滚珠丝杠副选用的基本原则.docx
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滚珠丝杠副选用的基本原则
滚珠丝杠副速选的基本原则
种类的选择：
目前滚珠丝杠副的性价比已经相当高，无特别大的载荷要求时，都选择滚珠丝杠副，它具有价格相对便宜，效率高，精度可选范围广、尺寸标准化安装方便等优点。
在精度要求不是太高时，通常选择冷轧滚珠丝杠副，以便降低成本；在精度要求高或载荷超过冷轧丝杠最大规格额定载荷时需选择磨制或旋铣滚珠丝杠副。
不管何类滚珠丝杠副，螺母的尺寸尽量在系列规格中选择，以降低成本缩短货期。
精度级别的选择：
滚珠丝杠副在用于纯传动时，通常选用“T”类（即机械手册中提到的传动类），其精度级别一般可选“T5”级（周期偏差在1丝以下），“T7”级或“T10”级，其总长范围内偏差一般无要求（可不考虑加工时温差等对行程精度的影响，便于加工）。
因而，价格较低（建议选“T7”，且上述3种级别的价格差不大）；在用于精密定位传动（有行程上的定位要求）时，则要选择“P”类（即机械手册中提到的定位类），精度级别要在“P1”、“P2”、“P3”、“P4”、“P5”级（精度依次降低），其中“P1”、“P2”级价格很贵，一般用于非常精密的工作母机或要求很高的场合，多数情况下开环使用（非母机），而“P3”、“P4”级在高精度机床中用得最多、最广，需要很高精度时一般加装光栅，需要较高精度时开环使用也很好，“P5”则使用大多数数控机床及其改造，如数控车，数控铣、镗，数控磨以及各种配合数控装置的传动机构，需要时也可加装光栅（因“5”级的“任意300mm行程的偏差为0.023”，且曲线平滑，在很多实际案例中，配合光栅效果非常好）。
规格的选择：
首先当然是要选有足够载荷（动载和静载）的规格。
根据使用状态，选择符合条件的规格。
同时（重点），如果选用的是磨制或旋铣滚珠丝杠副（冷轧的不需要考虑长径比），要估算长径比（丝杠总长除以螺纹公称直径的比值），但因长度在设计时已确定，在规格的确定上需要调整，原则上使其长径比小于50，（理论上长径比越小越好，对“P”类丝杠而言，长径比越小越利于加工和保证各项形位公差，故单位价格越便宜）。
所以“规格越小不等于越便宜”。
预紧方式的选择：
对于纯传动的情况，一般要求传动灵活，允许有一定返向间隙（不大，一般为几丝），多选用单螺母，它价格相对便宜、传动更灵活；对于不允许有返向间隙的精密传动的情况，则需选择双螺母预紧，它能调整预紧力的大小，保持性好，并能够重复调整；另外，在行程空间受限制的情况下，也可选用变位导程预紧（俗称错距预紧），该方式预紧力较小，且难以重复调整，一般不选。
导程的选择：
选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：
4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。
在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度）；对于要求高速度的场合，导程可以超过20，对磨制丝杠而言导程一般可做到约等于公称直径（受磨削螺旋升角限制），如32（32*32）、40（40*40）等，当然也可以更大（非磨削，但极少考虑）。
导程越大，同条件下旋转分力越大，周期误差被放大，速度越快。
故一般速度很高的场合要求的是灵活，而放弃部分精度诉求，对间隙要求意义变小（导程精度偏差增大），因此，大导程丝杠一般都是单螺母。
