劉佳耀，尹 曦，陶衛(wèi)軍，米繼鋒

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；2.陜西漢江機床有限公司 滾珠絲杠副研究室，陜西 漢中 723003)

加載條件下滾珠絲杠副精度保持性試驗研究*

劉佳耀1，尹 曦1，陶衛(wèi)軍1，米繼鋒2

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；2.陜西漢江機床有限公司 滾珠絲杠副研究室，陜西 漢中 723003)

針對國產精密滾珠絲杠副產品在精度保持性與耐磨性方面試驗數據缺乏、性能研究不足的問題，提出了一種基于恒定加載的精密滾珠絲杠副精度保持性試驗方法并進行了對比試驗。與合作單位合作開發(fā)了配套的試驗系統(tǒng)；給出了精密滾珠絲杠副各精度指標的求解方法、精度與摩擦力喪失判斷依據。試驗結果顯示了參與試驗的兩種型號精密滾珠絲杠副的精度保持性和摩擦力隨時間變化的趨勢，對比分析出它們的優(yōu)劣勢并推測原因，符合實際生產經驗，驗證了試驗方法與試驗裝置的有效性，為國產精密滾珠絲杠副精度保持性的提高提供了試驗方法與有效試驗數據。

精密滾珠絲杠副；精度保持性；耐磨性；對比試驗

0 引言

精密滾珠絲杠副的優(yōu)勢在于傳動性好、精度高、耐磨損和可承受重載等[1-3]，在組合機床、航空裝備、半導體元件、醫(yī)療器械及工業(yè)流水線等領域，精密滾珠絲杠副的應用率很高[4]。對于各類組合機床與加工中心而言，精密滾珠絲杠副是一種基礎性組件，其傳動精度直接影響到設備總體性能與加工精度[5]，在選用精密滾珠絲杠副時，其精度和精度保持性指標非常重要。

滾珠絲杠副精度保持性是指精密滾珠絲杠副保持其設備傳動精度的特性[6]?，F階段，在精度保持性這一指標上，國產精密滾珠絲杠副和國外同類產品相比有一定差距[7-8]，國內滾珠絲杠副廠家缺乏有關試驗手段和方法，因而很少進行精度保持性試驗，導致相關試驗數據明顯欠缺，甚至很難定量分析自身與國外產品在精度保持性上的差距及其原因，這也是國產精密滾珠絲杠副行業(yè)亟待解決的核心技術問題之一[9]。針對上述問題，提出了一種基于恒定加載的精密滾珠絲杠副精度保持性試驗方法，利用與合作單位共同開發(fā)的試驗系統(tǒng)，對兩種典型精密滾珠絲杠副進行試驗，對比分析試驗數據，驗證了試驗方法與試驗裝置的有效性，為國產精密滾珠絲杠副精度保持性的提高提供了試驗方法與有效試驗數據。

1 基于恒定加載的滾珠絲杠副精度保持性試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)組成

精度保持性試驗主要通過檢測兩種典型精密滾珠絲杠副的精度和摩擦力來進行對比分析，如圖1所示，試驗系統(tǒng)由恒定加載跑合試驗臺、精度測量儀與摩擦力測量儀三部分組成。恒定加載跑合試驗臺是對精密滾珠絲杠副的跑合工況進行模擬；精度測量儀是利用光學元器件對跑合之后絲杠的各精度指標進行測量；摩擦力測量儀是利用力傳感器對跑合時螺母與絲杠間的摩擦力進行測量。

圖1 滾珠絲杠副精度保持性對比試驗系統(tǒng)

