滾珠絲桿的失效分析

前言

近幾年，越來越多的滾珠絲桿被用于各式各樣的機(jī)器，來滿足高精度與高性能的設(shè)備需求，滾珠絲桿成為使用 最廣的傳動(dòng)元件之一。在CNC的機(jī)械中，滾珠絲桿增加其定位精度及延長其使用壽命。在傳統(tǒng)的機(jī)械上，滾珠絲桿 也逐漸取代愛克姆絲桿。滾珠絲桿通常會(huì)搭配預(yù)壓力來消除機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的背隙，但若滾珠絲桿安裝不當(dāng)時(shí)就無法展 現(xiàn)其高精度與較長的壽命。此篇文章主要討論滾珠絲桿的問題與問題的預(yù)防，詳述一些測(cè)定程序來幫助使用者找出 發(fā)生不正常背隙的原因。

滾珠絲桿發(fā)生問題的原因與預(yù)防：以下敘述三種滾珠絲桿發(fā)生問題的主因及其預(yù)防方法。

間隙太大

1. 無預(yù)壓或預(yù)壓不足 無預(yù)壓的滾珠絲桿垂直放置時(shí)，螺帽會(huì)因本身的重量而造成轉(zhuǎn)動(dòng)而下滑；無預(yù)壓的絲桿會(huì)有相當(dāng)?shù)谋诚洞嬖?，?此只能用于較小操作阻力的機(jī)器，但主要的顧慮是定位精度較不要求。 上銀于不同的應(yīng)用上決定正確的預(yù)壓量，并于出貨前調(diào)好預(yù)壓；因此當(dāng)您訂購滾珠絲桿前請(qǐng)確實(shí)詳述設(shè)備的操作情況。

2. 扭轉(zhuǎn)位移太大
(1) 熱處理不當(dāng)、硬化層太薄、硬度分佈不均或材質(zhì)太軟鋼 珠、螺帽、絲桿的標(biāo)準(zhǔn)硬度分別為HRC 62~66、HRC58~62、HRC 56~62。
(2) 不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)：細(xì)長比(Slender ratio)太大…等絲桿的細(xì)長 比越小剛性越高，細(xì)長比的界限必須在60以下如果細(xì)長比太大絲桿會(huì)產(chǎn)生自重下?垂。

3. 軸承選用不當(dāng)
通常滾珠絲桿必須搭配斜角軸承，尤其是以高壓力角設(shè)計(jì)的軸承為較佳的選擇；當(dāng)滾珠絲桿承受軸向負(fù)載時(shí)，一 般的深溝滾珠軸承會(huì)產(chǎn)生一定量的軸向背隙，因此深溝滾珠軸承并不適用于此。

4. 軸承安裝不當(dāng)
(1) 若軸承安裝于滾珠絲桿而兩者貼合不確實(shí)，在承受軸向負(fù)載的情況下會(huì)導(dǎo)致背隙的產(chǎn)生，這種情形可能是由于 絲桿肩部太長或太短所造成的。
(2) 軸承承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對(duì)應(yīng)方向的鎖定螺帽面平行度不佳，會(huì)導(dǎo)致軸承的傾斜； 因此絲桿肩部的鎖定螺帽V形牙與軸承承靠面必須同時(shí)加工，才能確保垂直度，如果以研磨方式加工更好。
(3) 以兩個(gè)鎖定螺帽搭配彈簧墊圈來固定軸承，以防止運(yùn)轉(zhuǎn)中鬆脫。

5. 螺帽座或軸承座剛性不足 如果螺帽座或軸承座剛性不足，由于元件本身的重量或機(jī)器的荷載會(huì)使其產(chǎn)生偏斜。此方式用 來檢測(cè)螺帽座的剛性，類似的測(cè)試也可用來檢測(cè)軸承座的剛性。

6. 螺帽座或軸承座組裝不當(dāng)
(1) 由于震動(dòng)或未加固定銷使得元件鬆脫。以實(shí)心銷取代彈簧銷達(dá)到定位的目的。
(2) 因固定螺絲太長或螺帽座螺絲孔太淺使得螺帽固定螺絲無法鎖緊。

7. 支撐座的表面平行度或平面度超公差 不論結(jié)合元件表面是研磨或剷花，只要其平行度或平面度超出公差范圍，床臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)位置的重現(xiàn)精度將較差；因 此一部機(jī)器中，通常在支撐座與機(jī)器本體間以薄墊片來達(dá)到調(diào)整的目的。

