数控机床机械系统及其故障诊断与维修教案.docx

《数控机床机械系统及其故障诊断与维修》教案
学科名称
数控机床机械系统及其故障
诊断与维修 （劳动出版社）
授课班级

授课时数
2课时
授课日期
年 月 日
课 题
§3—4 数控机床进给传动系统——滚珠丝杠

教学目的

与

要 求

1、理解滚珠丝杠在数控机床中作用和重要性。
2、了解滚珠丝杠螺母副的结构和原理。
3、掌握对滚珠丝杠螺母副的调试和维护保养。

教学重点

与

教学难点

1、滚珠丝杠的内循环式和外循环式。
2、滚珠丝杠的安装支撑方式。
3、轴向间隙的调整。
教学方法
主要采用多媒体播放彩色剖视图，比较直观地启发学生的思维，并通过教师的分析讲授，板书和黑板上作图，让学生较快的获取知识，掌握技能。

授 课
主要教具

1、多媒体
2、绘图工具：三角板、圆规。

课外作业
（练习题或思考题）

作业：P86
审 阅

年 月 日
§3——4 滚 珠 丝 杠
一、滚珠丝杠结构
1、 滚珠丝杠副的种类与结构 10＇
滚珠丝杠螺母副：是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。
工作原理是：当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动，如图3—4—1和图3—4—2

1—返向器2—螺3—丝杠4—滚珠 （a）单圆弧 （b）双圆弧
图 3—4—1滚珠丝杠副 图3—4—2 螺纹滚道型面

按滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式两种。
1）内循环式
内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。如图3—4—3。在螺母的侧面孔内，装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有2—4个反向器，并沿螺母圆周均匀分布。
优缺点：滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但制造精度要求高。

图3—4—3 内循环示意图 1—凸键 2、3—反向键
2）外循环式
外循环方式的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。如图3—4—4，（a）为螺旋槽式外循环（b）为插管式外循环。
优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。

图3—4—4 外循环示意图
（a）螺旋槽式：1—套筒；2—螺母；3—滚珠；4—挡珠器；5—丝杠
（b）插管式：1—弯管；2—压板；3—丝杠；4—滚珠；5—滚道
2、滚珠丝杠副的结构参数 5＇
滚珠丝杠副的主要参数有：公称直径D、导程L和接触角β。
1）公称直径D：是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。它与承载能力直接有关，常用范围为30—80mm，一般大于丝杠长度的1/35—/30。
2）导程L：导程的大小要根据机床加工精度的要求确定，精度高时，导程小一些；精度低时，导程大些。但导程取小后，滚珠直径将取小，使滚珠丝杠副的承载能力下降；若滚珠直径不变，导程取小后，螺旋升角也小，传动效率将下降。因此，一般地，导程数值的确定原则是：在满足加工精度的条件下尽可能取得大一些。
3、滚珠丝杠副的结构特点 10＇
1）摩擦因素小，传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达0.92—0.96，比常规的丝杠螺母副提高3—4倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠的1/4—1/3。
2）可预紧消隙。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的间隙，反向运动时无死区，定位精度高，刚度好。
3）运动平稳，低速时不易出现爬行现象，传动精度高。
4）运动具有可逆性。可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母均可以作为主动件。
5）磨损小，使用寿命长。
6）所需传动转矩小。
7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。
8）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于处于重惯性力的作用，常需添加辅助制动装置。
4、滚珠丝杠副的的精度 2＇
滚珠丝杠副的精度等级分为1、2、3、4、5、7、10七个等级（按JB/T 3162.2—1991的规定），1级精度最高，依次递减，数控机床主要采用1—4级。
5、滚珠丝杠副的安装支撑方式 8＇
为提高传动刚度，滚珠丝杠合理的支撑结构及正确的安装很重要一般采用高刚度的止推轴承支撑结构，以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。

