滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器!
1、滚珠丝杠公称直径
即丝杠的外径,常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120,不过请注意,这些规格中,各厂家一般只备16~50的货,也就是说,其直径大部分都是期货(见单生产,货期大约在30~60天之间,日系产品大约是2~2.5个月,欧美产品大约是3~4个月)。公称直径和负载基本成正比,直径越大的负载越大,具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念:动额定负荷与静额定负荷,前者指运动状态下的额定轴向负载,后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是,额定负荷并非最大负荷,实际负荷与额定负荷的比值越小,丝杠的理论寿命越高。推荐:直径尽量选16~63。
2、滚珠丝杠导程
也称螺距,即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离,常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40,中小导程现货产品一般只有5、10,大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040(4位数前两位指直径,后两位指导程),其规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关,在输入转速一定的情况下,导程越大速度越快。推荐:导程尽量选5和10。
选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关,通常在:4、5、6、8、10、12、20中选择,规格较大,导程一般也可选择较大(主要考虑承载牙厚)。在速度满足的情况下,一般选择较小导程(利于提高控制精度);对于要求高速度的场合,导程可以超过20,对磨制丝杠而言导程一般可做到约等于公称直径(受磨削螺旋升角限制),如32(32*32)、40(40*40)等,当然也可以更大(非磨削,但极少考虑)。导程越大,同条件下旋转分力越大,周期误差被放大,速度越快。故一般速度很高的场合要求的是灵活,而放弃部分精度诉求,对间隙要求意义变小(导程精度偏差增大),因此,大导程丝杠一般都是单螺母。
3、滚珠丝杠长度
长度有两个概念,一个是全长,另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长,但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分,一个是螺纹全长,一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度,后者是指螺母直线移动的理论最大长度,螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量(如果需要安装防护罩,还要考虑防护罩压缩后的长度,一般按防护罩最大长度的1/8计算)。
在设计绘图时,丝杠的全长大致可以按照一下参数累加:丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度(轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量)+动力输入连接长度(如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量)。特别需要注意的是,如果的长度超长(大于3米)或长径比很大(大于70),最好事先咨询厂家销售人员可否生产,总体的情况是,国内厂家常规品最大长度3米,特殊品16米,国外厂家常规品6米,特殊品22米。当然不是说国内厂家就不能生产更长的,只是定制品的价格比较离谱。推荐:长度尽量选6米以下,超过的用齿轮齿条更划算了。
4、滚珠丝杠螺母形式
