1 精密滚珠丝杠介绍

　　滚珠丝杠自1874年在美国获得专利至今已有100多年历史，在我国也有40年的研制和生产历史。它的功能已从起初的“敏捷省能传动”(上世纪40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再从“大导程快速驱动”(80年代～)到“精密高速驱动”(90年代～)，在这过程中产品不断升级换代得到一次质的飞跃。
　　精密高速滚珠丝杠副的要求：驱动线速度达到60mm/min以上，加(减)速度在0.5～1.5g，精度达到国家标准GB/T18587.1～3(eqv ISO3408)中的②级、①级或更高，性能指标达到设计要求者，就可称之为精密高速滚珠丝杠副。
　　传统意义的精密滚珠丝杠副，只要求定位精度不要求速度。而导程角f>9°～17°的大导程和超大导程滚珠丝杠副，它虽然可实现100m/min以上的高速驱动，但由于精度只能达到国家标准3级以下，因此只能用在不要求精密定位的一般机械上。

2 精密高速滚珠丝杠的发展

　　当前，数控机床的高速化不断推动精密高速滚珠丝杠的发展。
　　将“空心强冷”技术用于精密高速滚珠丝杠副的日本NSK公司，1998年推出用于高速数控机床的NZC、NZF和NDF系列高速滚珠丝杠副产品，直径Ø36～55mm，导程16～30mm，d0n值150000，最高线速度100m/min，加速度1.3g，双头螺纹。为了增强丝杠轴的抗振能力，该公司发明了在中空丝杠孔内配置“内藏减振阻尼器”的专利技术，使临界转速Nc和d0n值进一步提高，用较简便的办法实现低成本提速，而且把行程范围扩大到4m以上，可实现长行程高速驱动。据介绍该公司在试验室已能使d0n值达到200000。我国台湾PMI银泰科技公司在空心强冷技术方面采取在一端封闭的空心丝杠中插入冷却油管的专利技术(台湾专利107485)，其特点是改变冷却液在丝杠体内的循环方式，达到良好的制冷效果，而且结构简单，当线速度为100m/min时可使温度变化控制在1℃内。该公司在CIMT′2001上展出FSW、FDW系列双头、多头高速滚珠丝杠产品及噪声测量装置，该产品d0n值130000～140000，线速度100～120m/min，噪声73dB(A)(80m/min时)，76dB(A)(100m/min时)。日本MaKino公司开发的电子冷却器控制系统可适时监控滚珠丝杠的温升，使其保持在允许范围内。
为了提高d0n值，改进滚珠循环返向装置和滚珠链的流畅性成为人们关注的焦点。

2.1 我国精密丝杠的发展

　　提高滚珠丝杠的制造精度和定位精度始终是制造企业的不懈追求。上世纪60年代我国精密机床联合攻关为精密机床螺纹磨削技术奠定了坚实基础。北京机床研究所在上世纪80年代研制成功的螺纹磨削激光反馈导程误差自动校正技术以及80年代末期完成的大导程滚珠丝杠副“七?五”攻关，为提高大导程角内外圆弧螺纹的磨削精度找到有效工艺途径。“九?五”期间汉江机床有限公司研制成功的SK7432型2m全封闭CNC丝杠磨床、HJ031型CNC滚珠螺母磨床、SK7450型5m大型CNC丝杠磨床，为精密高速滚珠丝杠副的发展提供了关键工艺装备。我国与工业国家螺纹磨削技术水平的差距正日益趋近。滚珠丝杠副在CNC伺服进给系统中提高定位精度的校正技术也不断完善。
　　小惯量滚珠螺母主传动技术趋于成熟并商品化。德国INA公司与Karlsruhe大学合作研制成功滚珠螺母高速旋转驱动装置，由于丝杠固定不转，避开了细长丝杠高速旋转带来的问题，驱动速度可达120m/min，加速度3g。该传动装置用于并联机床的P关节，可避免并联机构由于自身重量轻、阻尼小而带来丝杠高速旋转时的振动。德国“Rexroth-Star”公司2年前推出MHS40 drive Unit空心轴电动机滚珠丝杠副，直径Ø40mm，导程5、10、12、16、20、40mm共六种规格。其特点是空心AC伺服的转子与滚珠螺母刚性连接，在固定的丝杠上的n=3000r/min转速旋转同时进行高速直线驱动，Vmax=120m/min，借助位置反馈系统可获得高的定位精度。这种机电一体化产品大大简化了机械结构，具有惯量小、速度快、行程范围大等优点，已在高速加工中心上应用，具有较好的性能价格比。日本NSK公司已推出小惯量螺母旋转NDT系列产品，直径Ø32～50mm，导程20～50mm，转动惯量减小12%～21%，d0n值100000。在CCMT2002(上海)中国数控机床展览会上，台湾HIWIN上银科技公司推出螺母旋转式RI系列高速滚珠丝杠副，包括(名义直径×导程)16mm×16mm、20mm×20mm、25mm×25mm、32mm×32mm、40mm×40mm五个规格。
　　既节能又环保，贯彻ISO14001国际环境标准受到重视。21世纪的制造业，在向自动化、智能化、高速化发展的同时，必须把节能和环保放在重要位置。国外不少企业为了解决高速运转时润滑剂的雾化、蒸发对环境的污染及废油的回收问题，积极开展润滑、密封、防尘、防腐等方面的研究，NSK、THK、HIWIN、PMI等公司都先后推出防尘、自润滑、免维护新技术。例如:THK公司推出采用高含油率、高密度纤维网的“QZ自润滑装置”，NSK公司推出“NSK-K1”润滑装置等。而HIWIN公司2年前就获得ISO14001证书，紧随同行绿色制造的步伐，在EMO2001展会上推出的“Cool type1”精密高速滚珠丝杠新产品，d0n值高达200000。

