专利名称：一种大载荷高速滚珠丝杠副的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种滚珠丝杠副，具体地说，涉及一种大载荷高速滚珠丝杠副，属于机械制造技术领域。
背景技术：
滚珠丝杠副是一种螺旋传动部件，由滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠及回珠器等部 分组成。当滚珠丝杠与滚珠螺母相对转动时，回珠器挡住滚珠，避免滚珠滚到滚珠螺 母体外，使滚珠在滚珠丝杠、滚珠螺母及返向器构成的闭合通道形成滚珠链并作循环滚 动，完成旋转运动与直线运动的互相转换。滚珠丝杠副是滚动摩擦副，具有精密定位、 传动灵敏、传动效率高(η=90%—95%)、节能的特点，广泛应用机械行业。随着电子 技术、控制技术的发展，机械产品正在向高速、重载荷、高精度、高效、节能环保方向 发展，对滚珠丝杠副也提出了相应的要求。滚珠丝杠副的驱动速度V = PhXη (Ph为导程，η为丝杠转速)，因此提高驱动 速度的办法一是采用大导程Ph，办法二是提高丝杠的转速η。一般的滚珠丝杠副，导 程Ph与滚珠丝杠副节园直径的比为1/5—1/3。高速滚珠丝杠副采用大导程，导程Ph与 节园直径的比为1/2—1。由于滚珠链的圈数约小于L/Ph，L是滚珠螺母的长度，受制 造工艺的限制，L是有限的，因此增大Ph就减少了滚珠链的圈数，即减少了有效承载滚 珠的个数，从而降低了滚珠丝杠副的承载能力。滚珠丝杠副的转速增加时，受到离心力 的作用，滚珠对螺纹滚道的压力也增大，磨损也增加；在返向接口处，由于滚珠运动方 向的突然改变，在惯性力的作用下，滚珠对返向器产生强烈的冲击，这些都会降低滚珠 丝杠副的承载能力。为了在高速运转时减小滚珠的离心力和返向时的惯性力，现有的大 导程高速滚珠丝杠副就采用小直径的滚珠，以减小滚珠的质量来减小离心力和惯性力， 由滚珠丝杠副的国家标准“GB/T17857.5— 2008轴向额定静载荷和动载荷及使用寿命” 的规定可知，滚珠直径越小，滚珠丝杠副的承载能力就越小。所以现有的大导程高速 滚珠丝杠副，仅用大导程和提高丝杠的转速的办法，不采用其他技术措施来提高驱动速 度，就会付出承载能力减小的代价。滚珠丝杠副常用的滚珠循环形式有内循环返向器式、外循环插管式。在导程大 的情况下，内循环返向器较大，高速滚珠丝杠副较少采用内循环返向器。外循环插管式 不受导程限制，但由图4、图5可见，滚珠螺纹与插管之间有交角β及交角α，α是螺 旋升角。导程越大，α越大，滚珠对插管产生冲击越强，严重时会撞坏插管的舌部，所 以外循环插管式也不太适合高速大导程滚珠丝杠副。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种大载荷高速滚珠丝杠副。本发明的大载荷高速滚珠丝杠副，包括丝杠、套在丝杠上的螺母、滚珠、位于 螺母两端的防尘挡珠圈，所说的滚珠为陶瓷滚珠，所说的丝杠的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母的内孔有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母内还有4个轴向返向 孔，丝杠的凹滚珠螺纹分别与螺母的凹滚珠螺纹组成4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠装在其 中，所说的防尘挡珠圈内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹 处于丝杠的凹滚珠螺纹内，所说的螺母两端是曲面，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条 返向槽组成了陶瓷滚珠的返向通道。优选地，所说的滚珠丝杠上的螺母为双螺母，两个螺母之间设有垫片。同样优选地，所说的滚珠丝杠上的螺母为单螺母。本发明的技术原理如下
