几种反向结构滚珠丝杠副性能对比试验分析

■陕西汉江机床有限公司 （汉中 723003） 李玉英 王建修 梁 锋

几种反向结构滚珠丝杠副性能对比试验分析

■陕西汉江机床有限公司 （汉中 723003） 李玉英 王建修 梁 锋

摘要：本文通过使用自主研发的试验台和测试仪器，对滚珠丝杠副的精度、性能、寿命、精度保持性及可靠性进行了试验，探索了影响滚珠丝杠副噪声、速度等指标的主要因素，选择出适合工作条件和工况的滚珠丝杠副结构。

滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件。随着切削技术的发展，对滚珠丝杠副的高速度、低噪声、低温升等性能提出了越来越高的要求。在我公司承担的重大专项课题 “汉江滚动功能部件产业化关键技术开发与应用”（2012ZX04002—011）中，将提高速度、降低噪声和温升作为主要研究任务。循环反向装置是影响上述指标的主要因素之一。目前国内常用的循环反向装置有外循环导管、内循环反向器和端面反向器等，其中端面反向器凭借安装方便、结构简单、运转流畅性好、轴向尺寸小和承载能力大的优点，已在国内外广泛推广应用。

由于我国滚珠丝杠副性能试验仪器研制起步较晚，测试仪器相对比较匮乏，我公司依靠重大专项的实施，自主研发了高速滚珠丝杠综合性能测量仪、重载滚珠丝杠副测量仪、滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪、滚珠丝杠副可靠性试验仪、直线导轨试验机及直线导轨综合性能试验仪等20余台测量测试仪器。

依靠自主研发的试验台和测试仪器，对几种反向结构滚珠丝杠副的精度、性能、寿命、精度保持性及可靠性进行了大量试验，探索了影响滚珠丝杠副噪声、速度等指标的主要因素。其中，对端面结构、外循环隔离垫和隔离钢球结构、外循环普通结构滚珠丝杠副分别进行了速度、加速度、噪声及温升试验。通过对试验结果分析，选择了适合工作条件和工况的滚珠丝杠副结构。

1. 试验内容

（1）试验产品规格：分别对普通外循环结构、外循环增加隔离钢球和隔离垫结构、端面结构的滚珠丝杠副进行性能试验，将试验结果进行对比。具体规格如下：①GQ50mm×20mm×1 586mm× 2 335m m，精度P2级，钢球φ5.953mm；FC2（Z）—5外循环结构。② Q50mm×20mm×1 586mm×2 335mm，精度P2级，钢球φ5.953mm，增加φ5.5mm隔离钢球；FC2（Z）—5外循环结构。③ GQ50mm×20mm× 1 586mm×2 335mm，精度P2级，钢球φ5.953mm，增加隔离垫；F C 2（Z）—5外循环结构。④GQ50mm×20mm×1 586mm× 2 3 3 5 m m，精度P 2级，钢球φ6.35mm；FD（Z）—5端面结构。

（2）试验步骤：分别将不同结构滚珠丝杠副安装在高速丝杠测量仪上，两端固定，噪声采集装置距离噪声源0.4m。在相同的测试条件和参数下，运转30个循环，分别测出速度、加速度及噪声等性能指标，噪声按最大值计；并在相同的运行速度和运行时间下，测量各种结构试验产品的温升。

2. 试验结果及分析

（1）加速度及速度：通过对循环反向装置优化和产品性能试验，研制的端面结构反向器可提高滚珠丝杠副的运行速度，但加速度没有明显提高；安装隔离钢球虽然可提高运行速度，但由于承载钢球减少了一半，导致承载能力降低50%，适用于高速度、低承载的使用场合。

（2）噪声：为提高滚珠丝杠副承载能力、降低噪声以及保障运转流畅性，研制了φ5.953mm钢球的隔离垫。考虑到增加隔离

垫后，如果一个循环链间隙太大，会造成隔离垫进入导管碰到舌头，影响运转流畅性和手感，严重时会发生卡死现象。通过精确计算，应保证循环链间隙在0.2mm以内。

将外循环安装隔离钢球和隔离垫、端面结构和不安装隔离元件的滚珠丝杠副在相同测试条件下，测试噪声并将试验结果进行对比，如图1所示。

对试验结果分析表明，端面结构和安装隔离钢球可以提高滚珠丝杠副的运行速度，但噪声明显增大。安装隔离垫滚珠丝杠副运行平稳，声音柔和，未出现振动现象；在静态和低速条件下，手感柔和，无发卡现象；与无隔离装置结构相比，噪声降低了约3dB，具有显著的降噪效果。

在丝杠承载方面，安装隔离钢球后，承载钢球减少一半，导致承载能力降低了50%；但安装自主开发的隔离垫后，1个循环链只减少了4个钢球，对承载能力基本没有影响。

（3）温升：在使用过程中，温升是导致滚珠丝杠副的定位精度和重复定位精度降低的主要原因之一。图2所示为端面反向结构、有恒温强制冷却和无强制冷却结构的滚珠丝杠副在一定的运行速度下，温升对比的试验结果。

试验结果表明，端面结构不能有效降低丝杠温升；通入恒温强制冷却液的滚珠丝杠副温升明显低于无冷却结构和端面反向结构滚珠丝杠副，在运行90min后，温升仍低于3℃。因此，在设计精密滚珠丝杠副时或要求定位精度高的机床上，可采用空心强制冷却结构来降低温升，提高精度。

在相同的运行时间下，温升随着速度的提高而增大。对图2中运行时间与温升试验结果进行分析，丝杠在运行前30min，温升上升最快，随着运行时间的延长，温升虽仍有所增加，但上升幅度明显降低。

图1　几种不同结构滚珠丝杠副噪声测试对比情况

图2

3. 结语

通过本次结构及反向装置改进、增加隔离垫等措施，初步达到了预期效果。试验表明，滚珠丝杠副改进后，速度和温升等指标明显改善，后续将在产品结构和循环反向装置等方面继续进行优化，致力于持续降低产品噪声。

收稿日期：（20150430）