各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式,一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母(注意,单螺母和双螺母没有负载和刚性差异,这一点不要听从厂家销售人员的演说,单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能,另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍)。在安装尺寸和性能允许的情况下,设计者在选用时应尽量选择常规形式,以避免维护时备件的货期问题。推荐:频繁动作、高精度维持场合选双螺母,其场合选双且边单螺母。推荐:螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。
5、滚珠丝杠精度
滚珠丝杠按GB分类有P类和T类,即传动类和定位类,精度等级有1、2、3、4.....几种,国外产品一般不分传动还是定位,一律以C0~C10或具体数值表示,一般来说,通用机械或普通数控机械选C7(任意300行程内定位误差±0.05)或以下,高精度数控机械选C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下,光学或检测机械选C3以上。特别需要注意的是,精度和价格关联性很大,并且,精度的概念是组合和维持,也就是说,螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差,出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度。这是个可靠性的问题,与生产商的生产工艺有关。推荐:精度尽量选C7。
滚珠丝杠副在用于纯传动时,通常选用“T”类(即机械手册中提到的传动类),其精度级别一般可选“T5”级(周期偏差在1丝以下),“T7”级或“T10”级,其总长范围内偏差一般无要求(可不考虑加工时温差等对行程精度的影响,便于加工)。因而,价格较低(建议选“T7”,且上述3种级别的价格差不大);在用于精密定位传动(有行程上的定位要求)时,则要选择“P”类(即机械手册中提到的定位类),精度级别要在“P1”、“P2”、“P3”、“P4”、“P5”级(精度依次降低),其中“P1”、“P2”级价格很贵,一般用于非常精密的工作母机或要求很高的场合,多数情况下开环使用(非母机),而“P3”、“P4”级在高精度机床中用得最多、最广,需要很高精度时一般加装光栅,需要较高精度时开环使用也很好,“P5”则使用大多数数控机床及其改造,如数控车,数控铣、镗,数控磨以及各种配合数控装置的传动机构,需要时也可加装光栅(因“5”级的“任意300mm行程的偏差为0.023”,且曲线平滑,在很多实际案例中,配合光栅效果非常好)。
以上说的都是主要参数,在选用型号时还得用到以下参数:珠卷数,珠径,制造方式代码,预压等级等。分别说明如下:
6、滚珠丝杠珠卷数
这个参数一般标注在型号的导程后,如4010-4,这个“-4”就是珠卷数,因为有循环方式的问题说起来比较复杂,用户可以简单的理解为滚动体的循环圈数,“-4”就是4个循环,这个数值越大表示负载越大螺母长度越长。
7、滚珠丝杠珠径
这个参数是指滚动体的直径,型号中不会体现,但是在各厂家的技术参数表中会标识,一般与公称直径和导程相关,用户不必理会。但是有些用户因使用不当导致滚珠掉出螺母外需要重装滚珠时这个参数是要注意的,尺寸一般精确到0.001,当然,不推荐用户自行安装,否则厂家不会提供无偿维护,即使产品仍在保修期内。如有滚珠意外掉落的情况,应通知供应商协助安装。
8、滚珠丝杠制造方式代码
滚珠丝杠的制造方式主要是两种:轧制和磨制,前者也称滚轧制造或转造,一般用F表示。后者也称研磨制造。一般用G表示。因工艺的不同,两者能达到的精度等级不同,目前,轧制方式能达到的最高精度是C5级,而磨制可以成产出更高精度的产品。不过请注意,两种制造方式与精度、性能没有逆向必然性,也就是说如果选用的精度是C7,那么与是怎么制造出来的无关。事实上碰到许多厂家的专业销售人员都未必知道两者之间的详细区别,所以多说几句:轧制属于批量制造,磨制属于精确制造,前者的生产效率远远高于后者,但是前者的制造设备成本也远远高于后者。换句话说,磨制丝杠的进入门槛较低,轧制生产的进入门槛较高,能生产轧制丝杠的厂家一般也能生产磨制丝杠,而能生产磨制丝杠的厂家不一定能生产轧制丝杠。所以,同精度产品如果该可以买到轧制品就不要买磨制品,原因很简单:便宜。另外说明一点,轧制和磨制仅指螺杆,螺母全是磨削制造。
