变化过大，在未装机的滚珠丝杠副中即单个滚珠丝杠成品中，主要表现为滚珠丝杠副在一圈转动中力矩的变动，滚珠丝杠副在整个运动行程中力矩大小的变化，以及运动中力矩突变有卡死现象发生。

滚珠丝杠副在一圈转动中出现力矩周期性变化主要原因之一是滚珠丝杠副装配质量差。返向元件与滚珠螺母滚道出入口对接的平滑度差。如附图所示，如果螺母滚道出口与返向元件轨道出口平滑过渡，滚动体在滚珠螺母滚道向返向元件轨道运动过程及返向元件轨道向螺母滚道运动过程中（在滚道出入口处）运动流畅，滚道与返向器接口无阻滞；反之，如果螺母滚道出口与返向元件轨道出口不是平滑过渡即螺母滚道比返向器轨道高或者螺母滚道比返向器轨道低（一般情况下螺母滚道比返向器轨道高），则滚动体在运动过程中出现运动受阻，造成运动不流畅，滚珠丝杠副运动平稳性差及丝杠动静态手感差。滚珠丝杠副中返向元件数量越多，出入口数量就越多，从零件装配性来看保证其平滑就越困难，运动平稳性就越差。

返向元件与滚珠螺母滚道出入口对接

在同样的循环圈数下，内循环结构比外循环结构的出入口数量多，而外循环结构又比端面返向结构出入口数量多，故从装配工艺性来看，内循环结构装配工艺性就要差，外循环结构次之，端面返向结构工艺性最好。这就是为什么高速运动的滚珠丝杠副优先选用端面返向结构，其次选用外循环杠结构形式，而极少采用内循环结构形式的原因所在。

滚珠丝杠副在一圈转动中力矩出现周期性变化主要原因之二：零件加工质量的影响，主要是滚珠丝杠螺纹滚道圆度与滚珠螺母螺纹滚道圆度的影响。因为在零件加工中，滚道均会产生圆度误差，当滚珠丝杠与滚珠螺母做相对旋转运动时，滚珠螺母绕丝杠转动做圆周运动，当二者的圆度误差较小或装配后转动中二者的低点与高点啮合时，运动就变得很平稳；当二者的高点与高点或者低点与低点啮合时，运动就变得异常不平稳。圆度误差越大这种现象就越明显，这时滚珠丝杠副在转动中就会出现半圈紧、半圈松的情况，导致滚珠丝杠副运动中出现抖动，严重时影响到机床工作台，致使其在运动中出现抖动，加工出的零件尺寸精度及形位误差、表面粗糙度超差。

影响滚珠丝杠副在整个运动行程中动态预紧转矩（摩擦力矩）大小变化的主要原因是，受滚珠丝杠副公称直径变动量即滚道中径尺寸平行度的影响。滚珠丝杠在加工中受切削刀具及刀具磨损的影响，公称直径尺寸即中径尺寸出现变化就成为无法避免的现实问题，这种情况只是不同的生产厂家，受加工工艺及加工设备、操作人员水平、加工工艺参数选择的不同，加工出的滚珠丝杠公称直径的尺寸变动量大小不同而已。工艺参数选择越合理，操作人员技术水平越高，采用的加工方法越先进的厂家，这方面就控制得越好，反之就越差。加工刀具磨损小、中径尺寸变动量小；反之中径尺寸变动量越大。在加工方式的选择上，目前加工螺纹的方法不外乎磨削、旋铣、冷挤压（轧制），这三种方法中，砂轮磨粒在磨削过程中产生磨损、脱落，进而导致砂轮直径的变化，最终影响到丝杠中径尺寸的变化，这种情况与所选砂轮的质量有直接的关系。这也是中经尺寸相对于其他两种方法最不易控制的加工方法。另滚珠丝杠副精度越高，公称直径尺寸变动量要求越高，在同样长度尺寸下，动态预紧转矩的变化就越小。

如何提高滚珠丝杠副运动的平稳性，首要问题就是要根据不同的使用情况，选择合理的循环结构形式；其次提高滚珠丝杠及滚珠螺母的零件加工精度即提高零件质量，严格控制滚珠丝杠及滚珠螺母滚道圆度及中径尺寸变动量，降低滚道表面粗糙度值；三是提高零件装配质量，保证装配中滚道与返向元件出入口平滑过渡；四是在加工及装配上解决的同时，再从滚珠丝杠副的安装使用上严格按要求进行，只有这样才可保证滚珠丝杠副运动过程中的平稳性，提高其运动精度。

以上只是作者对影响滚珠丝杠副运动性能的一些见解，不妥之处，共同探讨。