滾珠螺桿使用的問題分析
2009-12-23錢乃巖
（天津羅升企業有限公司） 近年來，越來越多的滾珠螺桿被用在各式各樣的機床上來滿足設備高精度與高性能的需求，滾珠螺桿已成為使用Z廣的傳動元件之一。在CNC的機械中，使用滾珠螺桿能增加其定位精度及延長其使用壽命。在傳統機械上，滾珠螺桿也逐漸取代愛克姆螺桿。
滾珠螺桿通常搭配預壓力來消除機器運轉時的背隙，但若滾珠螺桿安裝不當，就無法體現其高精度與較長的壽命，本文主要討論滾珠螺桿的問題與問題的預防，來幫助使用者找出不正常工作的原因。
以下敘述三種滾珠螺桿發生問題的主因與其預防方法
1、間隙太大
1.1 無預壓或預壓不足
無預壓的滾珠螺桿垂直放置時，螺帽會因本身的重量而造成轉動下滑，無預壓的螺桿會有相當的背隙，因此只能用于較小操作阻力的機器，但主要的依據是其定位精度沒有太多的要求。
滾珠螺桿出廠時會在不同的應用場所給出正確的預壓量，并在出廠前調整好預壓，因此當您定購滾珠螺桿前請詳述設備的操作情況。
1.2 扭轉位移太大
螺桿小，剛性越高，細長比的界限一般在60以下。如果細長比太大，螺桿會產生自重下垂。如果滾珠螺桿只以側支撐，此種設計剛性較弱，應盡可能避免。
1.3 軸承選用不當
通常滾珠螺桿必須搭配斜角軸承，尤其是以高爪力角設計的軸承為較佳的選擇，當滾珠螺桿承受軸向負載時，一般的深溝滾軸軸承會產生一定量的軸向背隙，因此深溝滾珠軸承不適用于此。
1.4 軸承安裝不當
(1)若軸承安裝于滾珠螺桿而兩者貼合不確實，在承受軸向負載的情況下會產生背隙，這種情彤可能由于螺桿肩部太長或太短所造成的。
(2)軸承的承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳，會導致軸承的傾斜，因此螺帽肩部的鎖定螺帽V形牙與軸承的承靠面必須同時加工，才能確保垂直度，如果以研磨方式加工更好。
(3)以兩個鎖定螺帽搭配彈簧墊圈固定軸承，以防止運轉中松脫。
1.5 螺帽座或軸承座剛性不足
如果螺帽座或軸承剛性不足，由于元件本身的重不當的設計，如細長比太大等。螺桿的細長比越重，機器的負荷會使其產生偏斜。
1.6 螺帽座或軸承座組裝不當
(1)由于震動或未加固定銷使得元件松脫。
(2)因固定螺絲太長或螺帽座螺絲孔太淺使得螺帽固定螺絲無法縮緊。
(3)由于震動或缺少彈簧墊圈使得螺帽固定螺絲松脫。
1.7 支撐座的表面平面度超差
不論結合元件的表面是研磨或鏟花，只要其平面度超出公差范圍，床臺運動時位置的重現性精度將較差，因此一部機器中，通常在支撐座與機器本體間以薄墊片來達到調整的目的。
1.8 馬達與滾軸螺桿結合不當
(1)聯軸器結合不牢固或本身剛性不佳，會使螺桿與馬達間產生轉動差。
(2)若不適合以齒輪驅動或驅動結構不是剛體，可能產生滑動。
(3)鍵的松動，或是鍵、鍵槽、輪轂間的任何不當搭配，都會使這些元件問產生間隙。
2 不順暢的動作
2.1 螺桿加工的問題
(1)螺桿或螺帽珠槽表面粗糙。
(2)鋼珠、螺桿或螺帽真圓度超出公差范圍。
(3)螺桿或螺帽的導程誤差超出公差范圍。
(4)回流管組裝不當。
(5)鋼珠大小或硬度不均。
以上的問題不該在高品質的產品中發生。
2.2 異物進入鋼珠軌道
(1)包裝材料阻礙鋼珠軌道：出貨時以許多的材料及防銹袋來包裝滾珠螺桿，如果在包裝或排列的時候未以適當的程序來執行，異物或其他物質可能會阻礙鋼珠軌道，導致鋼珠的滑軌而非正常滾動甚至卡死。
(2)加工碎屑進人軌道：滾珠螺桿若未安裝刮刷器，加工碎屑或灰塵的堆積就會阻礙鋼珠軌道。造成順暢度不佳、精度降低及減少使用壽命。
2.3 過行程
