滚珠丝杠副如何实现高速、精密、静音、耐用,是企业在设计制造过程中孜孜不倦的追求[8]。国外许多丝杠副生产产家如日本THK、NSK从20世纪70年代开始研究实验,驱动线速度20~40m/min,90年代末达80m/min,而现在最高线速度达到120m/min,并成功应用于数控机床。根据最新资料显示,NSK公司在试验条件下已经使滚珠丝杠副的线速度提高到200m/min。欧洲一些发达国家也在20世纪90年代开始研制高速丝杠副,其运动速度达到90m/min。9871
国外许多制造滚珠丝杠的公司,除了致力于改革加工工艺外,都把检测手段的更新换代放在优先的地位。经过多年的开发和试验,已形成了一套较为完整的检测体系,它们包括有:导程精度测量仪、触针式轮廓测量仪、动态预紧力矩测量仪、寿命试验机和接触刚度测量机等。这些检测仪器都有几个值得注意的特点[9]:
(1)采用微处理机或计算机,对检测资料自动判别和处理
如日本NSK公司,在LMS型3m激光丝杠动态测量仪上加了一套“导程精度自动评定系统”(Lead Accuracy Measuring System)。它主要完成如下三个功能:①迅速完成数据处理,输出导程误差曲线,并根据JIS或ISO滚珠丝杠副标准判断出精度等级;②通过对图形放大、滤波获得精确数据,对误差做出统计分析;③对导程误差曲线进行谐波分析。
(2)测量方式向动态连续测量方向发展
为了获得与实际滚珠丝杠副工作状态接近的各种性能资料,一般采用动态连续测量。如日本NSK公司研制的卧式连续动态预紧力矩测量机,安装在生产现场的装配工段,使用时滚珠丝杠首先以300r/min的速度跑合50个回合,然后自动转入低速并开始自动测量和记录。
(3)检测仪器多功能化
联邦德国林德纳公司研制的GMM-4导程测量机,对于各种不同牙型的丝杠,可以同时完成螺纹中径、单面导程误差及双面大导程误差的测量。而且,还能够对装配后的滚珠丝杠副同时进行综合导程精度和空载预紧力矩的测量。
随着现代测试技术的快速发展,光电技术、数字化技术、微处理技术、图像显示技术、自动化技术得到了广泛的应用,智能化技术、柔性测试、计算机辅助测试等也得到了广泛的发展及应用,滚珠丝杠副的自身发展正在伴随数字化控制技术的广泛应用而不断走向高速度、高性能、复合化、环保型的新时代[10]
2 国内滚珠丝杠的发展及性能研究现状
滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已经有100多年的历史了,而在我国却只有40多年的开发研制、专业生产的历史。在这种情况下,我国滚珠丝杠产业的发展水平与国外的水平相比就出现了较大的差距。从产品总体水平来看,我国滚动功能部件产业与国外的主要差距是:专业生产水平不高,信息化管理滞后,产业化进程缓慢,个性化服务跟不上。中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平,但生产效率却远远低于国外。而高性能、高档次的产品与NSK、THK、INA等知名企业有明显差距,成为制约国产高档数控机床发展的瓶颈[11]。
自1964年我国自行研制出第一套滚珠丝杠副以来,随着产品的应用范围的不断扩大及制造水平逐渐提高,滚珠丝杠副制造技术在经历了起步、发展、成熟阶段之后,现在已经进入了赶超世界先进潮流的阶段。
我国自20世纪50年代以来,北京机床研究所、南京理工大学、华中科技大学、和山东大学等单位对滚珠丝杠副做了大量的研究工作。瓦轴集团的王希悦等对插管式滚珠丝杠副回程角的设计计算进行了研究;南京理工大学张超鹏等提出了五次抛物型回珠曲线的设计方法;北京机床研究所和北京试验机床滚珠丝杠副科技攻关组研究了内循环浮动式反向器的摩擦特性;西安交通大学梅雪松等对滚珠丝杠副的载荷分布和制造误差之间的关系进行了理论分析,黄寿荣、黄家贤从制造误差及反向器冲击方面对滚珠丝杠副的摩擦力矩进行了分析[12],山东大学的宋现春、华中科技大学的宋洪涛、徐志良、王永业、徐健等研究了滚珠丝杠磨削精度的控制,对磨削过程中的丝杠的温升和热变形进行了估计和预报,采用前馈和激光反馈等方法对误差进行补偿。上海江宁机床厂的赵训贵针对丝杠螺纹滚道误差对接触角和变位导程及摩擦力矩的影响及相互关系进行了分析;近些年来,北京机床研究所焦洁、南京理工大学冯虎田、殷爱华等对滚珠丝杠副的测量工作展开了卓有成效的研究,开发了滚珠丝杠螺距误差测量仪和综合性能试验台等测试设备。这些研究工作对完善滚珠丝杠副测试技术,以及提高国产滚珠丝杠副的精度与性能指标都起到了非常重要的作用。
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