1)滚珠丝杠副的滚珠采用陶瓷滚珠，是新材料在滚珠丝杠副领域内的运用，滚珠 丝杠副的滚珠通常是用轴承钢制造，陶瓷与轴承钢比较，密度小，硬度高、弹性模量大 (如陶瓷之一的氮化硅Si3N4，密度小60%，硬度高近一倍、弹性模量大50%)。由于相 同直径的滚珠，陶瓷滚珠质量小，所以丝杠高速运转时，陶瓷球的离心力小，对螺纹滚 道的压力也小，磨损也小；陶瓷滚珠的滚珠丝杠副承载能力得以提高；在返向接口处， 由于滚珠运动方向的突变引起的惯性力也小，滚珠对返向器的冲击就小、噪音、振动和 温升也相应减少，所以，用陶瓷滚珠的滚珠丝杠副的转速可以更高。另外，由于陶瓷有 硬度高、弹性模量大的特点，由滚珠丝杠副的国家标准“GB/T17857.4— 2008轴向静刚 度”及“GB/T17857.5— 2008轴向额定静载荷和动载荷及使用寿命”的规定可知相同 的直径、静载荷及动载荷条件下，由于陶瓷有硬度高、弹性模量大的特点，陶瓷滚珠与 钢球比较，塑性变形要小得多，接触疲劳寿命长，弹性变形也小，因此，陶瓷滚珠丝杠 副的轴向额定静载荷和动载荷大、使用寿命长，轴向静刚度大。此外，陶瓷球摩擦系数 小，有自润滑作用，陶瓷滚珠丝杠副传动效率要高，温升低，可在不允许使用润滑油的 情况下使用，也可以在小于400度的高温环境中使用(此时防尘挡珠圈要用金属材料制 作)。2)丝杠外园与螺母内孔的4条等分的大导程滚珠螺纹，这种结构大大的增加了 承载滚珠数，如图6、图7和图8，在相同的导程及螺母长度的条件下，图6是目前常用 的结构，它只有1条大导程滚珠螺纹，其承载滚珠数最少；图7、图8分别是有2、4条 等分的大导程滚珠螺纹结构，其承载滚珠数是分别是图6的2、4倍。本发明提供的这种 高速滚珠丝杠副采用图8的结构，具有最多的承载滚珠数。3)本发明所述的防尘挡珠圈，如图9、图10，是用耐磨损高强度的工程塑料制 成，寿命长，噪音小。防尘挡珠圈内端面上有两个定位圆柱，将其装入螺母两端面上的 两个小孔定位后，再用4个螺钉(见图2)装上防尘挡珠圈，防尘挡珠圈的内端面上有4 条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，不仅能 防尘，还能在丝杠与螺母相对转动，推动陶瓷滚珠在螺旋通道内向前滚动时，挡住陶瓷 滚珠，避免它滚到螺母外，迫使它进入螺母一端防尘挡珠圈的返向槽，再经过螺母内的 轴向返向孔、螺母另一端的返向槽，回到螺旋通道循环连续滚动。螺母的端面是曲面，见图1，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条返向槽组成了陶 瓷球的返向通道，这通道经过三维曲线拟合的优化设计，以保证陶瓷滚珠沿螺纹切线方 向柔顺返向，形成4条滚珠沿螺纹切线方向返向的循环链，使滚珠对返向器的冲击减到 最小，有利于提高滚珠丝杠副的转速及驱动速度。图3表示出1条沿滚珠螺纹切线方向返向的滚珠循环链(图中虚线表示的是丝杠后面的滚珠)，滚珠循环链贯穿了整个螺母 的长度，所以这种螺母结构紧凑，轴向尺寸短。上述滚珠丝杠副可以像通常滚珠丝杠副 一样，可以多种预紧方式，图1中，垫片用于调节预紧力，构成双螺母滚珠丝杠副。如 图8只用一个螺母，不用垫片，构成单螺母。上述螺母端面上曲面的车削工序，端面上 4个轴向孔的钻铰工序都可以在数控机床上很方便地完成，比其他滚珠丝杠副在螺母外园 上加工返向器安装孔、返向槽工序或在螺母端面上铣椭圆形返向器安装孔的工序简单。 上述防尘挡珠圈可以用数控机床加工，还可以在开发注塑模后，用注塑成形的方法大批 量，低成本地生产。本发明提供的大载荷高速滚珠丝杠副具有如下技术效果
