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數控車床滾珠絲杠副的選型計（jì）算

2023-5-5 來源：南京工（gōng）藝裝備製造有限（xiàn）公司作者：馮宇

摘要 : 基從一般滾珠絲杠副的螺母選擇、螺母安裝及支撐形式等角度介紹了車床滾（gǔn）珠絲杠副的選型（xíng）思（sī）路，屬於（yú）選型計算校核過程（chéng）的前處理過程（chéng），能幫助車床設計者快速確定所需絲杠副的大類與螺母型號，具有參考與指導意義。

關鍵詞 : 數控車（chē）床 ; 選（xuǎn）型 ; 滾珠絲杠副

1. 序言

在臥式車（chē）床的（de）數（shù）控化改造或數（shù）控車床的新設計中，滾珠絲杠副作為數控傳動（dòng）係統的關鍵部件（jiàn）之一，其選型及安裝的合理性直接（jiē）影（yǐng）響到數控車床（以下簡（jiǎn）稱車（chē）床）的精度、壽命及性能。

目前，國內關於一般滾珠絲杠副（fù）的選型計算較為充分，如黃育全針（zhēn）對滾（gǔn）珠絲杠副的選型（xíng）提出了一個初步成（chéng）熟的算法。然而，車床行業的發展趨於功能專業化，如高（gāo）速、高精度的要求或大型重載的情況等，此時需要在螺母選擇、螺母安裝及絲杠支撐形式等（děng）方麵（miàn）作針對性選（xuǎn）型。

2. 滾（gǔn）珠絲杠副的螺母選擇

2.1 循（xún）環方式（shì）選（xuǎn）擇

滾珠絲杠副按循環方式的不同分為內循環和外循環，滾珠在循環過程中始終不離開絲杠表麵的稱為內循環 ; 反之，為外循環。常見的浮動式、矩陣式結構為內循環，插（chā）管式及端塊式或端蓋（gài）式（shì）結（jié）構為外循環，如圖 1 所示（shì）。

圖 1 常見滾珠螺母結構形式（shì）

在相同導程與（yǔ）承載滾珠圈數的情況下，內循環（huán）存（cún）在無滾（gǔn）珠（zhū）的滾道區域，故在軸向（xiàng）尺寸（cùn）上較長 ;而外循環在軸向尺寸上結（jié）構相對緊湊，但滾（gǔn）珠的循環（huán）路線（xiàn）需要額外（wài）占用螺母的徑向區域，即在相同情況下螺母的直徑會（huì）增大，需（xū）要根據車床的具體安裝部（bù）件的配合尺寸取舍。值得注意的是，同等條件下，外循環方式的 Dn 值比內循環方式更大，相（xiàng）同負載工況下能獲得（dé）更（gèng）高的壽命。

2.2 預緊方（fāng）式與預緊力選擇

為了保證絲杠副在車床上的重複定位精度，需保證滾珠螺母與絲杠之間無間隙，能夠根據旋轉角（jiǎo）度和導程間接測量軸向行程。此時在滾珠螺母與絲杠之（zhī）間需（xū）維（wéi）持預緊轉（zhuǎn）矩。螺母按預緊方式分為雙螺母墊片預緊、單螺母增（zēng）大滾珠直（zhí）徑（jìng）預緊和（hé）單螺（luó）母變位導程預緊等。

車床大多數情況受力為單向，即可不考慮（lǜ）對反向間隙的控製，出於對成本（běn）及車床安裝空間的考慮，推薦使用單螺（luó）母，預緊方式可以為增大滾珠（zhū）直徑（jìng）預緊。

雖然存在反向切削力，但相比（bǐ）正向時要小得多，在高精度的應用場（chǎng）景下，可以使用非對稱的雙螺母（mǔ）預緊方式。預緊方式仍為墊片式（shì），但法蘭螺母與直筒螺母的圈數可以不同（tóng），能在不影響正向進給預緊轉矩需求的同時降低螺母（mǔ）副長度，如圖 2 所示。