完整的滚珠丝杠副设计选型，除了要考虑传动行程（间接影响其他性能参数）、导程（结合设计速度和马达转速选取）、使用状态（影响受力情况），额定载荷（尤其是动载荷将影响寿命）、部件刚度（影响定位精度和重复定位精度）、安装形式（力系组成和力学模型）、载荷脉动情况（与静载荷一同考虑决定安全性），形状特性（影响工艺性和安装）等因素外，还需要对所选的规格的重复定位精度、定位精度、压杆稳定性、极限转速、峰值静载荷以及循环系统极限速率（Dn值）等进行校核，进行修正选择后才能得到完全适用的规格，进而确定马达、轴承等关联件的特征参数。
滚珠丝杠副基础知识
1. 什么是滚珠丝杠副？
滚珠丝杠副是由丝杠，螺母，滚珠组成的机械元件。
其作用是将旋转运动转变为直线运动，或逆向由直线运动变为旋转运动。
丝杠、螺母之间用滚珠做滚动体。
2. 滚珠丝杠副有哪些特点？
（1） 传动效率高。
（达85%—98%）。
（2） 灵敏度高。
（无颤动、无爬行，同步性好）。
（3） 定位精度高。
（可以实现无间隙传动，刚度强，温升小）。
（4） 使用寿命长。
（是普通滑动丝杠的4倍以上，磨损小，精度保持期长）。
（5） 使用、润滑和维修方便、可靠。
（6） 可逆向传动，不自锁。
（在垂直使用或需急停时，应附加自锁或制动装置）
3. 螺纹滚道的单圆弧、双圆弧各有何特点？
单圆弧的优点是无偏心，工艺上易获得，缺点是用于“T类”丝杠时轴向间隙大，运动滞后，若减小间隙，滚珠接触点低，受力差，加工时磨出“油槽”，测不准节圆（滚珠或测棒与滚道圆弧不相切）。
双圆弧避免了上述缺点，但工艺上难获得。
4. 双圆弧滚道有什么特点？
主要是为了便于测准节圆。
5. 滚道底部的小圆弧起什么作用？
此小圆弧熟称“油槽”，使用中可存油及容异物，加工中起工艺作用。
减少磨削径向力。
6. 什么是内循环、外循环滚珠丝杠副？
它们是如何分类的？
一般定义为：
滚珠在循环中始终不脱离丝杠表面的为内循环，反之为外循环。
内循环有浮动（F）与固定（G）之分，外循环有螺旋槽（L）、插管（C）和端盖（DG）之分，其中插管式又有埋入式（CM）和凸出式（CT）之别。
相对来说，内循环滚珠丝杠副的螺母安装直径可以更紧凑，因此应用也最广泛。
7. 浮动内循环返向器有何特点？
优点是：
（1） 流球通道为立体相切对称变曲率腔，技术含量高；
（2） 圆形孔工艺性好，螺母轴向距离小，外径尺寸紧凑；
（3） 凸筋既定位，又铲球，起双重作用；
（4） 型腔为半开空间隧道，流球顺畅，与丝杠外径不摩擦；
（5） 塑料制成，成本低，吸收振动，噪音小；
（6） 可在上下及圆周方向上微量浮动，经跑合后自动趋向最佳位置；
（7） 有效保护丝杠主体（滚珠脱落故障时，仅返向器损坏）；
（8） 直径适用范围广，还可用于双线（双头）螺纹；
缺点是：
（1）不耐高温（适用范围±60℃）；
（2）丝杠滚道必须一端开通才可以装配。
8.插管循环方式的特点是什么？
滚珠在插管内返向平滑，传动平稳：
缺点是螺母安装尺寸大，管舌处薄弱，耐磨性、抗冲击性差。
不适用于螺母转速高的场合。
9.端盖式循环方式的特点是什么？
径向尺寸大，轴向尺寸特小，尤其适合大导程多线螺纹；缺点是滚珠易产生撞击、跳动，摩擦损失。
端盖式无法进行双螺母预紧
10.螺旋槽循环方式是否应逐渐淘汰？
螺旋槽式虽然安装尺寸大，工艺复杂，传动不平稳，安装槽有方向性要求（朝上）；但挡珠器可阻挡硬性异物进入螺母内，挡球可靠，适用高低温范围非常广，所以还不能淘汰，尤其多用于军工产品。
11. 双螺母预紧型滚珠丝杠副有何特点？
浮动内循环法兰—直筒组合的垫片预紧型应用最为普遍，内循环安装外径小，组合安装方便，调整预紧力简便，使用磨损出现间隙，还可自行调整多次使用。
12. 变位预紧型与增大球径预紧型有何异同点？
都是单螺母消隙，无双螺母的组合误差，轴向尺寸特小；但两者磨损出现间隙后一般无法再达到预紧效果，一般用于中、低负荷。
