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器，來滿足高精度與高性能的設備需求，滾珠絲桿成為使用 最廣的傳動元件之一。在CNC的機械中，滾珠絲桿增加其定位精度及延長其使用壽命。在傳統(tǒng)的機械上，滾珠絲桿 也逐漸取代愛克姆絲桿。滾珠絲桿通常會搭配預壓力來消除機器運轉時的背隙，但若滾珠絲桿安裝不當時就無法展 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防，詳述一些測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)生問題的原因與預防：以下敘述三種滾珠絲桿發(fā)生問題的主因及其預防方法。

間隙太大

1. 無預壓或預壓不足 無預壓的滾珠絲桿垂直放置時，螺帽會因本身的重量而造成轉動而下滑；無預壓的絲桿會有相當的背隙存在，因 此只能用于較小操作阻力的機器，但主要的顧慮是定位精度較不要求。 上銀于不同的應用上決定正確的預壓量，并于出貨前調好預壓；因此當您訂購滾珠絲桿前請確實詳述設備的操作情況。

2. 扭轉位移太大
(1) 熱處理不當、硬化層太薄、硬度分佈不均或材質太軟鋼 珠、螺帽、絲桿的標準硬度分別為HRC 62~66、HRC58~62、HRC 56~62。
(2) 不當的設計：細長比(Slender ratio)太大…等絲桿的細長 比越小剛性越高，細長比的界限必須在60以下如果細長比太大絲桿會產生自重下?垂。

3. 軸承選用不當
通常滾珠絲桿必須搭配斜角軸承，尤其是以高壓力角設計的軸承為較佳的選擇；當滾珠絲桿承受軸向負載時，一 般的深溝滾珠軸承會產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
(1) 若軸承安裝于滾珠絲桿而兩者貼合不確實，在承受軸向負載的情況下會導致背隙的產生，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，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳，會導致軸承的傾斜； 因此絲桿肩部的鎖定螺帽V形牙與軸承承靠面必須同時加工，才能確保垂直度，如果以研磨方式加工更好。
(3) 以兩個鎖定螺帽搭配彈簧墊圈來固定軸承，以防止運轉中鬆脫。

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器的荷載會使其產生偏斜。此方式用 來檢測螺帽座的剛性，類似的測試也可用來檢測軸承座的剛性。

6. 螺帽座或軸承座組裝不當
(1) 由于震動或未加固定銷使得元件鬆脫。以實心銷取代彈簧銷達到定位的目的。
(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，床臺運動時位置的重現(xiàn)精度將較差；因 此一部機器中，通常在支撐座與機器本體間以薄墊片來達到調整的目的。

8. 馬達與滾珠絲桿結合不當
(1) 聯(lián)軸器結合不牢固或本身剛性不佳，會使絲桿與馬達間產生轉動差(relative rotation)。
(2) 若不適合以齒輪驅動或驅動結構不是剛體，可用時規(guī)皮帶來驅動以防止產生滑動。

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) 絲桿或螺帽的導程誤差或節(jié)圓直徑超出公差范圍。
(4) 迴流管組裝不當。
(5) 鋼珠大小或硬度不均。 以上的問題不該在高品質的產品中發(fā)生才是。關于滾珠絲杠制造工藝可以點擊這里。

異物進入鋼珠軌道
(1) 包裝材料阻礙鋼珠軌道：出貨時以許多的材料，如果在包裝或排列的時候未依適當的 程序來執(zhí)行，異物或其他的物體可能會阻礙鋼珠軌道，導致鋼珠的滑動而非正常滾動甚至卡死。
(2) 加工碎屑進入軌道：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轉；在這惡劣的運轉條件下，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)生于機臺設定、極限開關失效或撞車，為預防造成滾珠絲桿進一步的損壞，重新安裝滾珠絲桿須經製造商的重新檢修。

4. 迴流管損壞：迴流管在安裝時受到嚴重的撞擊，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會產生徑向負荷，兩者偏心量太大時會造成絲桿彎曲，甚至偏心的情況，不足以造 成明顯的絲桿彎曲時，異常磨耗仍持續(xù)不斷發(fā)生，并使絲桿精度迅速降低；而螺帽設定的預壓力越高偏心精度的要求越高。

6. 螺帽與螺帽座結合不當：螺帽安裝時傾斜或偏心會造成異常負載，使馬達運轉時產生電壓不穩(wěn)。
7. 搬運時造成滾珠絲桿的損壞。

? 碎裂
1. 鋼珠破裂 鋼珠最常用的材質是鉻鉬鋼，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、無潤滑于作動時溫升差異明顯，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。因此設計過程中須考慮潤滑油的補充，如無法使用自動潤滑系統(tǒng)，必須將潤滑油的補充計劃列入保養(yǎng)手冊。

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

3. 滾珠絲桿肩部斷裂
(1) 不當設計：絲桿肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
(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，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳，皆會導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)。
(3) 徑向力或反覆應力：安裝絲桿時造成的偏心會產生異常的交變剪應力并使?jié)L珠絲桿提早損壞。
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