圖 2 非對稱雙螺母預緊方式

在（zài）相同條件下單螺母能節省安裝（zhuāng）空間，但雙螺（luó）母有著方便調整預緊（jǐn）力的優勢，即在一（yī）定使用年限（xiàn）後，能通過更換預緊墊片重新調整預緊力的（de）方式延長滾珠絲杠副（fù）的使用壽命。

預（yù）緊力根據車床進給係統的最大額定動載荷的一定比例選取。以我公司的企業（yè）標準為例，按預緊轉矩取額定動（dòng）載荷（Ca）的 3%、5% 和 7%，定（dìng）為輕度、中度和重度（dù）預（yù）緊。輕（qīng）度預緊多用於半精（jīng）車、粗車等精（jīng）度（dù）要求不高的車床上，大型車床為了（le）避免預緊轉矩的衰減可選用重度預緊。但是，預緊力過大（dà）會使摩擦（cā）力矩增大，從而（ér）增大溫升，反而不（bú）利於精度保持，一（yī）般情況下選用中度預緊。

3. 螺母安（ān）裝方式

3.1 螺母（mǔ）法蘭方向

單螺母滾珠絲杠副在采用一端固定、另一端的支（zhī）撐的支撐方式時，螺母（mǔ）有兩種具體安（ān）裝方式 :一（yī）種是螺母和工作台的聯接（jiē）法蘭靠近支撐端（duān）、遠離固定端 ; 另一（yī）種是螺母和工作台的聯接法蘭靠近固定端、遠離支撐端。以向左運動為例，兩種（zhǒng）安（ān）裝方式的受力如（rú）圖 3 所示。

圖 3 法（fǎ）蘭兩種方（fāng）式受力

研究表明，螺母與工作（zuò）台的聯接法蘭遠（yuǎn）離固定端相比靠近（jìn）固定端的安裝方式，鋼球（qiú）法向載荷與實際接觸角的波（bō）動減小，有助於（yú）減少疲勞磨損，提高車床的精度（dù）保持性與壽命，但對滾珠（zhū）絲杠軸向剛（gāng）度的影響不顯著。

對（duì）於雙螺母滾（gǔn）珠絲杠，由於預緊力的（de）作用，工作（zuò）螺母承擔大部分的軸（zhóu）向載荷，預緊螺母的受力（lì）不隨安裝方式變化，其安裝方式的選擇與單螺母（mǔ）類似。

3.2 雙法蘭螺母安（ān）裝

（1）雙法蘭螺母 “背（bèi）靠背” 安裝形式（見圖 4）常規雙螺母墊（diàn）片預緊方式的受力如圖（tú） 5 所示。圖中 P A、PB 為通過厚墊片（piàn）使螺母 1、螺母 3 發生軸向（xiàng）位移，使滾珠分別與絲杠滾道的兩個側麵接觸時，一個滾珠給予絲杠的作用力向左，另一（yī）個

給予的向右（yòu）。

圖 4 雙法蘭（lán）螺母“背靠背”安裝形式

1、3—螺母　2—絲（sī）杠　4—墊片

圖 5 雙螺母墊片預緊方式受力

摩擦力矩與滾珠（zhū）絲杠副的預緊（jǐn）力（lì） FP 為正相關關（guān）係 ; 預緊力（lì） FP 受兩（liǎng）螺母之（zhī）間的間（jiān）隙控製（zhì），兩螺母之間的連接剛度會嚴重影響預緊力，導致摩擦力矩波動，最終影響返程精度。圖 4 所示的雙法（fǎ）蘭螺母安裝形式可以顯著提高兩螺母之間（jiān）的連接剛度，進而提高了車床的（de）返程精度。如果車床設計上對圓弧插補有高精（jīng）度要求，就可使用該安（ān）裝（zhuāng）方式。

