高速滾珠絲杠的動(dòng)力學(xué)分析

精密滾珠絲杠副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，對(duì)滾珠絲杠副的線(xiàn)速度提出了越來(lái)越高的要求。滾珠絲杠副的高速化同時(shí)帶來(lái)了振動(dòng)、噪聲和由于摩擦引起的溫升等諸多問(wèn)題，噪聲和溫升成為制約滾珠絲杠副高速化的關(guān)鍵因素，研究摩擦和噪聲等高速滾珠絲杠副的動(dòng)力學(xué)性能，分析影響滾珠絲杠副高速性能的關(guān)鍵因素，為高速滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和制造提供理論和技術(shù)支持，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

滾珠絲杠副中滾珠與絲杠滾道的接觸壓力和變形大于滾珠與螺母滾道的接觸壓力和變形。隨著接觸角的增大，接觸壓力和變形減小，螺旋升角對(duì)接觸特性無(wú)顯著影響，接觸特性對(duì)曲率比的變化非常敏感，隨著曲率比的增大，接觸壓力和變形顯著上升。

滾珠絲杠副在正常轉(zhuǎn)速下，滾珠中心的線(xiàn)速度不高，自轉(zhuǎn)速度卻相當(dāng)高；滾珠直徑大小對(duì)旋滾比影響不大，接觸角的變化對(duì)旋滾比影響比較明顯，在接觸角為３８°時(shí)，旋滾比最小；隨著螺旋升角和滾珠直徑的增大，滾珠的滑移率增大。

碰撞接觸時(shí)間的測(cè)量結(jié)果表明，建立的滾珠與返向器的碰撞力學(xué)模型符合實(shí)際情況。碰撞角度越大，初始速度越高，則碰撞力越大，通過(guò)減小碰撞角度、采用小直徑鋼球或陶瓷球、或者采用彈性模量較低的工程塑料制作返向器，可以有效降低碰撞力。返向器的材料應(yīng)選擇彈性模量小、法向恢復(fù)系數(shù)小，而摩擦特性良好的材料。

滾珠絲杠副的滾道加工誤差對(duì)摩擦力矩的影響具有“平均效應(yīng)”，制造誤差的存在從總體上增大了滾珠絲杠副的摩擦力矩。滾珠絲杠接觸副中很難建立起完全彈流油膜，低速下，油膜潤(rùn)滑參數(shù)小于１，處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的摩擦系數(shù)過(guò)大可能是滾珠絲杠副摩擦力矩較大的主要原因。

低速下油潤(rùn)滑時(shí)，滾珠絲杠副的摩擦力矩較大，內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)插管式結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副的摩擦力矩常出現(xiàn)歸一化頻率為１Ｈｚ的波動(dòng)，脂潤(rùn)滑時(shí)，摩擦力矩較小，而且非常平穩(wěn)。分析表明，歸一化頻率為１Ｈｚ的波動(dòng)是由潤(rùn)滑不良引起的滾珠的擁堵和散開(kāi)所導(dǎo)致的。

端部偏轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副的噪聲明顯小于插管式絲杠副，且音質(zhì)有顯著改善。其噪聲主要頻率隨絲杠轉(zhuǎn)速的變化而改變，與螺母相連的工作臺(tái)的振動(dòng)與滾珠絲杠副的主要噪聲無(wú)關(guān)，端部偏轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副的主要噪聲機(jī)理為絲杠滾道波紋度激起的螺母強(qiáng)迫振動(dòng)，滾珠與返向器的碰撞噪聲已不是該結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副的主要噪聲。脂潤(rùn)滑時(shí)，噪聲頻率特性不變，但噪聲水平略有降低。

為適應(yīng)市場(chǎng)的需求，滾珠絲杠副自誕生以來(lái)一直在不斷的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)做了大量的研究工作，使?jié)L珠絲杠副的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試水平得到了很大的提高，其總的發(fā)展方向是高速、高精度和綠色環(huán)保。其中，高速化是精密滾珠絲杠副發(fā)展的主要趨勢(shì)，高速化也帶來(lái)了很多問(wèn)題需要解決，人們也在不斷的探索滾珠絲杠高速化的技術(shù)對(duì)策。