3 滚珠丝杠精度等级

　　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，
各种螺杆长度之导程误差(单位为um)如下表所示:
　　
另外螺杆也有标示任意300mm长的精度 , 意即就是不论滚珠螺杆有多长 , 任取一段300mm?之的精度皆为规格中保证之精度以?,如下表所示:


3.1 机床定位精度要求与丝杠精度
　　滚珠丝杠的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级精度滚珠丝杆。
　　丝杠精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显。而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度。当L为丝杠螺纹有效长度时，L即为方向目标值T，在丝杠图纸上标示为负值。用户在定购滚珠丝杠时，必须提出滚珠丝杠的方向目标值。

　　提高传动的精度和刚度主要是提高进给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先是保证各个零件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外，在进给传动链中加人减速齿轮传动副，对滚珠丝杠和轴承进行预紧，消除齿轮、蜗杆等传动件的间隙，从而提高进给系统的精度和刚度。

3.2 丝杠的精度等级与公差
　　根据机械工业部颁布的JB2886?81《机床梯形丝杠和螺母的精度》规定，机床丝杆及其螺母分为6个等级，即4、5、6、7、8和9级，4级精度最高，9级精度最低，适用情况如下：
4级用于精度特别高的地方，如加工中心、螺纹磨床等。
5级和6级用作高精度的传动丝杠，如用于坐标镗床、齿轮磨床、不带校正装置的分度机构和测量仪器。
7级用作精确传动丝杠，如用于精密螺丝车床，镗床以及精密的齿轮加工机床。
8级用作一般传动丝杠，如用于普通螺丝车床、螺丝铣床等。
9级用作低精度传动丝杠，如没有分度盘的进给机构。

3.3 丝杠对机床精度及稳定性的影响

　　随着高速、高精密加工技术的快速发展，人们对机床的加工精度及加工精度的稳定性也提出了高的要求。如何提高机床的精度和稳定性是现在人们研究的热点。在非闭环数控系统中，丝杠的螺距误差和热变形误差是影响加工精度和稳定性的关键性因素之一。
对于非闭环系统，丝杠的质量对加工质量的影响主要表现为丝杠导程误差、丝杠间隙以及丝杠磨损对加工定位精度的影响。机床的精度完全依靠丝杠的精度来保证。所以越高的机床精度也就意味着越高的成本。
大多数机床的丝杠安装为一端固定，一端铰支。采用预拉伸的丝杠轴须两端固定，其预拉伸力大小的计算依据：在理论上，该力的大小是通过该力产生的热变形量等于整个滑板(包括滑板上的主轴部分)的重力使丝杠产生的变形量和丝杠温升所产生的最大热变形量之和来计算的。但是在实际中，在某些情况下，丝杠的温度可能变化较大，若以最大的温差来计算，那么如果该力过大将会影响丝杠的寿命，过小则达不到补偿的目的，同时可能会使丝杠发生绕曲变形。