（2）雙法蘭螺母 “麵對麵” 安裝形式在大負載長絲杠的情況下，此（cǐ）時分散到螺母的受載（zǎi）滾珠上的載荷（hé）仍會很大，當螺母運行到遠離固定端時，絲杠的彎曲將會很大，會出現精度漂（piāo）移，此時宜采用 “麵對麵” 雙法蘭螺母安裝形式。與（yǔ）單法蘭安裝絲杠形式受力（見（jiàn）圖 6）不同，雙法蘭螺母“麵對麵（miàn）” 安裝形式中，絲杠的（de）受（shòu）力（lì）點由一個點變為一段區域，可（kě）以（yǐ）顯（xiǎn）著提高絲杠的抗（kàng）彎能力，如圖7 所示。但此時（shí）絲杠的預（yù）緊需通過調整螺母與螺（luó）母座之（zhī）間（jiān）的（de）間隙實現，即需要主機（jī）廠配（pèi）磨墊片完成。此安裝方（fāng）式多見於大型（xíng）數控車床、龍門立式銑床。

1—托板　2—絲杠　3—螺母座　4—法蘭螺母

圖 6 單法蘭安裝絲杠形式受力

1—托板　2—墊片　3、6—法蘭螺母　4—絲杠 5—螺母座

圖 7 雙法蘭螺母“麵對麵（miàn）”安裝形式受力

4. 絲杠（gàng）支撐（chēng）及軸承（chéng）選用

4.1 絲杠支（zhī）撐方式

滾珠（zhū）絲杠安裝形式的優劣（liè）很大程度上決定車（chē）床的運動精度與加工精度。常見安裝方式有 4 種（見圖 8）: ①一端固定，另一端（duān）自由。②兩端支撐。③一端固定，另一端支撐。④兩端固定。各安裝方（fāng）式所適用的加（jiā）工情況如下 : 方式①適用於低速回轉、絲（sī）杠較短的情（qíng）況 ; 方式②適用於中速回轉、精度不高的情況 ; 方式③適用於中速回（huí）轉、高（gāo）精度（dù）的（de）情況 ; 方式④適用於高速回轉、高精度的情況。

圖 8 支撐方式

基於高速高精的車（chē）床發展方向，現采用一端（duān）固定支（zhī）撐或者兩端固定的方式居多。研究（jiū）表明，兩端固定的絲杠（gàng）軸向剛度（dù）隨著長度按拋物線規律變化，最大變形值在絲杠的中點，一端固定、另一端支撐的形式則變形量隨（suí）著（zhe）遠離固定端的距離線性增大 ; 相同情況下（xià），兩端固定的軸向最大變形量要小（xiǎo），軸向剛度大，但存在安裝零部件增多、安裝調試複雜等問題（tí）。

在采（cǎi）用兩端固定方式的情況下，為了提高剛度，減（jiǎn）少因絲杠熱膨脹帶（dài）來的影響，需（xū）對絲杠采取預緊拉伸。一般（bān）建議每 1000mm 行程補（bǔ）償值C 取－（0.02~0.03）mm。但考慮到軸承的受力，絲杠直徑超過 50mm 則不宜預拉伸。

4.2 絲杠安裝軸承選用

車床上滾珠絲杠副的安裝（zhuāng）軸承推薦使用（yòng）滾珠絲杠副專用（yòng）軸承，即 60°接觸（chù）角的角接觸球軸（zhóu）承。其中（zhōng），“固定 - 自由” 與 “固（gù）定（dìng） - 支撐” 方式（shì）的固定端根據（jù）軸（zhóu）向力大小可（kě）選（xuǎn）擇三聯或多聯軸承組合。以（yǐ）受到向左的軸向力為（wéi）例，三聯軸承組合常見方式如（rú）圖（tú） 9 所示。

圖 9 常見固定（dìng）端軸承安裝形式（三聯）

麵對麵組配受力作用（yòng）線向內收斂，軸承間的有效支點距離縮小，承受傾斜力矩的能力較差（chà）。背靠背組配受力作（zuò）用線向外發散，軸承間的有效支點距離增大（dà），有較大的承受傾斜力矩的能力（lì）。“固定（dìng） - 自由” 與 “固定 - 支撐” 支撐方式下依靠固定端的精確安裝保證精度，故建（jiàn）議采用（yòng）麵對麵型（xíng），但在精度要求不（bú）高（gāo）或者其餘零件易幹涉的情況下，也可采用背靠背型，以降低安裝難度。多聯（lián）軸承的聯配方式以（yǐ）車床主要切削力方向決定是否對稱配置。以 “固定 - 自由（yóu）” 與 “固定 -支（zhī）撐” 方（fāng）式下的固定端采用四聯軸承為例，車（chē）床正向切削力為主時，四聯軸承采用（yòng）三正（zhèng）一反形式（shì）的非對稱安（ān）裝，保證軸承的單向最大承載能力 ;車床正反切削力差（chà）距不大（dà）時，采用二正（zhèng）二反對稱（chēng）配置，具體（tǐ）如圖 10 所示。麵對麵與背靠背安裝方式的選擇（zé）參（cān）考上述的三聯軸承安裝。

