一種新型螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

引言

滾珠絲杠副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件,其因具備傳動效率高、剛度強(qiáng)、清潔無污染等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但目前數(shù)控機(jī)床上絕大多數(shù)采用絲杠旋轉(zhuǎn)帶動螺母直線運(yùn)動的進(jìn)給方式,這就導(dǎo)致傳動副轉(zhuǎn)動慣量大,振動嚴(yán)重,從而造成數(shù)控機(jī)床工作精度降低、剛性差。可以說,現(xiàn)有的絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型滾珠絲杠副是影響數(shù)控設(shè)備高精度、高速化、高剛性的關(guān)鍵因素。

為了消除絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型滾珠絲杠副的弊端,本文提出了一種螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副,其不僅保留了絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型的優(yōu)點(diǎn),還創(chuàng)新思考,將絲杠旋轉(zhuǎn)改為螺母旋轉(zhuǎn),通過設(shè)計螺母旋轉(zhuǎn)組合單元,可實(shí)現(xiàn)絲杠驅(qū)動型同樣的效果,即將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動。運(yùn)用該原理設(shè)計出的滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動慣量小、剛度強(qiáng),特別適用于長徑比大、載荷高的場合。

1螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副工作原理及防松、防塵原理

1.1基本工作原理

圖1所示為螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)示意圖

螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副為滾珠絲杠副的延伸產(chǎn)品,可分解為滾珠絲杠副(一級)與滾動軸承副(二級),因此可用二者的工作原理對該結(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行分析,具體如下:

(1)如圖1所示,一級工作原理即滾珠螺旋傳動原理,在絲杠與螺母旋合螺旋槽之間放置適量的滾珠作為中間傳動體,當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時,滾珠被推動在閉合回路中形成滾珠鏈,反復(fù)循環(huán)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動,或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。

(2)如圖1所示,二級工作原理是借助滾動軸承副實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈連接滾珠螺母外圓,外圈連接與工作臺相連的殼體,從而支撐滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)體,降低其運(yùn)動過程中的摩擦系數(shù),保持滾珠絲杠副的高效率傳動性特點(diǎn):同時,借助深溝球軸承實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)徑向定位,推力圓柱滾子軸承實(shí)現(xiàn)軸向承載,這又保證了滾珠絲杠副的承載能力。

1.2防松原理

如圖2所示,該防松結(jié)構(gòu)由精密徑向鎖緊螺帽、軸用彈性擋圈(A型)和止動墊片組成。由螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副運(yùn)動特性可知,正常工作狀態(tài)下的驅(qū)動螺母在有效行程往復(fù)高速運(yùn)動,長期如此,就會造成精密徑向鎖緊螺帽鎖緊效果失效,從而導(dǎo)致螺母旋轉(zhuǎn)自合單元整體結(jié)構(gòu)松動,存在安全隱患。為此,經(jīng)過創(chuàng)新改進(jìn),在精密徑向鎖緊螺帽右端添加止動墊片,這就使得精密徑向鎖緊螺帽軸向移動完全被限制,也就不存在整體結(jié)構(gòu)松動的可能性。因此,該防松結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單易實(shí)現(xiàn),大大提升了螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性。

1一防塵圈:2一軸用彈性擋圈(A型):3一止動墊片:4一精密徑向鎖緊螺帽:5一迷宮防塵圈。

圖2防松、防塵結(jié)構(gòu)示意圖

1.3防塵原理

如圖2所示,該防塵結(jié)構(gòu)由防塵圈和迷宮防塵圈組成。其中防塵圈沿襲了滾珠絲杠副的常規(guī)防塵裝置,起到對滾珠螺母內(nèi)部防塵及油封的作用。另外,在螺母旋轉(zhuǎn)組合體上采用迷宮防塵圈進(jìn)行密封,迷宮防塵圈就是人為地在泄漏通道內(nèi)加設(shè)許多個齒或槽,來增加泄漏流動中的阻力,使造成泄漏的壓差急劇損失。迷宮設(shè)計良好,泄漏通道兩端的壓差全部損失之后,即可實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)不漏。因此,在該結(jié)構(gòu)兩端分別增加迷宮防塵圈,保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部潤滑油或脂不泄漏,以延長運(yùn)行壽命。

2運(yùn)動分析和受力分析

2﹒1運(yùn)動分析

螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副,實(shí)際運(yùn)動原理與滾珠絲杠副大致相同,因此其運(yùn)動學(xué)分析與動力學(xué)分析可參照《滾珠絲杠副動力學(xué)與設(shè)計基礎(chǔ)》第二章所述,此處不再贅述。但螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副為一個組合單元,因此這里著重分析其機(jī)械效率。

滾珠絲杠系統(tǒng)的機(jī)械效率定義為輸出力矩與輸入力矩的比率:

輸出力矩與施加在螺母軸線方向上的負(fù)載有關(guān),可以寫成表達(dá)式:

輸入力矩與絲杠接觸面的摩擦力和作用在接觸面的法向力有關(guān),表達(dá)式為:

一般來說,滾珠絲杠副的效率隨著絲杠轉(zhuǎn)速的增加而降低,根據(jù)精度等級,滾珠絲杠副效率η一級可達(dá)到c0.5~c09。

而滾動軸承效率η二級可達(dá)到c09.~c099,加上螺母旋轉(zhuǎn)組合體采用微間隙緊密安裝,因此可以得出:

最終得出螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副傳動效率基本與滾珠絲杠副相同,這也是繼承自滾珠絲杠副的一大優(yōu)點(diǎn)。

2﹒2載荷校核及受力分析

本文以南京工藝xID.c16R_s1c_.規(guī)格型號為例,根據(jù)設(shè)計,該型號選擇的滾珠絲杠副為南京工藝IFZD.c16_.規(guī)格,校核其動靜載荷如下:

軸向額定靜載荷計算公式:

式中:Coa為額定靜載荷:kc為軸向額定靜載荷的特性系數(shù)::1為每一滾珠圈中有效承載滾珠數(shù):i為承載滾珠圈數(shù):α為接觸角:D+為滾珠直徑(mm):φ為導(dǎo)程角。

式中:Dp+為節(jié)圓直徑(mm):Ph為導(dǎo)程(mm)::u為每一滾珠圈中不承載的滾珠數(shù)。

式中:β11,β12,β21,β22為曲率半徑倒數(shù):frs為滾珠絲杠滾道的適應(yīng)度。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)求得軸向額定靜載荷Coa=96404kN。軸向額定動載荷計算公式:

式中:Ca為軸向額定動載荷(2):Ci為滾珠絲杠副單圈上的軸向額定動載荷(2):i為承載滾珠圈數(shù)。

其中:

式中:Cs為滾珠絲杠單圈上的軸向額定動載荷(2):Cn為滾珠里面單圈上的軸向額定動載荷(2):fc為幾何系數(shù):a為接觸角::1為每一滾珠圈中有效承載滾珠數(shù):Dw為滾珠直徑(mm):o為導(dǎo)程角:f1、fī、f3為幾何形狀系數(shù):frs為滾珠絲杠滾道的適應(yīng)度:y為結(jié)構(gòu)系數(shù):Dpw為節(jié)圓直徑(mm):frn為滾珠螺母體滾道的適應(yīng)度。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)求得額定動載荷Ca=ī41k2。

該型號選用的滾動軸承副包含深溝球軸承(GB/Tī76一61830,起定位作用)和推力滾子軸承(GB/T4663一81130,起承載作用),查詢軸承樣本得(以2BI為例),推力滾子軸承的額定動載荷Ca=ī70k2,額定靜載荷Coa=1005k2(此處軸承載荷校核過程省略)。

除此之外,還有關(guān)鍵零件"殼體"需進(jìn)行受力分析,如圖3、圖4所示。

圖3殼體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4A面受力分析

A面與B面分別受到軸承的剪切力,假如滾珠螺母往右運(yùn)動時A面受力,則B面不受力:同樣,滾珠螺母往左運(yùn)動時B面受力,則A面不受力。因此,對A面與B面的剪切強(qiáng)度校核如下:

A面受力分析,如圖4所示:

式中:T為剪切應(yīng)力(MPa):ws為剪切力載荷(2):A為截面積(mmī)。

剪切力載荷ws按滾珠絲杠副額定動載荷ī410002計算,截面積A=996īmmī,代入公式(ī3)得T=ī4MPa,查詢資料45鋼的許用剪切力[T]=146MPa。

得出T<[T],剪切強(qiáng)度校核合格。

同理,B面剪切強(qiáng)度校核合格。

綜上所述,滾動軸承副的額定動、靜載荷均大于滾珠絲杠副的額定動、靜載荷,因此該螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副載荷可以達(dá)到預(yù)期要求,且在此載荷下,關(guān)鍵零件的強(qiáng)度校核均合格。

3結(jié)論與展望

本文所述新型螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠副不僅保留了傳統(tǒng)絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn),而且完善了絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副的一些不足,具體如下:

(1)慣量低。相對于以絲杠旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式,以螺母旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式極大地降低了機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量,提高了系統(tǒng)的極限轉(zhuǎn)速,易于實(shí)現(xiàn)高速傳動,同時可使所選電機(jī)功率較小。

(2)剛度高。相對于以絲杠旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式,以螺母旋轉(zhuǎn)為主動驅(qū)動的方式布置在螺母外圓上的軸承尺寸規(guī)格大:同時因絲杠不旋轉(zhuǎn),其軸頸上無須安裝軸承,可以對絲杠施加更大的軸向預(yù)拉伸力,極大地提高整套滾珠絲杠副的剛度。

(3)多螺母驅(qū)動。可在一根滾珠絲杠上安裝多個旋轉(zhuǎn)螺母組合單元,多個工作臺被同時或分別各自驅(qū)動,其運(yùn)動互不干涉。

(4)設(shè)計、安裝簡便。旋轉(zhuǎn)螺母組合單元集多個功能部件于一體,設(shè)計簡化,便于安裝及調(diào)試。

(5)其他。因絲杠不轉(zhuǎn)動,其中部輔助支撐處無周向摩擦,不存在局部發(fā)熱問題:當(dāng)定位精度很高、考慮溫升影響而采用絲杠中空冷卻結(jié)構(gòu)時,因絲杠不轉(zhuǎn)動,冷卻接頭更易布置、安裝。

螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副的應(yīng)用,使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品在低耗、高速、高精度、高剛性等方面得到了改進(jìn)。目前,該產(chǎn)品已正式運(yùn)用于機(jī)械、紡織、船舶等行業(yè),而且反饋良好,值得推廣使用。這對我國振興制造業(yè),改變進(jìn)口模式,發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)具有重大意義。