图3—4—5
（a）一端装止推轴承（固定-自由式）。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。
（b）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定-支承式）。当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。
（c）两端装止推轴承。。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。
（d）两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定-固定式）。为了提高刚度，
丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构形式，可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。
6、常用滚珠丝杠结构 见表3—2板书画图讲解。 10＇
二、滚珠丝杠维护
1、轴向间隙的调整 13＇
为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。除个别用单螺母消除间隙外，滚珠丝杠螺母副常用双螺母预紧消隙。其原理是：利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋轨道的两个相反侧面上，用这种方法消除间隙时，应注意预紧力不能过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。因此，一般需要经过多次调整，以保证既能消除间隙又能灵活运转。调整时除螺母预紧外，还应特别注意使丝杠安装部分和驱动部分的间隙尽可能小，并且具有足够的刚度。
1）如图3—4—6，为双螺母垫片调隙式，改变垫片的厚度，使内外两个螺母产生轴向相对位移。

图3—4—6 双螺母垫片调隙式结构
优缺点：这种调隙方式能精确地调整预紧量，结构简单，刚度高，工作可靠，但调整不方便，滚道磨损时不能随时进行调整。
2）如图3—4—7，为螺纹调隙式，转动调整螺母1，使螺母2产生轴向位移。

图3—4—7 双螺母螺纹调隙式结构 1、2—锁紧螺母
优缺点：这种调隙方式结构简单，调整方便，滚道磨损时可随时进行调整，但预紧量不很准确。
3）如图3—4—8，为齿差调隙式，通过调整螺母端头上的外齿相对内齿的啮合角度来消除间隙。

图3—4—8 双螺母齿差调隙式结构
优缺点：这种调隙方式能精确微调预紧量，工作可靠，滚道磨损时调整方便。但结构复杂，用于需获得准确预紧力的精密定位系统。
2、支撑轴承的定期检查 2＇
定期检查丝杠支撑与床身的连接是否损坏，以及导轨间的平行度是否保持在允许误差范围内，如有上述问题，要及时坚固松动部位，更换支撑轴承或调整丝杠对导轨的平行度。
3、滚珠丝杠螺母副的防护 10＇
1）若滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用防护罩防护：用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管、锥形套管、折叠式的塑料或人造革等形式的防腐蚀及耐油的防护罩。
2）如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈对螺母进行密封，密封圈厚度为螺母的2—3倍，装在滚珠螺母的两端。密封圈有接触式和非接触式两种。
4、滚珠丝杠螺母副的润滑 5＇
可用润滑剂来提高耐磨性和传动效率，润滑剂可分润滑油和润滑脂两大类。
1）润滑油：为一般机油或90号—180号透平油、140号或N15主轴油，通过壳体上的油孔注入螺母的内部。
2）润滑脂：一般采用锂基润滑脂，通常加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。
5、滚珠丝杠螺母副的使用 5＇
滚珠丝杠螺母副在使用时应注意：
1）滚珠螺母应在有效行程内运行，必要时，在行程两端配置限位装置，以避免螺母行程脱离丝杠轴而使滚珠脱落；
2）滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向时，必须防止传动停止或电动机失电后，因部件自重而产生的逆传动。
3）滚珠丝杠螺母副的正常工作环境温度范围为－60——60度。
6、滚珠丝杠螺母副的安装 10＇
滚珠丝杠螺母副仅用于承受轴向负荷，径向力、弯矩会使滚珠丝杠螺母副附加表面接触应力等负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。正确的安装是有效维护的前提。因此，滚珠丝杠螺母副安装到机床时，应注意以下几点：
1）丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。
2）安装螺母时，尽量靠近支撑轴承。
3）安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。
4）滚珠丝杠安装到机床时，请不要把螺母从丝杠上卸下来。如必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意以下几点：
（1）辅助套外径应小于丝杠底径0.1—0.2mm。
（2）辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。
（3）卸装时，不可用力过大，以免螺母损坏。
（4）装入安装孔时要避免撞击和偏心。

板书多媒体结合讲述 （10＇）

重点：
1、滚珠丝杠副是数控机床的首选。
2、内部结构和工作原理。
3、内循环式和外循环式

板书作图
（5＇）

板书讲解
（10＇）
重点
滚珠丝杠副结构的8个特点

（2＇）

板书多媒体结合讲解（8＇）

重点
四种支承方法、使用场合和特点。

板书讲解（10＇）
板书多媒体结合
（13＇）

重点：
滚珠丝杠轴向间隙
调整的3种形式、原理和调整方法

（2＇）

板书讲解（10＇）
重点：
滚珠丝杠不同位置的不同防护方法。
（5＇）

（5＇）

板书讲解
（10＇）

重点：
滚珠丝杠螺母副和螺母安装时要注意的事项。