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克威迩工业设备(常州)有限公司
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基于NordLock楔锁原理的双螺母滚珠丝杠副的创新设计与性能分析

基于NordLock楔锁原理的双螺母滚珠丝杠副的创新设计与性能分析

  • 分类:行业新闻
  • 作者:刘 莉① 姜洪奎② 周 亮② 田博丞② 宋现春② 李彦凤② 宋米佳② ( ①淄博职业学院机电工程学院,山东 淄博 255000; ②山东建筑大学机电工程学院,山东 济南 250101)
  • 来源:《制造技术与机床》2020年11月
  • 发布时间:2021-08-03
  • 访问量:0

【概要描述】

基于NordLock楔锁原理的双螺母滚珠丝杠副的创新设计与性能分析

【概要描述】

  • 分类:行业新闻
  • 作者:刘 莉① 姜洪奎② 周 亮② 田博丞② 宋现春② 李彦凤② 宋米佳② ( ①淄博职业学院机电工程学院,山东 淄博 255000; ②山东建筑大学机电工程学院,山东 济南 250101)
  • 来源:《制造技术与机床》2020年11月
  • 发布时间:2021-08-03
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摘要:针对国产滚珠丝杠副常常出现的因加工误差、滚道磨损等因素导致的预紧力丧失的难题,将 NordLock 楔锁特征应用于滚珠丝杠副的结构设计中,提出了一种新型预紧滚珠丝杠副。该预紧机构由 左、右两个楔锁垫片组成,使双螺母与丝杠轴产生相对位移,从而产生轴向预紧力; 同时,两垫片的楔 锁效应使得预紧力大小保持不变。根据楔锁效应和滚珠丝杠副的结构参数,确定了楔形预紧垫片的 关键结构参数。应用 SolidWorks 建立了三维几何模型,应用 Ansys 有限元软件对新型滚珠丝杠副 进行了瞬态动力学分析和模态分析。结果表明,这种新型结构能够有效地实现自我预紧,有望成为 一种具有良好应用前景的高可靠性、长寿命的滚珠丝杠副。

滚珠丝杠副具有高效快速、零间隙高刚度传动、跟 随灵敏、绿色且适应性强等特点,因此广泛应用于数控 机床的重要进给驱动部件,其性能直接影响着数控机 床的加工精度和性能[1]。从 2018 年中国质量协会发 起的数控机床用户满意度调查情况可看出,虽然国产 滚珠丝杠副质量不断提高[2],但是与国外相比,目前 国产滚珠丝杠副的精度保持性和性能可靠性存在较大 差距[3]。 

    滚珠丝杠副的预紧方式与滚珠丝杠副的精度、预 紧力丧失密切相关[4]。对滚珠丝杠副施加预紧力的目的是消除滚珠丝杠副的反向间隙,但同时也加大了 滚珠与滚道之间的工作载荷,从而带来了滚道磨损、温 升、噪音等问题[5-6]。目前滚珠丝杠副常用的预紧方 式主要是机械式预紧。对于单螺母滚珠丝杠副,一般 采用偏大点的滚珠提供预紧力,而双螺母预紧方式主要 有垫片式、螺纹式、齿差式及弹簧式[7]。这些预紧方式 在预紧力调整、安装等方面都各有优缺点,见表 1。

 以上机械式预紧方式具有功能实用、性能可靠、成 本低等特点,得到了广泛应用.但是在实际应用中,由 于材料、磨损与预紧力耦合机制等原因,以上机械式结 构往往会使滚珠丝杠副的预紧力过早丧失,从而导致 滚珠丝杠副的精度保持性、使用寿命过短[8]。随着数 控制造领域尤其是数控机床的智能化、信息化的发展 趋势,这些传统机械式预紧的滚珠丝杠副已不能满足 高可靠性要求[9]。 

    目前通过应用新材料实现滚珠丝杠副预紧力实时 可控、可补偿的方式成为当前研究热点。清华大学李 铁民[10]利用压电陶瓷能够精确控制伸缩量的属性提 出了一种丝杠螺母预紧力和预拉伸量可控调节的装 置。山东大学林明星[11]、王庆东[12]利用超磁致材料 的正逆效应,通过传感器获取滚珠丝杠副的预紧力的 变化,实现了滚珠丝杠副预紧力的自感知功能,在此基 础上设计并优化了超磁致伸缩的滚珠丝杠副螺母预紧 系统。虽然超磁致伸缩、压电陶瓷材料具有响应快、易 控制的特点,但是同时具有成本高、刚度低等缺点,因 此新材料在滚珠丝杠副预紧上的应用还需要进一步改 进才能满足实际要求。 

