滾珠絲杠的高速化應用
摘要：自2008年11月日本Jimtof工具機展，高速化、高精度、復合式、低噪音、環(huán)?；椭悄芑纫呀?jīng)成為近年來工具機發(fā)展的趨勢。其中高速化、高精度、低噪音等的關鍵技術已經(jīng)應用于機械結構中的進給系統(tǒng)，因此滾珠絲杠的高速化應用顯得重要。
此外，隨著為信息科技(IT)產(chǎn)業(yè)精密零組件的發(fā)展，節(jié)能、精密、控制穩(wěn)定與潔凈等已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。而滾珠絲杠具有高機械效率及負荷的性能，因此以伺服馬達和滾珠絲杠作為驅動系統(tǒng)的全電伺服式射出成形機將逐漸取代傳統(tǒng)油壓式的塑料射出成形機的趨勢，也突顯出滾珠絲杠高負載應的重要性。
關鍵詞：DmN值、高速絲杠、溫升、噪音、潤滑。
滾珠絲杠的高速化應用
進給系統(tǒng)的高速化一直是各設備業(yè)者追求的目標，因此滾珠絲杠的高速設計更為重要。滾珠絲杠的高速設計需考慮以下的因素：
1、DmN值的問題：
以絲杠外徑32mm、導程12mm的滾珠絲杠而言，若要達到60m/min的高進給速度，絲杠的高轉速則需達到5000rpm，因此DmN值接近160,000，此時滾珠絲杠的循環(huán)裝置的選用非常重要。例如果采用端塞式循環(huán)(上銀科技的Super
S系列)，鋼珠進入與出口的設計皆采切線的方式，大量降低鋼珠對循環(huán)裝置的撞擊，才能達到DmN值220,000的要求。
2、溫升的問題：
滾珠絲杠的發(fā)熱量與放熱量皆與轉速有關聯(lián)，溫升與轉速的比例關系約為0.5次方，轉速越低滾珠絲杠的發(fā)熱量越小，因此于高速化的使用需求上，加大導程的方式要比加快馬達轉速的方式要來得有效。滾珠絲杠之溫升計算公式如下：
其中：
θ：溫度上升值（℃）。
Q：每單位時間的發(fā)熱量（kcal/hr）
β：單位時間溫差的散熱量(kcal/hr℃)
n：轉速(rpm)
J：熱功當量(427kgf-m/kcal)
T：摩擦扭矩(kg-cm)
K：摩擦系數(shù)(0.1~0.2)
：預壓力(kgf)
l：導程(mm)
：軸向力(kgf)
：機械效率(0.9~0.95)
ａ：鋼的傳導率(38)
A：放熱面積( )、A=π×絲杠外徑×螺紋長度
CM：熱容量(kcal/℃)、CM=鋼的比熱×鋼的密度×絲杠體積=鋼的比熱×絲杠質量
鋼的比熱(0.11kcal/kg℃)、鋼的密度(0.00785kg/ )
t：時間(hr)
當式中的時間項t越大時，θ接近滾珠絲杠的溫升飽和值。一般絲杠的材質為50CrMo4或SCM445，其熱膨脹系數(shù)約為11.6×10-6，若將上述溫升計算式所得的溫升值代入上述的公式即可獲得絲杠的熱變形量。
為了降低滾珠絲杠在高速時所產(chǎn)生的熱變位情況，可采用強制冷卻的方式。一般分為外部冷卻式以及內(nèi)部冷卻式兩種，外部冷卻式采用油霧的方式來降低絲杠的溫度，而內(nèi)部冷卻的方式有絲杠中空冷卻和螺帽冷卻。
3、噪音的問題：
滾珠絲杠噪音的來源大概可分為鋼珠與鋼珠之間的撞擊、鋼珠與循環(huán)裝置的撞擊以及鋼珠與螺帽和絲杠之螺紋溝的滾動摩擦聲音等三種。其中鋼珠與鋼珠之間的撞擊以及鋼珠與循環(huán)裝置的撞擊聲音很大，可藉由回流組件的選用。
靜音式滾珠絲杠的特色是在鋼珠與鋼珠之間置入工程塑料材質的間格子，由于工程塑料材質具有較鋼珠低的硬度以及良好的阻尼效果，如此不但可以消除鋼珠與鋼珠之間的碰撞聲音，亦可避免鋼珠與鋼珠之間的相互摩擦而讓滾珠絲杠的預壓扭力更平穩(wěn)。
4、潤滑的問題：
滾珠絲杠常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂二種，由圖14的測試結果發(fā)現(xiàn)此二種潤滑劑的種類和黏度的選用皆會影響滾珠絲杠運動時的溫升情況，而采用較低黏度的潤滑油可以得到較低的溫升。然而當滾珠絲杠須承受較高的軸向負載時，過低的潤滑油黏度會造成油膜形成的阻礙，導致邊界潤滑而使金屬接口相互接觸摩擦、磨耗，造成更高的溫升。因此潤滑油黏度的選用非常重要，在不同的環(huán)境溫度和負荷情況下皆有不同的建議。
此外，潤滑周期和量也非常重要。潤滑油的給油周期建議以少量多餐的模式，圖15為上銀科技公司進行潤滑油的給油周期對噪音的影響測試結果。當滾珠絲杠的規(guī)格為R32-10B1-OFSW-680-929-0.018，絲杠轉速為1000rpm的條件進行測試，結果發(fā)現(xiàn)潤滑15分鐘后若未進行給油，噪音值會上升。因此對于滾珠絲杠的注油率(Q)公式建議為：
其中d為絲杠外徑(mm)
潤滑脂的使用建議則為每100km (或3~6個月)填充一次，填充量為30~50%之絲杠與螺帽之間的空間(需扣除滾珠所占的空間)。
表一 精密滾珠絲杠精度表(1)
表二 滾珠絲杠國際標準精度等級(1)
本文公式摘自HIWIN絲杠培訓資料。
成都海科技術部
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