9、滚珠丝杠预压
也称预紧。关于预压,用户不必了解具体预紧力和预紧方式,只需按照厂家样本选择预压等级即可。等越高螺母与螺杆配合越紧,等级越低越松。遵循的原则是:大直径、双螺母、高精度、驱动力矩较大的情况下预压等级可以选高一点,反之选低一点。
②通过马达及对速度的要求来确定丝杠轴承导程;
④通过负载及速度分布(加减速)来确定平均轴向力和转速;
⑤通过平均轴向力确定预压力;
⑥预期寿命,轴向负荷,转速确定动额定负荷;
⑦基本动额定负荷,导程,临界转速,DmN值限制确定丝杠轴承外径及螺母形式;
⑧外径,螺母,预压,负荷确定刚性(机台设计);
⑨环境温度,螺母总长确定热变及累积导程;
⑩丝杠轴承刚性,热变位确定预拉力;
?机床最高速度,温升时间,丝杠轴承规格确定马达驱动扭矩及规格。
非标准件主要是国家没有定出严格的标准规格,没有相关的参数规定之外,由企业自由控制的其他配件。非标准件有很多品种,目前没有很规范的分类。大致分类如下:
金属非标准件:
由客户提供图纸,厂家根据图纸利用设备制作出相应的产品,通常是模具居多,公差要求,光洁度都是客户规定的,没有一定的范式。产品从铸造到精加工完全需要相应的质量控制,工序复杂且可变性大,一般成本高于标准件。
非金属非标准件:
是一些非金属材料的加工。诸如塑料,木材,石材等,近年来,注塑行业,塑料模具的发展日益精进,曲面设计,编程数控的引用,使得非标加工的成本和公差等级都有了很大的提升。非标产品指不是按照国家颁布的统一的行业标准和规格制造的产品或设备,而是根据自己的用途需要,自行设计制造的产品或设备。且外观或性能不在国家设备产品目录内。
为了满足大工业生产的需要,将已生产的,经使用证明性能良好的机械设备进行定型,并且系列化,称为标准产品。而根据用户要求,在标准产品的基础上,生产、改造或定做的产品称为非标产品。
标准化、系列化的产品主要适用于通用的机械设备,实际在设计一个新的工业装置时,有部分设备是专用的,无法在已有系列化的单子中找到,需要进行单独的设计制造的,而且将来的通用性也不会高,这类设备称谓非标产品。
目前,提到非标产品场合比较多的领域,主要是化工和石油化工行业。因为该行业的产品众多,工艺千差万别,因此非标产品也较多。
端盖式滚珠丝杆:端盖式外循环是较早期的结构,它是在螺母壁厚上钻有一个纵向通孔作为滚珠的返回通道,螺母两端面装有铣出短槽的盖板,短槽端部与螺纹滚道相切,并可引导滚珠进入回珠通孔构成闭合回路。其特点是结构简单,装拆方便,工艺性好,且作用可靠。但滚珠通过短槽进出口时要作急剧转弯,影响了滚珠的灵活与流畅性,且滚珠螺母的径向尺寸很大。目前日趋减少,有被淘汰之势。
滚珠循环方式与特点:
在一个螺母上具有独立运动的滚珠链数目称为列数。如果只有一条独立运动的滚珠链,成为单列;有两条者,称为双列;两条以上者,称为多列。而一条独立运动的滚珠链的滚珠数(即一列中的滚珠数),称为工作滚珠数。工作滚珠循环中绕经螺纹滚道的圈数,称为工作圈数。一般情况下,一列中工作滚珠的总数不超过150颗。因为在一列中滚珠数越多,传动效率越低,运行阻力越大,特别是启动更加困难,甚至产生阻滞,出现卡球现象。
滚珠丝杠精度等级划分的基本原则是在传动中,实际移动距离和理想移动距离的偏差,偏差越小,精度越高,其中有分为三种情况,一是旋转一周的运行精度;二是整根滚珠丝杠的运行精度;三是任意300的运行精度,一般情况下说的精度是任意300的精度。
滚珠丝杠副根据使用范围分为定位型(P)和传动型(T)两种。根据精度要求分为7个精度等级,即1、2、3、4、5、7和10级。1级精度最高,依次递减。
P5是国内标准,精度等级是5级,任意300mm行程内行程变动量为0.023mm,这个精度一般表示成P5=0.023,国产丝杆使用多。
C7是JIS标准,精度等级是7级,任意300mm行程内行程变动量为0.050mm,也就是C7=0.050,一般日本,台湾产使用的表示方法。
由此可见滚珠丝杠的P5精度要比C7精度高。
国内的等级精度分为P1,P2,P3,P4,P5,P7,P10这7个等级,JIS等级精度分为C0,C1,C3,C5,C7,C10这6种精度,不过现在台湾也出现C2和C6,这两种精度,P5的精度等级介于C5和C7之间,与出现的C6=0.025基本可以等同。