直线滚动导轨的特点及选用

直线滚动导轨的特点及选用

摘要：介绍了直线滚动导轨的性能特点及选用时涉及到的一些性能参数。

关键词：直线滚动导轨；寿命

1、直线滚动导轨的特点

直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：

1.1 定位精度高

直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。

1.2 降低机床造价并大幅度节约电力

采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。

1.3 可提高机床的运动速度

直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。

1.4 可长期维持机床的高精度

对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。

与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。

2、宜线滚动导轨的寿命

在选用直线滚动导轨时，应对其本身的寿命进行初步验算。

当直线滚动导轨承受负荷并做滚动运动时，导轨面和滚动部分(钢珠或滚柱)就会不断地受到循环应力的作用，一旦达到临界值，滚动表面就会产生疲劳破损，在某些部位产生鱼鳞状剥离，这种现象称为表面剥落。

所谓直线滚动导轨的寿命，就是指导轨表面或滚动部分由于材料的滚动疲劳而发生表面剥落时为止总行走距离。

直线滚动导轨的寿命具有很大的分散性。即使同批制造的产品，在同样运转条件下使用，其寿命也会有很大的差距。因此，为了确定直线滚动导轨的寿命，一般使用额定寿命这一参数。

所谓额定寿命是指让—批同样的直线滚动导轨逐个地在相同的条件下运动，其中90%的总运行距离能达到不发生表面剥落。

对于使用钢珠的直线滚动导轨，额定寿命L为：

(1)

对于使用滚柱的直线滚动导轨，额定寿命为：

式中L：额定寿命．km；

C：基本额定动负荷，kN；

P C：计算负荷，LN；

f H：硬度系数；

f T：温度系数；

f C：接触系数，

f W：负荷系数。

由上述两式可以看出，直线滚动导轨的额定寿命受硬度系数f H、温度系数f T、接触系数f C、负荷系数f W的直接影响。

2.1 硬度系数

为了充分发挥直线滚动导轨的优良性能，与钢珠或滚柱相接触的导轨表面从表面到适当的深度应具有HRC58～64的硬度。如果因某种原因达不到所要求的硬度，会导致寿命缩短。计算时要将基本额定动负荷C乘以硬度系数f H。f H与导轨表面的硬度关系见图1所示。

2.2 温度系数f T

直线滚动导轨的工作温度超过100℃时，导轨表面的硬度就会下降，与在常温下使用相比，寿命会缩短，计算时要将基本额定动负荷C乘以温度系数f T，见图2所示。

同时，在高温下运行时，还应考虑材料产生的尺寸改变及润滑方式的不同。

2.5 接触系数

大多数情况下，为实现直线运动，至少要在导轨上安装两个以上的滚动滑块。然而施加在各个滑块上的负荷受安装精度和滑块自身精度的影响，不一定象计算值那么完全均等。因此，进行寿命计算时应将基本额定动负荷C乘以表1所示的接触系数f C。

2.4 负荷系数f W

在计算作用于直线滚动导轨上负荷时，必须正确地计算出因物体重量而产生的负荷，包括因运动速度变化而产生的惯性负荷和由于悬重部分而造成的力矩负荷。另外，

机床在作往复运动时，常常伴随着振动和冲击，特别是在高速运动时产生的振动及正常工作时因反复起动、停止等操作而产生的冲击等，往往很难正确地计算出来。因此，进行寿命计算时应将基本额定动负荷C乘以表2所示经验负荷系数f w。

若钢球在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触，称内循环；否则，称外循环。通常，把在同一螺母上所具有的循环回路的数目，称为钢球的列数，常用的有2~4列。而把每一循环回路中钢球所经过的螺纹滚道圈数（导程数）称为工作圈。

表3-1 钢球的循环方式

类别形式特点

内循环

优点:返回通道短,一个循环只有一圈钢球,流畅性好,摩擦损失小,效率高,径向尺寸小,刚性好

缺点:返向器钢球返回通道的曲面加工复杂

外循环端盖式

优点:结构紧凑,工艺性好缺点:循环回路长,流畅性差,钢球通过短槽时易卡住螺旋槽式

优点:结构简单,制造方便,承载能力大

缺点:钢球流畅性较差,挡珠器较易磨损

插管式

优点:结构简单,工艺性好,钢球的流畅性好,应用较广缺点:凸出式的插管凸出于螺母外部,径向尺寸较大

2)消除轴向间隙的调整预紧方式

滚珠丝杠副中的间隙对传动精度影响较大。当精度要求不高时，可采用单螺母，并对丝杠和螺母进行选配，或进行预紧以减小配合间隙。当精度要求较高时，常采用双螺母，通过调整两个螺母间的轴向位置，以消除轴向间隙，并进行预紧，提高传动的定位精度、重复定位精度及轴向刚度。预紧力一般约取最大轴向载荷的1/3。表3-2为几种常用的消除间隙和调整预紧的方式。