8. 馬達(dá)與滾珠絲桿結(jié)合不當(dāng)
(1) 聯(lián)軸器結(jié)合不牢固或本身剛性不佳，會(huì)使絲桿與馬達(dá)間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)差(relative rotation)。
(2) 若不適合以齒輪驅(qū)動(dòng)或驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不是剛體，可用時(shí)規(guī)皮帶來驅(qū)動(dòng)以防止產(chǎn)生滑動(dòng)。

1. 絲桿加工工藝的問題
(1) 絲桿或螺帽珠槽表面粗糙。
(2) 鋼珠、絲桿或螺帽真圓度超出公差范圍。
(3) 絲桿或螺帽的導(dǎo)程誤差或節(jié)圓直徑超出公差范圍。
(4) 迴流管組裝不當(dāng)。
(5) 鋼珠大小或硬度不均。 以上的問題不該在高品質(zhì)的產(chǎn)品中發(fā)生才是。關(guān)于滾珠絲杠制造工藝可以點(diǎn)擊這里。

異物進(jìn)入鋼珠軌道
(1) 包裝材料阻礙鋼珠軌道：出貨時(shí)以許多的材料，如果在包裝或排列的時(shí)候未依適當(dāng)?shù)?程序來執(zhí)行，異物或其他的物體可能會(huì)阻礙鋼珠軌道，導(dǎo)致鋼珠的滑動(dòng)而非正常滾動(dòng)甚至卡死。
(2) 加工碎屑進(jìn)入軌道：滾珠絲桿若未安裝刮刷器，加工碎屑或灰塵的堆積會(huì)阻礙鋼珠軌道，造成順暢度不佳、精 度降低及減少使用壽命。

3. 過行程 過行程會(huì)造成迴流管的損傷及凹陷，甚至斷裂，而造成鋼珠無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在這惡劣的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，可能造成螺 桿或螺帽珠槽表面的剝離。過行程發(fā)生的原因可能發(fā)生于機(jī)臺(tái)設(shè)定、極限開關(guān)失效或撞車，為預(yù)防造成滾珠絲桿進(jìn)一步的損壞，重新安裝滾珠絲桿須經(jīng)製造商的重新檢修。

4. 迴流管損壞：迴流管在安裝時(shí)受到嚴(yán)重的撞擊，迴流管可能造成凹陷及引發(fā)前述相同的問題。

5. 偏心 如果螺帽座與軸承座不同心時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向負(fù)荷，兩者偏心量太大時(shí)會(huì)造成絲桿彎曲，甚至偏心的情況，不足以造 成明顯的絲桿彎曲時(shí)，異常磨耗仍持續(xù)不斷發(fā)生，并使絲桿精度迅速降低；而螺帽設(shè)定的預(yù)壓力越高偏心精度的要求越高。

6. 螺帽與螺帽座結(jié)合不當(dāng)：螺帽安裝時(shí)傾斜或偏心會(huì)造成異常負(fù)載，使馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電壓不穩(wěn)。
7. 搬運(yùn)時(shí)造成滾珠絲桿的損壞。

? 碎裂
1. 鋼珠破裂 鋼珠最常用的材質(zhì)是鉻鉬鋼，若要使一顆直徑3.175mm(1/8吋)的鋼珠破裂，約須1400kg(3080磅)~1600kg(3520 磅)。滾珠絲桿有、無潤滑于作動(dòng)時(shí)溫升差異明顯，此溫升可能造成鋼珠破裂或損壞因此造成螺帽或絲桿珠槽的損壞。因此設(shè)計(jì)過程中須考慮潤滑油的補(bǔ)充，如無法使用自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，必須將潤滑油的補(bǔ)充計(jì)劃列入保養(yǎng)手冊(cè)。

2. 迴流管凹陷或斷裂 螺帽過行程或迴流管受到撞擊會(huì)造成迴流管的凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環(huán)路徑，使得鋼珠變成滑動(dòng)而非正 常滾動(dòng)，最后造成迴流管斷裂。

3. 滾珠絲桿肩部斷裂
(1) 不當(dāng)設(shè)計(jì)：絲桿肩部應(yīng)避免銳角設(shè)計(jì)，以減少局部應(yīng)力集中。
(2) 絲桿軸頸彎曲：軸承承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對(duì)應(yīng)方向的鎖定螺帽面平行度不佳，皆會(huì)導(dǎo)致絲桿肩部的彎曲或裂；因此在鎖定螺帽鎖緊的前后，絲桿肩部偏擺量(圖A.3)不得超過0.01mm(0.004 時(shí))。
(3) 徑向力或反覆應(yīng)力：安裝絲桿時(shí)造成的偏心會(huì)產(chǎn)生異常的交變剪應(yīng)力并使?jié)L珠絲桿提早損壞。
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