变位预紧型传动效率高，精度保持期长，用于精密定位。
增大球径预紧型承载力大（是位预紧型的两倍），但磨损快，用于中、低精度。
13. 齿差式预紧的分类与特点？
有内、外齿式两种，预紧力可任意调节，但较为复杂，成本高。
14. 圆柱式预紧的分类与特点？
有直销、横销两种，预紧可靠性差，较易出现间隙，成本低。
15. 双直筒型预紧的特点？
径向尺寸小，既可增大垫片也可减小垫片厚度预紧，螺母座复杂。
16. 双法兰型预紧的特点？
径向尺寸大，既可增大垫片也可减小垫片厚度预紧。
“面对面”型安装拆卸困难，“背对背”型减少了一个螺母的行程。
17. 现行滚珠丝杠副标准（GB）经历了怎样的演变？
早期的苏Q/J.JB11-78标准，是国内最早的一部地方专业标准，精度代号分C-J-B-P-T级别，B为标准级。
稍后的JB3162-82是应用时间最长、影响最广的一部部颁标准，它参照德国DIN69051标准，精度代号分为:
C-D-E-F-G-H级别，E为标准级。
再稍后的JB/GQ1098—87是JB3162—82的补充件。
JB/T3162—91标准套用国际标准，仍为部颁标准。
现行标准为：
GB/T17587.3—1998，等效采用国际标准ISO3408—1992.精度代号为：
1-2-3-4-5-7-10，4级为标准级。
18. 区分公称直径d0与节圆直径Dpw有何意义？
公称直径d0起标识作用，无公差，取整数值，起便于商务和管理的作用。
节圆直径DPW有公差带，可一为小数，在工程计算上起参数作用。
19 区分定位（P类）与传动（T类）类别有何意义?
两者使用的场合、作用不同。
P类用于精密定位。
T类用于受力传动，螺纹精度仅查全长内行程偏差及任意300mm内行程变动量，要求远远低于相同级别的P类。
20 滚珠丝杠副要检查哪几类要求？
查安装尺寸，几何精度，性能，外观四类要求。
21 滚珠螺纹精度的含义？
螺母相对于丝杠旋转所行走的距离叫“行程”.实际走的距离与希望（理想）走的距离的差值叫“行程偏差”。
螺母在丝杠每一段上走的偏差不尽相同，取其平均值交“平均行程偏差”。
因它是在螺纹全长（当然，是指有效范围）上测取的，故俗称叫“全长。
螺旋线在一定范围内波动变化，沿着一条“中轴线”，波峰与波谷各自之间的连线形成了一条“带子”，线没有宽度，而带子是有宽度的。
俗称“带宽”，即指全长上的行程变动量宽度范围。
实际上，任意300mm内变动量（俗称“300”）和一牙内变化量（俗称“2π”或“周期”）都是“带宽”的概念。
只是度量区间长短而已。
“全长”、“带宽”、“300”、和“周期”是检查螺旋线误差的四个项目，其中“300”是最主要项目。
（严格定义参见GB/T17587.3—1998）
22. 什么是行程补偿值C？
工艺上如何获得？
目标行程减公称行程等于行程补偿值C（Ls-L0=C）,作用是用以补偿丝杠工作时由于温升和载荷引起的伸长量。
工艺上可用修正尺法和温升法获得，C值通常取负值。
23. 产品样本中额定静载荷C0a与额定动载荷C0的含义？
使钢球产生万分之一变形量的轴向力叫额定静载荷C0a。
转数为一百万转，使丝杠副出现疲劳现象的轴向力，叫额定动载荷C0。
24. 刚度Kc的含义与检查？
刚度值是指钢球与滚道间的轴向刚度值，是根据国际标准理论计算的。
25. 滚珠丝杠副的材料？
90%为轴承钢GCr15,此外还有渗碳钢20CrMnTi、氮化钢38CrMoAl、不锈钢4Cr13等，插管为不锈钢1Cr18Ni9Ti,浮动式返向器为工程塑料。
26． 磨制滚珠丝杠需经过哪些热处理？
各有何作用？
热处理内容
作用
1）球化退火HB170-217
预备热处理；便于加工，好校直
2）调质HB230-270
预备热处理；提高芯部强度韧性