其中，恒定加載跑合試驗臺的三維結構示意圖如圖2所示，它的工作原理為：首先將精密滾珠絲杠副豎直放置于恒定加載跑合試驗臺上，將絲杠加工有螺紋的一端插入連接件內孔并擰緊，然后通過螺釘組將螺母與旋轉輪固連在一起；設定步進電機轉速，電機軸通過同步帶帶動旋轉輪轉動，螺母隨之一起轉動，絲杠就會帶動配重塊沿著導軌開始往復運動；兩個行程開關控制著電機軸的轉動方向，當配重塊向上運動觸碰到上方的行程開關時，電機軸就變?yōu)榉聪蜣D動，絲杠就開始帶動配重塊向下運動，反之亦然。

1.2 試驗方法

此次試驗選擇了兩種典型精密滾珠絲杠副進行對比試驗，在設計試驗方法時，要盡量模擬現實工況，同時由于正常工作條件下精密滾珠絲杠副的工作壽命較長，為了使試驗結論更加可靠并減少試驗時間，選擇基于恒定加載的對比試驗方法。具體步驟如下：

步驟1：每根精密滾珠絲杠副在進行加載跑合之前，要檢測一次它們的初始精度與摩擦力，以便進行更加全面、有效地對比；

步驟2：在恒定加載跑合試驗臺上安裝精密滾珠絲杠副，開始模擬跑合，加載方向為軸向，配重塊質量為3220N，單程跑合長度為600mm，室溫16℃～26℃，潤滑方式為脂潤滑，電機轉速為100r/min；

步驟3：每隔6h對精密滾珠絲杠副的精度與摩擦力進行一次檢測，注意在檢測之前要將精密滾珠絲杠副放置于室溫為20℃的環(huán)境當中冷卻2h；

步驟4：如果檢測結果顯示精密滾珠絲杠副的精度與摩擦力中的任一項喪失，那么停止試驗，更換新的樣品繼續(xù)試驗，直至全部精密滾珠絲杠副的試驗完成。

單根精密滾珠絲杠副精度保持性對比試驗的具體步驟如圖3所示。

圖3 精度保持性對比試驗步驟

2 精度保持性評估方法

2.1 摩擦力喪失依據

精密滾珠絲杠副跑合過程中，滾珠和反向器不會產生較大沖擊，若其軸向未被施加外力，那么滾珠絲杠副的摩擦力和預緊力可視為一致。圖4顯示了滾珠絲杠副被施加預緊力時滾珠的受力分布。

圖4 施加預緊力時滾珠受力分布

根據圖4可知滾珠絲杠副被施加預緊力時，法向壓力P會出現在滾珠和滾道接觸面上，此時單個螺母中全部滾珠受到法向壓力的軸向分量總和應與預緊力一致。圖5顯示了單個滾珠的受力分布。

圖5 單個滾珠受力分布

根據圖4與圖5可知單個螺母預緊力Fp的表達式為：

Fp=zPa

(1)

Pa=Psinαcosγ

(2)

Fp=zPsinαcosγ

(3)

式中，z表示滾珠個數，α表示接觸角，γ表示螺旋升角。

因此在空載狀態(tài)下測量絲杠與螺母滾珠間的預緊力，就能反映出滾珠絲杠副的摩擦力。根據行業(yè)標準與經驗，當測量數值出現1～2N時，就能得出此精密滾珠絲杠副的摩擦力喪失的結論。

2.2 精度指標計算原理與精度喪失依據

在精密滾珠絲杠副精度保持性試驗中，最重要的數據是被測樣品的精度指標，即有效行程內平均行程偏差E、2π弧長內行程變動量V2π、任意300mm行程內行程變動量V300和有效行程內行程變動量Vu這四大指標，精度保持性主要由上述指標隨時間改變的水平而決定。根據國標[10]中對精度保持性的規(guī)定，可利用回歸直線方程來計算上述指標，即：

E=a+bγ

(4)

(5)

(6)

式中，n表示測量點總數；ei表示第i個點的行程變動量；γi表示第i個點的旋轉角；γ表示絲杠的總旋轉角。

第i個點的行程變動量Yi的表達式為：

Yi=A+B·C·i

(7)

(8)