表3-2 消除间隙和调整预紧的方式

类型特点

垫片式结构简单,装拆方便,刚度高,但不易实现精确调整,螺纹滚道有磨损时,不能随时消除间隙和预紧。适用于重载传动和一般精度要求的场合

圆螺母式结构紧凑,工作可靠,调整方便。但容易松动,不够准确。一般用于刚度要求不高及需要随时调整预紧力的场合

齿差式

调整精度较高,要求较小时,所需齿数较多,结构尺寸较大,且齿圈的模数m较小,联接刚度较差,适用于高精度传动场合

3)螺纹滚道法向截型

螺纹滚道法向截型（或称滚道型面），是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道型面的交线的形状。

3.2丝杠的选型

初步选取丝杠数据见表3-3

表3-3 所选丝杠参数

公称直径/mm

导程/mm 20

5

滚珠丝杠的工作长度计算：

余量行程工作台

X方向丝杠的的工作长度计算：

Y方向丝杠的工作长度：

mm

X方向丝杠的工作载荷:

Y方向丝杠的工作载荷：

N

由于两方向丝杠的公况为，每天开机六小时，每年300个工作日。工作八年以上，依工作要求和工作条件，初选外循环插管式，预紧采用双螺母型，圆螺母调隙，导珠管凸出式，3级精度，定位滚珠副，丝杠材料：nrWMC钢；滚道硬度为58~62HRC，螺纹右旋，型号为CLT-2004-3.5-P3，WCNCoaa24700

。丝杠的传动精度为

丝杠的转速：

丝杠的工作载荷：

F=800N

3.3丝杠的校核

寿命计算：

8850

FKKKKKCn

L

HFhoe

满足寿命要求。

式中 F――轴向载荷，取F＝800N;

hK――寿命系数,

1072.3)500/(3

hL――工作寿命,取hL=15000 FK――载荷系数,取FK=1.2 HK――动载荷硬度影响系数,取HK=1.0 LK――短行程系数,取LK=1.0

nK――转速系数,取nK=0.5107 静载荷条件计算:

FKKCHFa

满足条件

螺母长度72mm, 余程为 10mm X方向螺纹长度

取支撑跨矩丝杠全长最大为780mm Y方向螺纹长度:

L=500+350+20=870mm

取支撑跨矩:

丝杠全长最大为910mm

F—F 支撑方式的丝杠不受压缩力作用，不校核压杆稳定性丝杠弯曲振动临界转速:

222222

2

2

查表，

min

/250min/1.105706.001714

预拉深量：取温升co

5.3

螺纹深长量:

丝杠的全长深长量：

取预拉伸量：

预拉伸力：

NNLE

AFt3800

01.30174

.0101.201714.04

105.411

2

60

'

所选丝杠预拉伸力满足要求。

3.4丝杠设计中应注意的问题

丝杠由于其精度要求高,制造比较复杂,所以在设计过程中应注意如下问题: 1)受力合理

为了保证定位精度，除考虑丝杠刚度外，还应在结构布置上尽可能使螺母和丝杠同样受拉或受压,以使两者轴向变形方向一致,减少螺母与丝杠之间的导程变形量之差。此外,滚珠螺旋传动应尽量避免承受径向载荷,以免使丝杠弯曲,若丝杠上有齿轮等产生径向载荷的元件,则应使其尽可能靠近丝杠,螺母所受的倾覆力矩,力求部件移动阻力的合力通过丝杠轴线。

2)防止逆转

滚珠螺旋传动反行程不能自锁,为了使螺旋传动受轴向力后不发生逆转,应设置防止逆转的装置:

①采用本身不能逆传动的电液脉冲马达或步进电动机等驱动元件。②采用可自锁的蜗杆传动等作中间传动机构。

③采用电磁或液压制动器，或选用本身带制动器的电动机。④采用能锁住某一方向传动的超越离合器。 3)安全装置

垂直安装的滚珠螺旋传动，容易发生螺母从丝杠螺纹滚道上脱出而造成事故，因此，在设计时应考虑设置防止螺母脱出的安全装置，如限位挡块或安全制动器等。

4)控制升温

选型：滚珠丝杠的选型过程中对滚珠丝杠本身需要注意的主要参数如下--

1---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，其他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---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），其他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。

3---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，如果你的长度超长（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---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，其他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---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。

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：

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。

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，否则厂家有可能不会提供无偿维护，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。

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，我所知的只有REXROTH可以达到这个精度。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，也就是说如果你选用的精度是C7，那么

与它是怎么制造出来的无关。事实上我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。

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