3.4 精密高速滚珠丝杠需要考虑的一些问题

　　线性伺服进给系统的高速化是一个系统工程，系统中每个环节都要满足高速传动的要求。
　　滚珠丝杠副进给系统的最大加工速度与系统的转动惯量成反比，为了提高加速度，应对系统进行有限元分析及CAD优化设计，在满足动、静刚度的前提下，减少零件数量、优化零件参数并使其高强度、轻量化。
　　要同时选用与精密滚珠丝杠副匹配的高速滚动直线导轨。例如日本THK公司的SHS四方等载荷系列，SNR、SNS高刚度重载荷系列，SSR超高速系列，其线速度可达200m/min以上。德国INA公司的腰鼓形滚柱直线导轨还可按用户要求配置“RUDS”阻尼滑座，使振幅降至原来的1/30，噪声明显下降，满足高速、高精度、重切削的要求。
　　要十分重视精密高速滚珠丝杠副在机床上的安装精度，它对提高临界转速Nc、定位精度，改善高速运转时的平稳性，减小噪声等都起着不可忽视的作用。丝杠两端采用预拉伸高刚度支承结构，要严格保证丝杠两端支承与滚珠螺母的中心“三点同轴”。应选用滚珠丝杠专用的高刚度推力角接触轴承。
　　充分利用滚珠丝杠副的“同步性”特征，在高速加工中心中成对安装高速精密滚珠丝杠副，是提高伺服进给系统在高速时的稳定性，改善动态特性的有效措施。例如日本牧野铣床制作所的A55E型的卧式高速加工中心和新泻铁工的SPN50-H0型卧式高速加工中心以及丰田工机的EV33立式高速加工中心等都采用了双电动机双丝杠的驱动方式。
　　要在伺服进给系统中配置制动装置、柔性缓冲器、垂向传动时的自锁器等。
　　在选购和验收精密高速滚珠丝杠时，要与一般大导程滚珠丝杠区别开来，并要求制造商提供订购产品的工作速度、加速度、精度、噪声、温升等检测数据。若使用Si3N4陶瓷球，应查看Si3N4陶瓷球的精度、硬度、表面粗糙度、压馈负荷的检验证书。若选用空心强冷丝杠，还应查看深孔的直线度，与外圆的同轴度的检验结果。为了确保高速运转时的可靠性，还应查看丝杠轴、螺母、循环返向装置的原材料及热处理检验报告。

4 精密滚珠丝杠的装配
　　精密滚珠丝杠在研制工业设备和精密仪器的制造上起着重要的作用，精密滚珠丝杠在发展新型设备上是关键的部件，现在很多的精密仪器在制作的时候都会应用滚珠丝杠，但是现在很多的检测仪器和设备在滚珠丝杠装配以后在使用不久，就会出现滚珠丝杠跳动超差严重的问题，跳动超差严重的问题会直接影响仪器的运作，所以现在滚珠丝杠在装配工艺上存在一定的不足，不仅不利于仪器设备的使用，还会危害使用者的安全，所以解决滚珠丝杠装配工艺存在的不足，才能保证仪器设备的正常运作，提高生产效率。
　　滚珠丝杠的装配问题在最近几年愈来影响检测仪器正常的工作，所以解决滚珠丝杠装配的问题也是刻不容缓的，滚珠丝杠在大型设备和精密仪器中都有涉及，近些年来滚珠丝杠因为装配出现的问题屡见不鲜，严重影响设备的正常运作，很多由滚珠丝杠制作的设备，在使用不久都出现了跳差严重的问题，解决滚珠丝杠装配的问题是保证机电设备正常运作的重要保证，是工业作业提高生产效率的重要保证。
4.1 滚珠丝杠装配存在的问题
　　（1）滚珠丝杠的精度不够
　　滚珠丝杠本身在入库的时候会进行一定的检查，自身本身是没有什么质量的问题，主要的精度不够的问题是出现在滚珠丝杠在放置的时候很多是横向放置的，横向放置出现的一个重要问题是会因为重力直接受力于零件上，重力的作用导致滚珠丝杠内部的主要零件出现变形的问题，或者零件和丝杠外壁摩擦，导致远见出现贴壁现象，导致滚珠丝杠的零件因为重力因素，影响精确度。
　　（2） 装配方式不当影响丝杠精度
　　在丝杠装配的工作上应当采用专业的技术人员进行装配，但是现在装配丝杠的时候很多都不是专业的人员进行装配，随便的机械工人都能装配滚珠丝杠，所以不专业人员装配的滚珠丝杠就会存在一定问题，或者因为操作不注意，导致丝杠在装配时候各部分原件出现错位，或者是损坏的问题，这些装配的时候出现损坏，都会直接影响丝杠精度。
　　（3） 检测方法不正确
　　在滚珠丝杠装配设备的检测时候，很多检测人员采用的检测基准不同，导致检测时候丝杠的精度不一样，很多检测人员方法不正确，也会导致精度出现误差。滚珠丝杠在检测的时候由于很多人员对于自己的检测方法存在不足，但是检测人员却不了解自身检测仪器存在的问题，还有很多的人员使用的仪器不够先进一些工作人员使用的都是很久以前的仪器，导致检测时候精度不够。
　　（4） 装配工艺不对
　　现在滚珠丝杠的装配的时候装配顺序不对，导致丝杠在装配的时候出现平行度超出正常范围的问题，而且在钻孔铰孔等过程中，没有进行防尘处理，导致很多灰尘进入到丝杠副传动面，丝杠会因为灰尘磨损，原件表面就会变的没有以前光滑，所以导零件出现的问题，会引起滚珠丝杠的内部原件难以保持以前的工作效率，导致精度出现问题。
　　（5） 丝杠润滑不良
　　对于精密滚珠丝杠的摩擦副，其工况要比轴承更加复杂，除径向受力外，还有侧向受力，并且转速升高后其工作温度也会升高，减少摩擦磨损、降低颤振及蠕动必须要依靠润滑脂具有良好的润滑性能。