圖 10 常見（jiàn）固定端軸承安裝形式（四（sì）聯）

“固定 - 固定” 方（fāng）式下同樣需根據車床切削力的方向確定兩側軸（zhóu）承組配（pèi）方式，如圖 11 所示。圖（tú）11a 所示絲杠兩側的軸承均為兩個朝（cháo）右一個朝左布置，相（xiàng）比圖 11b 的對稱布置（zhì），可以承受更多（duō）的朝左邊（biān）軸向載荷。圖（tú） 11b 的（de）對稱布置對車床刀具正向移動和反向移（yí）動可以提供一致的承載能力。

圖 11 固定 - 固定方式兩側軸承布置

5. 選型思路

針對（duì）車床的（de）應用行（háng）業與被加工件的狀態可以優化滾珠絲（sī）杠副的（de）選型。

5.1 數量原則

在被加（jiā）工對象量少（shǎo）但（dàn）對精度要求相對很高的情況下，更推薦使用雙螺母預緊方式，可在長生命周期內保持滾珠（zhū）絲杠副的預緊力（lì），維持較長的精度保持期。

在被加工對象量大且對單位時間內產量（liàng）提高有強烈（liè）訴求的情況下（xià），推薦在滿足精度的情況下增大導程（chéng），同時可以考慮端塊式循環方式，能最大程度地提升返程速度。

5.2 材（cái）料（liào）原則

被加工件為有色金屬如銅、鋁時，對應的（de）載荷相對較小（xiǎo），但對精度要求較高，故在絲杠副選型時從低載（zǎi）荷、高精度情況考慮（lǜ）。

被加（jiā）工件為鋼鐵等較硬（yìng）材質時，需判（pàn）斷（duàn）車床所在的（de）工藝流（liú）程位置（zhì），一般情況下，粗車與半精車可（kě）以選低精度、高載（zǎi）荷的絲（sī）杠副，此時（shí）切削量大（dà），但對精度要求（qiú）不高。精車情況（kuàng）則是低載荷、高精度。

5.3 車床結構

出於可以安（ān）排更多的刀位考慮，很多先進（jìn）的數控車床采用斜床身布局。斜床身數控車床的布局可以直接影響 X 方向滾珠絲杠的間隙，重力直接（jiē）作用於（yú）絲（sī）杠的軸向，使傳動時的反向間隙幾乎為零。此時 X 軸向滾珠絲杠副可以選擇安裝尺（chǐ）寸更（gèng）小的（de）單螺母。

5.4 選型流程圖

滾珠絲杠副的選型過程可以簡化為圖 12 所示流程圖，可以初步判定車床用滾珠絲杠副的（de）直徑範（fàn）圍、預緊方式及循環方式，對應（yīng）到具體的（de）絲杠副大類型號（hào）。然後可以參考各絲杠副（fù）供應商的樣品目錄進行精確（què）選型，完成後續的校核計算。具體計算過程此處不再贅述。

圖 12 初步選型流程

6. 結束語

本文從滾珠絲杠副（fù）的安裝角度，為車床絲杠副的選型思（sī）路（lù）提供（gòng）了新的方向。從滾珠螺母的選（xuǎn）擇、滾珠螺母的安裝形式和絲杠在車床（chuáng）上的安裝（zhuāng）形式等方麵分析了常（cháng）見選擇的使用場（chǎng）景（jǐng）。提出了從車床使用場景出發，如加工零（líng）部件（jiàn）數量規模、被加工件的材質等角度的車床用絲杠選型思路，這屬於絲（sī）杠副選（xuǎn）型計算的前處理過程，為車床從（cóng）業者的滾珠絲杠副選型提供了參考。

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