3）高温回火
去除初加工应力
4）感应淬火G58
使滚道耐磨而芯部较软不易折断
5）冰冷处理
稳定组织，用于高精度（1-3级）
6）中心孔淬火H42
使中心孔表面耐磨，工艺作用
7）时效处理
去除半精加工应力
27 磨制滚珠丝杠的机加工工序流程内容？
1） 备料——2）球退（或调质）——3）粗车——（高回或调质）——4）半精车——5）铣——6）校直——7）修锪中心孔——8）淬火——9）校直——10）研中心孔——11）粗磨外圆——12）磨油槽——13）粗磨滚道——14）校直——15）时效——16）研中心孔——17）精磨外圆——18）精磨滚道——19）装配
28. 滚珠丝杠副安装、使用常出现的故障？
故障现象
可能的原因
1）滚珠脱落，丝杠“咬毛”
一般为用户不慎所致，行程过位或不自锁
2）轴劲折断
同轴度差；安装“三点”不成“一线”
3）试运转出现金属末
清洁度差，表面粗糙，跑合少
4）螺母紧，间隙大
用户支承或传动链问题；防尘圈干涉
5）螺母紧，仍有少量“间隙”
即空行程现象，系滚道载形误差大所致
6）双螺母松弛
假象预紧，预紧不可靠
7）防尘圈脱落
紧定螺钉不到位；用户行程过位
29. 滚珠丝杠副实现自锁的方法？
（1） 配装自锁器；
（2） 电机自锁（步进电机，电液、电磁制动电机）；
（3） 预紧自锁（较少采用）；
（4） 蜗轮蜗杆自锁。
滚珠丝杠副的安装方式（支承形式）及其应用
滚珠丝杠副作为关键的滚动传动元件，被广泛应用于各种需要定位或传动的机构中，对机构的性能举足轻重。
在实际应用中，滚珠丝杠副的安装方式的选择，同样会影响整个机构的工作效果，根据具体应用情况的不同，滚珠丝杠副的安装可以有多种不同的方式。
不同的安装方式（即支承形式）都有其各自的特点，选取时，既要考虑实际工作要求（定位精度、传动速度、扭矩和推力情况等），又要结合滚珠丝杠副型号规格的选择（涉及内容较多，详情请参阅本站滚珠丝杠副类别的相关内容），只有两者综合考虑合理搭配，才能实现最佳效果，发挥滚珠丝杠副的最大价值。
滚珠丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式，通常有两大类（丝杠旋转类和螺母旋转类）共五种典型的支承形式，支承形式不同，所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。
具体如下，为便于评估，丝杠旋转类每种支承形式后面给出表征其稳定性的“稳定性系数K2”，K2越大表示该形式越稳定，螺母旋转类因受力模型不同，校验体系也不同，不能模型化比较。
一、丝杠旋转类
1、“固定—固定”型：
K2=4
适用于高转速、高精度的场合。
该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。
也可以使两端的轴承副承受反向预拉伸力，从而提高传动刚度。
在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。
“固定—固定”型有时也被片面地叫做“双推－双推”，实际上由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端。
由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。
2、“固定—游动”型：
K2=2
适用于中转速、高精度的场合。
该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的单个轴承能防止悬臂挠度，并消化由热变形产生的应力。
“固定—游动”型有时也被片面地叫做“双推－支承”。