(9)

式中，N表示測量點總數；C表示單位采樣周期中的轉角、為常數。則V2π、V300、Vu的表達式為：

Zi=Yi-(A+B·i)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中，N2、N3分別代表了2π 弧度、300mm內的采樣點總數。

因此精密滾珠絲杠副在加載跑合之后，利用精度測量儀對絲杠進行檢測，將檢測得到的數據通過以上公式換算，就能得到量化的精度指標。根據行業(yè)標準，當E、V2π、V300、Vu中的任意一個超過其規(guī)定的最大值時，就能得出絲杠精度喪失的結論。

3 試驗及其結果分析

3.1 試驗過程與數據處理

此次試驗選用的兩種典型精密滾珠絲杠副型號分別是漢江GS052型與日本THK4006型。為了使試驗數據和對比分析結果具備可靠性和有效性，確定參與試驗的漢江GS052型與日本THK4006型滾珠絲杠副數量分別為3根與2根。將3根漢江GS052型滾珠絲杠副編號成GS052-1、GS052-2、GS052-3，將2根日本THK4006型滾珠絲杠副編號成THK4006-1、THK4006-2。

所有精密滾珠絲杠副在加載跑合之前，均要對它們的初始精度與摩擦力進行檢測。根據行業(yè)標準，選用的此兩種型號精密滾珠絲杠副的各精度指標，即E、V2π、V300、Vu規(guī)定的最大值依次是25、7、16、22μm，若檢測結果中的任意一個超出其對應的最大值，則認定此根滾珠絲杠副為不合格產品，不可參與試驗，需要將其更換。

為了對國產精密滾珠絲杠副的耐磨性進行更加全面地研究，將GS052-1、GS052-2、THK4006-1和THK4006-2號四根滾珠絲杠副的初始摩擦力調整成10N，將GS052-3號的初始摩擦力調整成20N，從而獲得兩組對比樣本。

3.1.1 摩擦力數據處理

圖6顯示了2根日本THK4006型滾珠絲杠副的摩擦力隨跑合時間變化趨勢，可見THK4006-1、THK4006-2號的摩擦力有著比較類似的變化趨勢，在跑合0～18h內摩擦力下降趨勢明顯；在18～24h內摩擦力處于平穩(wěn)期，未出現明顯的變化；在24～42h內又持續(xù)下降，直至喪失。

圖6 日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力變化趨勢

圖7顯示了3根漢江GS052型滾珠絲杠副的摩擦力隨跑合時間變化趨勢。GS052-1、GS052-2號的初始摩擦力均為10N，但是它們有著不同的變化趨勢?？梢奊S052-1號的摩擦力在跑合0～18h內下降趨勢明顯；在18～24h內處于平穩(wěn)期，未出現明顯的變化；在24～42h內又持續(xù)下降，直至喪失，其與2根日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力變化趨勢類似。GS052-2號的摩擦力在跑合0～30h內下降趨勢明顯；在30～48h內處于平穩(wěn)期，未出現明顯的變化；在48～66h內又持續(xù)下降，直至喪失。GS052-3號的初始摩擦力為20N，在跑合0～60h內其摩擦力下降趨勢明顯，而在60～96h內處于平穩(wěn)期，始終保持在10N左右，在此期間其精度已喪失，因此其試驗時間停止在96h。

圖7 漢江GS052型滾珠絲杠副摩擦力變化趨勢

3.1.2 精度指標數據處理

圖8顯示了THK4006-1、THK4006-2號各精度指標隨跑合時間變化趨勢。可見在其摩擦力喪失的42h內，兩者的E、V2π、V300、Vu均未出現超出對應最大值的情況，即兩者精度均未喪失。其中，THK4006-1號的E、V2π、V300、Vu的平均值分別是14.088、2.775、5.701、5.808μm，THK4006-2號的E、V2π、V300、Vu的平均值分別是13.936、2.623、5.808、5.841μm，可知兩者各精度指標的平均值差距很小。