過行程會造成回流管的損傷或凹陷，甚至斷裂，而造成鋼珠無法正常運轉，在這惡劣的運轉條件下，可能會造成螺桿或螺帽珠槽表面的剝離。過行程發生的原因可能發生于機臺設定、極限開關失效或撞車，為預防造成滾珠螺桿進一步損壞，重新安裝前滾珠螺桿必須經制造商的重新檢修。
2.4 回流管損壞
回流管在安裝時受到嚴重的撞擊，回流管可能會造成凹陷及引發前述相同的問題。
2.5 偏心
如果螺帽座與軸承座不同心時會產生徑向負荷，兩者偏心量太大時會造成螺桿彎曲，甚至偏心的情況，不可以造成明顯的螺桿彎曲時，異常磨耗仍持續發生，而螺帽設定的預壓力越高偏心精度的要求越高。
2.6 螺帽與螺帽座結合不當
螺帽安裝時傾斜或偏心會造成異常負載，使馬達運轉時產生電壓不穩。
2.7 搬運時造成滾珠螺桿的損壞
3 碎裂
3.1 鋼珠破裂
鋼珠Z常用的材質是鉻鉬鋼。滾珠螺桿有、無潤滑，對運動時產生的溫升差異明顯，此溫升可能造成鋼珠破裂或損壞，因此造成螺帽或螺桿珠槽的損壞。因此設計過程中必須考慮潤滑油的補充，如果無法使用自動潤滑系統，必須將潤滑油的補充計劃列入保養手冊。
3.2 回流管凹陷或斷裂
螺帽過行程或回流管受到撞擊時會造成回流管的凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環路徑。使得鋼珠變成滑動而非正常滾動，Z后造成回流管斷裂。
3.3 滾珠螺桿肩部斷裂
(1)不當設計。
螺桿肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
(2)螺桿軸頭彎曲。
軸承的承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳。皆會導致螺桿肩部的彎曲或斷裂；因此在鎖定螺帽鎖緊的前后，螺桿肩部偏擺量不得超過0.01ram。
(3)徑向力或反復應力。
安裝螺桿時造成的偏心會產生異常的交變應力并使滾珠螺桿提早損壞。
當上述所有的檢查皆正常，但問題仍然存在。請與專業生產廠家的工程技術人員聯系。可能必須通過提高螺桿的剛性和預壓力等方式解決問題。
滾珠螺桿通常搭配預壓力來消除機器運轉時的背隙，但若滾珠螺桿安裝不當，就無法體現其高精度與較長的壽命，本文主要討論滾珠螺桿的問題與問題的預防，來幫助使用者找出不正常工作的原因。
以下敘述三種滾珠螺桿發生問題的主因與其預防方法
1、間隙太大
1.1 無預壓或預壓不足
無預壓的滾珠螺桿垂直放置時，螺帽會因本身的重量而造成轉動下滑，無預壓的螺桿會有相當的背隙，因此只能用于較小操作阻力的機器，但主要的依據是其定位精度沒有太多的要求。
滾珠螺桿出廠時會在不同的應用場所給出正確的預壓量，并在出廠前調整好預壓，因此當您定購滾珠螺桿前請詳述設備的操作情況。
1.2 扭轉位移太大
螺桿小，剛性越高，細長比的界限一般在60以下。如果細長比太大，螺桿會產生自重下垂。如果滾珠螺桿只以側支撐，此種設計剛性較弱，應盡可能避免。
1.3 軸承選用不當
通常滾珠螺桿必須搭配斜角軸承，尤其是以高爪力角設計的軸承為較佳的選擇，當滾珠螺桿承受軸向負載時，一般的深溝滾軸軸承會產生一定量的軸向背隙，因此深溝滾珠軸承不適用于此。
1.4 軸承安裝不當
(1)若軸承安裝于滾珠螺桿而兩者貼合不確實，在承受軸向負載的情況下會產生背隙，這種情彤可能由于螺桿肩部太長或太短所造成的。
(2)軸承的承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳，會導致軸承的傾斜，因此螺帽肩部的鎖定螺帽V形牙與軸承的承靠面必須同時加工，才能確保垂直度，如果以研磨方式加工更好。
(3)以兩個鎖定螺帽搭配彈簧墊圈固定軸承，以防止運轉中松脫。
1.5 螺帽座或軸承座剛性不足