此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。
3、“支承—支承”型：
K2=1
适用于中转速，中精度的场合。
该形式两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力，随负荷方向的变化，分别由两个轴承单独承担某一方向的力。
由于支承点随受力方向变化，定位可控性较低。
此形式结构简单，受力情况较差，应用较少。
4、“固定—自由”型：
K2=0.25
适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。
该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷均由同一对轴承副承担，并且需克服丝杠回转离心力（及水平安装时的重力）造成的弯矩。
“固定—自由”型有时也被错误地叫做“双推－自由”。
此形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低时也经常用到。
二、螺母旋转类
螺母旋转型，顾名思义，丝杠两端固定不动（拉伸状态），螺母相对丝杠转动，同时与丝杠产生相对轴向移动。
由于“螺母旋转型”的丝杠不转，因此回避了丝杠的极限转速和压感稳定性的约束，从而可以实现相对更高的转速，同时也放宽了对丝杠直径的抗弯要求。
此形式需有螺母驱动单元，对机构设计的要求高，成本高，但由于其适合于大行程，高转速，也逐渐被大家所接受。
各种安装方式从其定位效果、工艺性和机构要求等方面综合评估，各有优缺点，不能一概而论哪种支承形式（或安装方式）是最好的。
需结合滚珠丝杠副的特定型号，根据具体要求综合评估选取。
滚珠丝杠副的应用及特性
滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠、滚珠螺母和相关循环零件组成的以圆柱螺旋线为运动轨迹的传动部件。
用来将回转运动转化成直线运动（主要用途），或将直线运动转化成回转运动（大导程）。
广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械、纺织机械、制药机械、玻璃机械以及其他需要精密路径定位的领域。
作为滚动摩擦的传动部件，它具有如下6点特性：
1.传动效率高
滚珠丝杠副的传动效率高达90%～98%，为滑动丝杠副的2～4倍，能高效地将扭力转化为推力，或将推力转化为扭力。
2.传动灵敏平稳
滚珠丝杠副为点接触滚动摩擦，摩擦阻力小、灵敏度好、启动时无颤动、低速时无爬行，可μ级控制微量进给。
3.定位精度高
滚珠丝杠副传动过程中温升小、可预紧消除轴向游隙和初级弹性形变、可对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，故可获得较高的定位精度和重复定位精度。
4.精度保持性好
滚珠及滚道硬度达HRC58～63，滚道形状准确，滚动摩擦磨损极小，具有良好的精度保持性、可靠性和使用寿命。
5.传动刚度高
滚珠丝杠副内外滚道均为偏心转角双圆弧面、在滚道间隙极小的时也能灵活传动。
需要时加一定的预紧载荷则可消除轴向游隙和初级弹性形变以获得良好的刚性（此时使用寿命有所减少）。
6.同步性能好
滚珠丝杠副因具有导程精度高、灵敏度好的特点，在需要同步传动的场合，用几套相同导程的滚珠丝杠副可获得良好的同步性能。
典型滚珠丝杠副的制造范围
1、公称直径及导程组合（mm）
公称直径
d0
导程Ph
4
5
6
8
10
12
16
20
25
32
40
12、16
★
★▲
20
★
★▲
★
☆
25
★
★▲
★
★
★▲
☆
32
★
★▲
★
★
★▲
☆
40
★
★▲
★
★
★▲
★