(a) THK4006-1

(b) THK4006-2

圖9顯示了GS052-1、GS052-2、GS052-3號各精度指標隨跑合時間變化趨勢。根據圖9a可知，GS052-1號在其摩擦力喪失的42h內，各精度指標未超出對應的最大值，精度未喪失，E、V2π、V300、Vu的平均值分別是15.865、3.068、7.454、7.516μm。根據圖9b可知，GS052-2號在其摩擦力喪失的66h內，54h時檢測的E值超出了其對應的最大值，但后兩次檢測的E值又降低到25μm以下，所以在54h時并未停止試驗，其E、V2π、V300、Vu的平均值分別是15.582、2.742、7.692、7.737μm。根據圖9c可知，GS052-3號在跑合75h之后E值已超過25μm，并且之后的四次檢測結果顯示E值沒有降低到25μm以下，說明其精度已喪失。

(a) GS052-1

(b) GS052-2

(c) GS052-3圖9 漢江GS052型滾珠絲杠副精度指標變化趨勢

3.2 試驗結果分析

3.2.1 對比分析

在初始摩擦力均為10N的情況下，2根日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力喪失時間均為42h，而2根漢江GS052型滾珠絲杠副摩擦力喪失時間分別是42、66h，這說明國產產品在耐磨性方面，一定程度上還要優(yōu)于國外同類產品。但是2根日本THK4006型滾珠絲杠副摩擦力喪失趨勢和2根漢江GS052型產品相比，前者相似度更高，這說明國產滾珠絲杠副在一致性、穩(wěn)定性方面和國外同類產品還存在一定差距。GS052-3號初始摩擦力被調整成20N，和GS052-1、GS052-2號相比，前者摩擦力下降速度更慢，這說明適當增大滾珠絲杠副的初始摩擦力或預緊力，有利于延長其摩擦力喪失的時間，改善耐磨性。

初始摩擦力是10N的四根滾珠絲杠副，即GS052-1、GS052-2、THK4006-1和THK4006-2號的各精度指標具有可比性。對E、V2π、V300、Vu的平均值進行對比可發(fā)現，2根日本THK4006型滾珠絲杠副各精度指標檢測值要低于2根漢江GS052型滾珠絲杠副相應檢測值，并且前者各精度指標的差值與后者對應差值相比均更小，這說明日本產品在跑合時磨損的更加均勻，行程變動量更小，體現出國產滾珠絲杠副在精度保持性、磨損均勻性方面和國外同類產品相比還存在一定差距。

3.2.2 原因分析

在對國內外精密滾珠絲杠副生產加工的各工藝步驟進行調查研究，并結合本次試驗得到的數據進行對比分析后，推測國產滾珠絲杠副與國外同類產品相比，在精度保持性、磨損均勻性及穩(wěn)定性等方面存在差距的原因可能有：

(1)原材料性質不同。目前國產精密滾珠絲杠副的原材料未形成行業(yè)標準，一般使用GCr15、GCr155SiMn軸承鋼等材料來加工絲杠，而國外一般使用優(yōu)質鋼材進行加工。前者內部組織均勻度差、易存在雜質，并且含有較高比例的影響疲勞壽命的元素，例如H、Ti等，不利于提高精度保持性與可靠性。

(2)熱處理工藝不同。國內產品一般采取球化退火——中頻、超音頻感應淬火的方式來處理絲杠，而國外產品一般采取高頻感應淬火的方式。前者會影響絲杠內部的組織結構，并導致應力集中、分布不均等現象，不利于提高精度保持性與耐磨性。