    针对上述滚珠丝杠副预紧方式的局限性,本文应 用 NordLock 原理提出了一种新型滚珠丝杠副预紧结构,设计并建立了三维模型,确定了关键技术参数,并 应用有限元仿真对比分析了新型预紧结构和传统的垫 片式预紧滚珠丝杠副刚度和预紧性能。 

1 NordLock 楔锁原理 

    NordLock 垫圈的结构如图 1 所示,这种防松垫 圈,由两片相同的垫圈组成,每片的上、下面带有不同 锯齿。一面为凸轮状大齿,其斜坡角度 α 大于螺栓螺 纹角 β,另一面为较密小齿[12]。

 NordLock 垫圈所具有的楔入锁紧功能是利用张 力代替摩擦力实现的。在预紧状态时,垫圈的放射状 锯齿面紧紧咬住螺栓接触面,使垫圈固定住,只允许大 齿面间的相对移动; 在振动发生时,大齿面会错动抬 升,并因为 α 角大于 β 角,两片垫圈之间的抬升距离大 于因螺纹滑动引起的螺栓或螺母抬升的距离,从而锁 住螺栓,这样有效阻止了螺栓连接副发生松动的倾向。因此 NordLock 垫圈提供了一种不会受任何振动或动 力负载影响的螺栓安全锁紧系统。

 双螺母垫片式预紧的结构形式如图 2 所示。弹性 垫片放置在螺母 A 和螺母 B 之间,通过增加螺母与丝 杠之间的相对轴向距离,以达到滚珠丝杠副预紧的效 果。可以看出,双螺母滚珠丝杠副预紧结构形式与螺 栓垫片预紧方式基本相同。 

    双螺母滚珠丝杠副的垫片所受到的负载分为两 类: ( 1) 内部负载,来自螺母、丝杠的导程误差、滚珠循 环情况; ( 2) 外部载荷,源自外部载荷如切削力振动等。虽然与螺栓垫片预紧负载完全来自外部载荷的形 式不同,但是因为 NordLock 垫圈能够适应任何振动, 因此,NordLock 的楔锁原理完全可以应用到双螺母滚 珠丝杠副的预紧结构中。 

2 新型滚珠丝杠副结构设计 

2.1 整体结构设计

本文所设计新型预紧滚珠丝杠副的三维结构组成 如图 3 所示。螺母 A 与螺母 B 沿丝杠轴向放置。楔 紧块 A 与楔紧块 B 锯齿面相互啮合,两楔紧块通过紧 固螺栓与双螺母外表面进行紧固,目的是防止运行过 程中楔紧块与螺母产生滑动。楔紧块锯齿面的倾角大 于螺母/丝杠的螺旋升角,当楔紧块斜齿面间沿其厚度 方向产生轴向位移时,产生抬升张力,从而达到保持丝 杠副的预紧力不变。

2.2 楔紧块设计 

    楔紧块的选用需要考虑丝杠副的使用及条件、螺 母所受的预紧力等,因此综合考虑以上因素,楔紧块设 计流程有以下步骤:

( 1) 确定初始条件。

( 2) 计算螺母最大预紧力。本文以螺母能承受的 最大预紧力为准。

( 3) 确定螺母拧紧力与松退力。

( 4) 确定楔紧块的尺寸,例如大径、小径、厚度等 尺寸参数。

( 5) 单齿齿顶尺寸设计。

( 6) 单齿倾角尺寸设计。 

    以 2005-3 滚珠丝杠副为设计原形,设计滚珠丝 杠副、楔紧块的几何参数如表 2、表 3。

3 仿真验证实验 

    为了验证新型预紧滚珠丝杠副的性能,本文使用 有限元方法分析了瞬态动力学性能,并与传统的垫片 式预紧滚珠丝杠副进行对比。 

3.1 动力学模型 

    根据设计参数使用 SolidWorks 建立三维建模,并 通过中间格式转换到 ANSYS Workbench 中的瞬态动 力学模块( transient structural) ,生成的动力学模型如 图 4 所示。