☆
50
★
★
★
★▲
★
★
★
☆
63
★
★▲
★
★
★
☆
80
★▲
★
★
★
100
★
★
★
120，125
★
★
160
★
★
★—常规磨制丝杠☆—大导程磨制丝杠▲—常规轧制丝杠
2、全长及精度（mm）
冷轧滚珠丝杠副的最大全长一般为6000mm，精度有C5和C7两种。
磨制滚珠丝杠副的全长和精度根据规格有所不同，详见下表：
≤500
500-1000
1000-1500
1500-2000
2000-2500
2500-3000
3000-3500
3500-4000
4000-5000
5000-6000
>6000
12
3、4、5
7、10
16
1、2
3、4、5
7、10
20
1、2
3、4、5
7、10
25
1、2
3、4、5 7、10
32
1、2 3、4
5 7、10
40
1、2
3、4、5
7、10
50
1、2
3、4、5
7、10
63
1、2
3、4、5
7、10
80
1、2
3、4、5
7、10
100
1、2
3、4、5
7、10
120
1、2
3、4、5
7、10
125
1、2
3、4、5
7、10
160
1、2
3、4、5
7、10
注：
（1）公称直径大于或等于80，且导程不小于16的滚珠丝杠副可以接长制造，接长丝杠全长可以超出上表范围。
（2）螺纹部分需按照“公称直径及导程组合”选取，其余轴颈根据用户设计要求制造。
典型滚珠丝杠副的结构形式
1、结构形式
形式
滚珠螺母类型
主要用途
选用频度
FF
内循环浮动式法兰型单螺母磨制滚珠丝杠副，带防尘圈
传动为主，定位要求一般，普通环境
★★★★★
FFb
内循环浮动式法兰型单螺母磨制滚珠丝杠副，不带防尘圈
传动为主，定位要求一般，清洁环境
★
FFB
内循环浮动式法兰型变位导程预紧单螺母磨制滚珠丝杠副，带防尘圈
定位要求较高，空间紧凑，普通环境
★★★
FFbB
内循环浮动式法兰型变位导程预紧单螺母磨制滚珠丝杠副，不带防尘圈
定位要求较高，空间紧凑，清洁环境
★
FFZD
内循环浮动式法兰型垫片预紧双螺母磨制滚珠丝杠副，带防尘圈
定位要求很高，能调预载力，普通环境
★★★★★
FFbZbD
内循环浮动式法兰型垫片预紧双螺母磨制滚珠丝杠副，不带防尘圈
定位要求很高，能调预载力，清洁环境
★
FFZ
内循环浮动式法兰型增大钢球消隙单螺母磨制滚珠丝杠副，带防尘圈
定位要求一般，空间紧凑，普通环境
★★★
FFbZb
内循环浮动式法兰型增大钢球消隙单螺母磨制滚珠丝杠副，不带防尘圈
定位要求一般，空间紧凑，清洁环境
★
DGF
端盖式多线大导程法兰型无预紧单螺母磨制滚珠丝杠副，带防尘圈
高速传动，定位要求一般，清洁环境
★★
DGZ
端盖式多线大导程直筒型无预紧单螺母磨制滚珠丝杠副，带防尘圈
高速传动，定位要求一般，清洁环境
★★
SFU
内循环浮动式法兰型单螺母冷轧滚珠丝杠副，带防尘圈
传动为主，定位要求一般，普通环境
★★★★★
DFU
内循环浮动式法兰型垫片预紧双螺母冷轧滚珠丝杠副，带防尘圈
定位要求较高，能调预载力，普通环境
★★★★★
FFZL
内循环浮动式分体型螺纹预紧双螺母磨制滚珠丝杠副
普通车床标准数控改造，定位精度高
★
BS
标准磨制滚珠丝杠副
已系列化的机床专用，形式根据各机床
★
注：
FFZ、FFbZb型滚珠丝杠副的所有联接尺寸和性能参数同FF、FFb型滚珠丝杠副。
2、编号规则
编号示例：
SFU32×10HLH-3-P5/1600×1200
符号
意义
备注
SFU
结构形式（参见“结构形式”表）
根据使用要求及环境等选定
32×10
公称直径（32）
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