1、本发明采用新材料，用陶瓷做滚珠，由于陶瓷球有密度小，硬度高、弹性模量大 的特点，这就减少了滚珠丝杠副高速运转时，滚珠的离心力及对其滚道的压力与磨损， 减少了对返向器的冲击力、噪音、振动和温升，提高了滚珠丝杠副Dn值、驱动速度、轴 向额定静载荷、动载荷、使用寿命、轴向静刚度；
2、由于陶瓷球有自润滑作用，氮化硅陶瓷球的滚珠丝杠副，可以在不允许使用润滑 油的情况下使用，也可以在小于400度的高温环境中使用(此时防尘挡珠圈要用金属材 料制作)。这是一般滚珠丝杠副办不到的；
3、本发明采用4条大导程滚珠螺纹的结构，与现有的高速滚珠丝杠副用的结构比 较，承载滚珠数增加4倍，有效的提高了承载能力，再考虑到采用陶瓷球作滚珠，有密 度小，硬度高、弹性模量大的特点，与一般高速滚珠丝杠副比较，本发明提供的这种大 载荷高速滚珠丝杠副，其承载能力大大增加；
4、本发明所述的防尘挡珠圈，不仅能防尘，还起挡珠及作用返向，它是用耐磨损高 强度的工程塑料制成，寿命长，噪音小。它的4条返向槽，经过三维曲线拟合的优化设 计，保证了陶瓷滚珠沿螺纹切线方向柔顺返向，将滚珠对返向器的冲击减到最小，有利 于提高滚珠丝杠副的转速及驱动速度；
5、本发明所述结构的滚珠丝杠副，螺母轴向尺寸短；
6、本发明所述结构的滚珠丝杠副，可以采用滚珠丝杠副的常用预紧方式，如单螺 母增大滚珠直径预紧、双螺母垫片预紧等；
7、本发明所述的螺母与防尘挡珠圈的制造工艺比较简单，适合批量生产，成本较低。
图1是本发明的大载荷高速滚珠丝杠副的结构示意图； 图2是图1的结构示意图中的A向视图3是1条沿滚珠螺纹切线方向返向的滚珠循环链示意图； 图4是大导程滚珠循环链与外循环插管之间的α交角关系图； 图5是大导程滚珠循环链与外循环插管之间的β交角关系图； 图6是现有的采用1条滚珠螺纹的高速滚珠丝杠副的结构示意图； 图7是现有的采用2条滚珠螺纹的高速滚珠丝杠副的结构示意图； 图8是本发明中采用4条滚珠螺纹的单螺母高速滚珠丝杠副的结构示意图；图9是本发明防尘挡珠圈的结构示意图； 图10是图9的K-K向剖视图。其中，1为丝杠，2、5为螺母，3为滚珠，4为防尘挡珠圈，6为垫片，7为螺 钉，11为丝杠上的凹滚珠螺纹，21为螺母上的的凹滚珠螺纹，22为螺母内的轴向返向 孔，23为螺母曲面，31为滚珠循环链，41为防尘挡珠圈的返向槽，42为防尘挡珠圈内的 凸螺纹。
具体实施例方式如图1所示，本发明所述的大载荷高速滚珠丝杠副包括丝杠1、法兰螺母2、 直筒螺母5、陶瓷滚珠3和防尘挡珠圈4，丝杠1的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺 纹11，法兰螺母2、直筒螺母5的内孔均有4条等分的大导程凹滚珠螺纹21，上述两种螺 母内还有4个轴向返向孔22，上述两种螺母两端面是曲面23。上述两种螺母套在丝杠上 后，丝杠1与上述两种螺母的滚珠螺纹11和21组成了 4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠3装 在螺旋通道中。如图2所示，防尘挡珠圈4的安装是通过将防尘挡珠圈4内端面上两个定位圆柱 43装入上述两种螺母的端面上的两个定位孔内，再用4个螺钉7将防尘挡珠圈4安装在螺 母的两端，图9、图10中表示出定位圆柱43及防尘挡珠圈4内端面上的4条返向槽41。 