在未产生磨损时,滚珠丝杠副振动源主要来自丝 杠轴的螺距误差造成的轴向振动[13],而产生螺距误差 主要是因为加工工艺水平及加工环境的影响。假定载 荷的施加情况如下: 通过两个楔紧块对丝杠副施加大 小为3 000 N的预紧力,对整个螺母副施加一个沿 Z 轴 方向变化的振动加速度( 具体数值如图 6 所示) ,目的 是模拟丝杠副的轴向振动,时 间 为 0. 1 s,加 速 度 为9.81 m /s 2 。

3.2 预紧力的变化 

    在有限元仿真的后处理结果中添加 contact tool, 即可以观察施加预紧力后各部件间的接触情况。各部 件间的接触情况如图 7 所示。

 如图 7b 所示,楔紧块斜面接触状态可分为三部 分,斜面大部分处于接近状态,每一锯齿边缘都有一部 分处于滑移状态,在滑移状态部分还有很小的一部分 处于粘结状态。在后处理中添加 force reaction 功能, 即可以观察滚珠丝杠副预紧力在振动状态下随时间变 化的情况。 

    如图 8 所示,当振动发生后,滚珠丝杠副预紧力随 之产生变化。在振动开始阶段( 0 ~ 0.01 s) ,预紧力波 动范围较大; 在( 0.02 ~ 0.12 s) 范围,预紧力大小逐渐 稳定在 3 000 N 内。 

3.3 楔紧块间的滑移变化 

    两楔紧块的接触面( 楔紧块 A) 相对于目标面( 楔 紧块 B) 在振动状态下产生的滑移距离如图 9 所示。 

    从图 9 中可以看出,在振动伊始( 0~ 0.01 s) ,两楔紧块发生轴向移动,距离变化趋势都呈增大趋势; 在 0.02~ 0.012 s 时,两楔紧块的移动距离保持在某一固 定范围内。轴向移动距离变化与预紧力变化情况相对 应,因此楔紧块 A 与楔紧块 B 存在楔锁效应。

3.4 耐磨损性能对比 

    磨损是滚珠丝杠副预紧力丧失的主要原因之一, 而预紧力丧失的主要表现是整体滚珠丝杠副固有频率 和振型发生改变。为了确定新型预紧滚珠丝杠副的性 能,分别对滚道无磨损和磨损两种状态下的新型预紧 滚珠丝杠副和垫片式滚珠丝杠副进行模态分析。由于 滚珠丝杠副的磨损主要是由滚珠在螺母滚道和丝杠滚 道的滚滑运动导致的,同时滚珠丝杠副内的滚珠硬度 一般比滚道的硬度要高,滚道的磨损往往发生在螺旋 滚道内。因此设定磨损后的螺旋滚道直径增大为 0.01 mm。固有频率和振型对比结果如下。

3.5 模态结果分析 

( 1) 由图 10、11 可以看出,无论是磨损状态还是 未磨损状态,新型预紧滚珠丝杠副的一到六阶振型皆 表现为沿 X 轴或 Y 轴的径向弯曲振动。其一阶、二阶 模态所得结果相近,这是因为两结果属于特征值重根, 是滚珠丝杠副在不同平面内的一阶弯曲振动。双螺母 垫片式滚珠丝杠副的振型变化与之相同。

( 2) 由表 4、表 5 可知,无磨损状态下的新型丝杠 副和垫片式丝杠副的频率,三阶时新型滚珠丝杠副固 有频率比垫片式固有频率大 7.18 Hz,六阶时大 14.17 Hz。因此,无磨损状态下新型丝杠副固有频率大于垫 片式式固有频率; 当丝杠副磨损后,三阶时新型丝杠副 固有频率比垫片式固有频率大 7.33 Hz,六阶时大 15 Hz。因此可以看出无论是有无磨损的情况,新型预紧滚珠丝杠副的动刚度都要高于垫片式滚珠丝杠副。

4 结语 

    新型滚珠丝杠副能够有效地实现自我预紧。与传 统垫片式滚珠丝杠副的模态相比,新型预紧滚珠丝杠 副的动刚度都要高于垫片式滚珠丝杠副。在螺旋滚道 出现微量磨损的情况下,新型预紧滚珠丝杠副仍然能 够较好地保持滚珠丝杠副的动态性能。

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