5 滚珠丝杠的结构

5.1 滚珠丝杠的组成
　　滚珠丝杠传动副由螺杠、螺母、滚珠、循环装置组成。

　　滚珠丝杠副结构特点：
  ●螺纹滚道型面的形状
  ●滚珠的循环方式
  ●轴向间隙和调整预紧机构

　　滚珠丝杠螺母副是把由进给电动机带动的旋转运动，转化为刀架或工作台的直线运动。螺母的螺旋槽的两端用回珠器连接起来，使滚珠能够周而复始地循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。滚珠丝杠螺母副必须有可靠的轴向消除间隙的机构，并易于调整安装。

5.2 工作原理与特点

　　丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。

　　滚珠丝杠螺母副特点：
●摩擦小，效率高，发热少；
●丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度； 
●运动平稳，不易产生低速爬行现象；
●磨损小、寿命长、精度保持性好；
●不能自锁，有可逆性，丝杠立式使用时，应增加制动装置。

5.3 滚珠丝杠副的材料 
　　滚珠丝杠材料涉及丝杠、滚珠、螺母，由于理论上是滚动点接触，因此三者材料综合性能、热处理等要求类似。
　　特点：
●材料多用合金工具钢、特殊性能钢
  GCr15、9Mn2V、38CrMoAlA等
●热处理突出表面硬度（表面硬化层）
  高频淬火、氮化（磷化）


5.4 滚珠丝杠螺母副的润滑
　　在滚珠丝杠螺母副里加润滑剂可提高其耐磨性和传动效率。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。

6 精密滚珠丝杠润滑

6.1 润滑要求

　　为保证精度，要求润滑脂有良好的启动转矩与稳定的运转转矩。
　　同时，考虑到使用环境的差异，还要求润滑脂具有宽的使用温度，一般要求-50～120℃。
　　另外，加工过程中会有切削液及切削油飞溅，要求润滑脂有良好的抗水性能。
　　还要求润滑脂具有优良的抗磨性能，以减少运动副摩擦及磨损。
　　在高速运转过程中，对粘附性也有较高的要求，不能被甩出或挤出。
　　同时，也要求润滑脂有长的使用寿命，降低使用成本。

6.2 产品性能

　　产品由低温性优异的合成油加入优质稠化剂并加有抗氧化、防锈蚀、抗腐蚀等多种添加剂精制而成的全合成精密机床润滑脂。滑脂设计用于低扭矩启动或快速运行的轴承及滑动装置的润滑，可满足低温、低力矩、高转速(DN值106)、长寿命的使用要求，与大多数塑胶和橡胶件有很好的相容性。适用温度范围：-60～+150℃。
　　性能特点 ：
●优异的低温及常温驱动特性，低温启动和运转力矩极小；
●优良的耐高速性、润滑性和承载能力，可提高耐磨性及传动效率；
●杰出的抗水性和防腐蚀保护，与大多数塑胶和弹胶体良好相容；
●优异的氧化稳定性和抗老化能力，较长的使用寿命。
　　推荐应用：
●适用于微型直线导轨、滚珠丝杠、高速设备轴承、微型马达齿轮的长效润滑；可用于塑胶/塑胶、塑胶/金属小齿轮的终身润滑，亦可适应潮湿环境下的润滑；
●推荐用于高速或低温条件下动作部件的长寿命润滑，如汽车天窗开启机构及导轨、车门开启执行机构、雨刮电机齿轮，仪表电机齿轮以及电气行程限位器。