4 結論

針對國產精密滾珠絲杠副產品在精度保持性與耐磨性方面試驗數據缺乏、性能研究不足的問題，提出了一種基于恒定加載的精密滾珠絲杠副精度保持性試驗方法并進行了對比試驗。試驗結果表明：對于同一型號的精密滾珠絲杠副，適當增加其預緊力或初始摩擦力，可延長其耐磨時間且在此期間其精度不會喪失；國產精密滾珠絲杠副與國外同類產品相比，在產品一致性、精度保持性與磨損均勻性等方面仍存在一定差距。試驗結果與實際生產經驗相符，證明了該試驗方法與試驗裝置的有效性，為國產精密滾珠絲杠副精度保持性的提高提供了試驗方法和有效試驗數據。

[1] 王兆坦，朱繼生，張瑞，等. 滾珠絲杠副性能指標的測試與研究[J]. 制造技術與機床,2009(6):128-134.

[2] Zhou C, Du M, Chen Q. Co-design of dynamic scheduling and H-infinity control for networked control systems[J]. Applied Mathematics & Computation, 2012, 218(21):10767-10775.

[3] 許向榮，宋現春，姜洪奎，等. 單螺母滾珠絲杠副軸向剛度的分析研究[J]. 武漢理工大學學報, 2009,31(24):54-57.

[4] 屠國俊，陶衛(wèi)軍，馮虎田，等. 高速滾珠絲杠副性能試驗與分析方法研究[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2012(1):8-11.

[5] Kim D S, Choi D H, Mohapatra P. Real-time scheduling method for networked discrete control systems[J]. Control Engineering Practice, 2009, 17(5):564-570.

[6] Ibaraki S, Knapp W. Indirect measurement of volumetric accuracy for three-axis and five-axis machine tools: A review[J]. 2012(6):110-124.

[7] 喻忠志. 我國滾動功能部件產業(yè)現狀分析[J]. 制造技術與機床, 2004(4):92-94.

[8] 羅相銀，范元勛，徐令令. 精密滾珠絲杠副伺服加載試驗臺設計[J]. 機械制造與自動化, 2014, 43(1):44-46.

[9] Lee K I, Yang S H. Measurement and verification of position-independent geometric errors of a five-axis machine tool using a double ball-bar[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2013, 70(4):45-52.

[10] GB /T 17587．3—1998 滾珠絲杠副第三部分: 驗收技術條件[S]．

(編輯 李秀敏)

Experimental Study of the Precision Retaining Ability of the Precision Ball Screw Based on Loading Condition

LIU Jia-yao1, YIN Xi1, TAO Wei-jun1, MI Ji-feng2

(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China；2.Ball Screw Research Office, Hanjiang Machine Tool Co., LTD, Hanzhong Shaanxi 723003, China)

In view of the problem that the domestic precision ball screw lacks of experimental data and performance research about the precision retaining ability and abrasion resistance, a precision retaining ability experimental method for precision ball screw based on constant loading is presented and executed. Cooperating with the cooperation and designing a complete set of experimental system, the calculation principles of precision indexes, the loss judgements of accuracy and friction about the precision ball screw are introduced. Two models of precision ball screw participated in the experiment, the experiment results show the changing trend of their precision retaining ability and friction’s along the time, analyze their advantages and disadvantages by comparison, speculate the reasons, the results are consistent with the actual production experience, the validity of the experimental method and system is proved, the experimental method and theoretical basis are provided for the improvement of the domestic precision ball screw’s precision retaining ability.

precision ball screw; precision retaining ability; abrasion resistance; contrast experiment

1001-2265(2017)05-0009-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.003

2016-07-21

國家科技重大專項(2012ZX04002-011-02);國家自然科學基金資助項目(51275244)

劉佳耀(1992—)，男，山東威海人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為滾動功能部件試驗技術、智能機器人技術，(E-mail)15062209211@163.com；通訊作者：陶衛(wèi)軍(1975—)，男，南京人，南京理工大學副教授，博士，研究方向為智能機器人技術、精密儀器與測控工程，(E-mail)taoweijun01@163.com。

TH161；TG65

A