【機(jī)械cax360第427期】在傳動(dòng)界，滾珠絲桿是不可或缺的關(guān)鍵機(jī)械部件。它是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。

▲滾珠絲杠

01

滾珠絲杠是由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，是將軸承從滑動(dòng)動(dòng)作變成滾動(dòng)動(dòng)作。

1898年，人們首次嘗試在螺帽與螺桿之間加入鋼珠，將傳統(tǒng)螺桿的滑動(dòng)接觸轉(zhuǎn)換成滾動(dòng)接觸；以滾動(dòng)摩擦取代滑動(dòng)摩擦，將螺帽內(nèi)的鋼珠回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為線性運(yùn)動(dòng)，將扭矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，以此來改善傳統(tǒng)螺桿定位不佳及易損害的情況。

滾珠絲杠是由德克薩斯州的Rudolph G. Boehm發(fā)明，于1929年被授予美國(guó)專利。

當(dāng)滾珠絲杠作為主動(dòng)體時(shí)，螺母就會(huì)隨絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度按照對(duì)應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠組件是金屬的，通常是鋼制的，由內(nèi)螺紋螺母和螺桿組成，螺母的螺旋槽與螺桿的螺旋槽相匹配。

在凹槽內(nèi)部，包含在螺母里的是許多由鉻鋼制成的小球。當(dāng)滾珠在螺母中循環(huán)時(shí)，滾珠在螺桿下方提供平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)流板或返回系統(tǒng)保持球并使它們通過螺母循環(huán)。

與電機(jī)一起使用時(shí)，滾珠絲杠的效率高達(dá)90％。它們相當(dāng)精確，每英尺幾千分之一英寸的精度。許多行業(yè)都使用滾珠絲杠進(jìn)行精確控制，包括航空航天，計(jì)算機(jī)，電子，汽車和醫(yī)療行業(yè)。

滾珠絲杠也經(jīng)常用于制造過程，在機(jī)器人、自動(dòng)化裝配線、材料處理設(shè)備、輸送機(jī)、機(jī)床、電線控制和精密裝配設(shè)備中都很常見。

02

滾珠絲杠組件是由螺桿和螺母組成，每個(gè)都帶有匹配的螺旋槽，滾珠在這些槽之間滾動(dòng)，提供螺母和螺桿之間的唯一接觸。

當(dāng)螺桿或螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠被偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)到螺母的球返回系統(tǒng)中，并且它們以連續(xù)的路徑穿過返回系統(tǒng)到達(dá)滾珠螺母的相對(duì)端。然后滾珠從返回系統(tǒng)退出到滾珠絲杠和螺母螺紋滾道中，以便在閉合回路中再循環(huán)。

滾珠螺母決定滾珠絲杠組件的負(fù)載和壽命。滾珠螺母回路中的螺紋數(shù)量與滾珠絲杠上的螺紋數(shù)量之比，決定滾珠螺母將比滾珠螺桿更快地達(dá)到疲勞失效（磨損）的程度。

滾珠螺母包含兩類滾珠返回方式，外循環(huán)式和內(nèi)循環(huán)式。

外循環(huán)式：滾珠通過返回管回到回路的相對(duì)端，滾珠返回管突出于滾珠螺母的外徑之上。

▲外循環(huán)式滾珠螺母

內(nèi)循環(huán)式：滾珠通過或沿著螺母壁返回，低于滾珠螺母的外徑。

▲內(nèi)循環(huán)式滾珠螺母

內(nèi)循環(huán)式有一個(gè)旋轉(zhuǎn)回路（如上圖所示），滾珠被迫通過返回系統(tǒng)爬過螺桿上的螺紋頂部，這被稱為交叉偏轉(zhuǎn)器型內(nèi)部返回系統(tǒng)。在交叉偏轉(zhuǎn)器類型的滾珠螺母中，滾珠僅使軸旋轉(zhuǎn)一圈，并且回路由螺母（C）中的球偏轉(zhuǎn)器（B）封閉，允許滾珠在點(diǎn)處的相鄰凹槽之間交叉（ A）和（D）。

▲內(nèi)循環(huán)式滾珠螺母

當(dāng)長(zhǎng)滾珠絲杠高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，一旦長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到該軸尺寸的自然諧波，它就會(huì)開始振動(dòng)。這稱為臨界速度，可能對(duì)滾珠絲杠的使用壽命非常不利。（安全運(yùn)行速度不應(yīng)超過螺桿臨界速度的80％）

▲旋轉(zhuǎn)球螺母組件

有些應(yīng)用需要更長(zhǎng)的軸長(zhǎng)和高速，這都是需要旋轉(zhuǎn)滾珠螺母組件的地方。

03

滾珠絲杠原本只有英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家能夠量產(chǎn)。自1982年開始，何豐精密公司在臺(tái)中縣潭子設(shè)廠生產(chǎn)滾珠絲杠，正式開啟臺(tái)灣自己生產(chǎn)此類高精度零件的時(shí)代。

1989年何豐改制并更名為上銀科技（HIWIN）。上銀已成為全球第三大滾珠絲桿、線性滑軌等精密機(jī)械業(yè)者（前兩名是日本廠商THK和NSK）。

滾珠絲桿市場(chǎng)占有率第二的是日本NSK公司，成立于1916年，NSK在軸承領(lǐng)域穩(wěn)居日本首位，同時(shí)在全世界也位居前列。

NSK滾珠絲桿被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)，機(jī)床，注塑機(jī)以及其他普通產(chǎn)業(yè)。