防尘挡珠圈4的内孔有4条等分的大导程凸螺纹42，防尘挡珠圈4安装在螺母上后，凸螺 纹42就处于丝杠1的凹滚珠螺纹内11，这样凸螺纹42不仅能防尘，还能在运转时挡住陶 瓷滚珠3，避免它滚到螺母体外，并迫使陶瓷滚珠3进入返向槽41内。返向槽41与上述 两种螺母两端的曲面23组成螺母两端的返向通道，返向通道经过曲线拟合的优化设计， 以保证陶瓷滚珠3沿螺纹切线方向柔顺返向。返向通道、螺母体内的返向孔22及丝杠1 与上述两种螺母之间螺旋通道一起，形成4条封闭通道，当丝杠1相对螺母转动时，推动 陶瓷滚珠3在封闭通道中连续循环滚动并形成4条滚珠链31，图3表示出其中的1条(图 中虚线表示的是丝杠后面的滚珠)，滚珠3进入螺旋通道连续循环滚动的同时，将旋转运 动转换为直线运动，实现了螺旋传动。上述两种螺母之间用垫片6调节好预紧力后，装 上连接键(连接键未表示出)，形成双螺母垫片预紧，可以消除传动间隙，提高轴向刚 度。如图8所示，本发明的滚珠丝杠副也可以不用螺母5及垫片6，构成单螺母的滚 珠丝杠副。
权利要求
1.一种大载荷高速滚珠丝杠副，其特征在于，包括丝杠、套在丝杠上的螺母、滚珠 和位于螺母两端的防尘挡珠圈，所说的滚珠为陶瓷滚珠，所说的丝杠的外园上有4条等 分的大导程凹滚珠螺纹，螺母的内孔有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母内还有4个轴 向返向孔，丝杠的凹滚珠螺纹分别与螺母的凹滚珠螺纹组成4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠 装在其中，所说的防尘挡珠圈内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹， 凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，所说的螺母两端是曲面，曲面与防尘挡珠圈内端面上 的4条返向槽组成陶瓷滚珠的返向通道。
2.根据权利要求1所述的大载荷高速滚珠丝杠副，其特征在于，所说的滚珠丝杠上的 螺母为双螺母。
3.根据权利要求1所述的大载荷高速滚珠丝杠副，其特征在于，所说的滚珠丝杠上的 螺母为单螺母。
全文摘要
本发明提供了一种大载荷高速滚珠丝杠副，包括丝杠、套在丝杠上的螺母、滚珠和位于螺母两端的防尘挡珠圈，所说的滚珠为陶瓷滚珠，所说的丝杠的外园上有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母的内孔有4条等分的大导程凹滚珠螺纹，螺母内还有4个轴向返向孔，丝杠的凹滚珠螺纹分别与螺母的凹滚珠螺纹组成4条螺旋通道，4组陶瓷滚珠装在其中，所说的防尘挡珠圈内端面上有4条返向槽，内孔有4条等分的大导程凸螺纹，凸螺纹处于丝杠的凹滚珠螺纹内，所说的螺母两端是曲面，曲面与防尘挡珠圈内端面上的4条返向槽组成陶瓷滚珠的返向通道。本发明采用4条大导程滚珠螺纹的结构，与现有的高速滚珠丝杠副用的结构比较，承载滚珠数增加4倍，有效的提高了承载能力，再考虑到采用陶瓷球作滚珠，有密度小，硬度高、弹性模量大的特点，与一般高速滚珠丝杠副比较，本发明提供的这种大载荷高速滚珠丝杠副，其承载能力大大增加。
文档编号F16H25/22GK102011845SQ20101061007
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者周建伟, 周越魁, 赵建东 申请人:江苏瑞安特机械集团有限公司