如果螺帽座或軸承剛性不足，由于元件本身的重不當的設計，如細長比太大等。螺桿的細長比越重，機器的負荷會使其產生偏斜。
1.6 螺帽座或軸承座組裝不當
(1)由于震動或未加固定銷使得元件松脫。
(2)因固定螺絲太長或螺帽座螺絲孔太淺使得螺帽固定螺絲無法縮緊。
(3)由于震動或缺少彈簧墊圈使得螺帽固定螺絲松脫。
1.7 支撐座的表面平面度超差
不論結合元件的表面是研磨或鏟花，只要其平面度超出公差范圍，床臺運動時位置的重現性精度將較差，因此一部機器中，通常在支撐座與機器本體間以薄墊片來達到調整的目的。
1.8 馬達與滾軸螺桿結合不當
(1)聯軸器結合不牢固或本身剛性不佳，會使螺桿與馬達間產生轉動差。
(2)若不適合以齒輪驅動或驅動結構不是剛體，可能產生滑動。
(3)鍵的松動，或是鍵、鍵槽、輪轂間的任何不當搭配，都會使這些元件問產生間隙。
2 不順暢的動作
2.1 螺桿加工的問題
(1)螺桿或螺帽珠槽表面粗糙。
(2)鋼珠、螺桿或螺帽真圓度超出公差范圍。
(3)螺桿或螺帽的導程誤差超出公差范圍。
(4)回流管組裝不當。
(5)鋼珠大小或硬度不均。
以上的問題不該在高品質的產品中發生。
2.2 異物進入鋼珠軌道
(1)包裝材料阻礙鋼珠軌道：出貨時以許多的材料及防銹袋來包裝滾珠螺桿，如果在包裝或排列的時候未以適當的程序來執行，異物或其他物質可能會阻礙鋼珠軌道，導致鋼珠的滑軌而非正常滾動甚至卡死。
(2)加工碎屑進人軌道：滾珠螺桿若未安裝刮刷器，加工碎屑或灰塵的堆積就會阻礙鋼珠軌道。造成順暢度不佳、精度降低及減少使用壽命。
2.3 過行程
過行程會造成回流管的損傷或凹陷，甚至斷裂，而造成鋼珠無法正常運轉，在這惡劣的運轉條件下，可能會造成螺桿或螺帽珠槽表面的剝離。過行程發生的原因可能發生于機臺設定、極限開關失效或撞車，為預防造成滾珠螺桿進一步損壞，重新安裝前滾珠螺桿必須經制造商的重新檢修。
2.4 回流管損壞
回流管在安裝時受到嚴重的撞擊，回流管可能會造成凹陷及引發前述相同的問題。
2.5 偏心
如果螺帽座與軸承座不同心時會產生徑向負荷，兩者偏心量太大時會造成螺桿彎曲，甚至偏心的情況，不可以造成明顯的螺桿彎曲時，異常磨耗仍持續發生，而螺帽設定的預壓力越高偏心精度的要求越高。
2.6 螺帽與螺帽座結合不當
螺帽安裝時傾斜或偏心會造成異常負載，使馬達運轉時產生電壓不穩。
2.7 搬運時造成滾珠螺桿的損壞
3 碎裂
3.1 鋼珠破裂
鋼珠Z常用的材質是鉻鉬鋼。滾珠螺桿有、無潤滑，對運動時產生的溫升差異明顯，此溫升可能造成鋼珠破裂或損壞，因此造成螺帽或螺桿珠槽的損壞。因此設計過程中必須考慮潤滑油的補充，如果無法使用自動潤滑系統，必須將潤滑油的補充計劃列入保養手冊。
3.2 回流管凹陷或斷裂
螺帽過行程或回流管受到撞擊時會造成回流管的凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環路徑。使得鋼珠變成滑動而非正常滾動，Z后造成回流管斷裂。
3.3 滾珠螺桿肩部斷裂
(1)不當設計。
螺桿肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
(2)螺桿軸頭彎曲。
軸承的承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳。皆會導致螺桿肩部的彎曲或斷裂；因此在鎖定螺帽鎖緊的前后，螺桿肩部偏擺量不得超過0.01ram。
(3)徑向力或反復應力。
安裝螺桿時造成的偏心會產生異常的交變應力并使滾珠螺桿提早損壞。
當上述所有的檢查皆正常，但問題仍然存在。請與專業生產廠家的工程技術人員聯系。可能必須通過提高螺桿的剛性和預壓力等方式解決問題。