一种螺母滚道磨损系数测量方法与流程

本发明属于滚珠丝杠副性能测试领域，特别是一种螺母滚道磨损系数测量方法。

背景技术：

滚珠丝杠副在机床中扮演着传递运动和动力的重要角色，因此滚珠丝杠副的精度很大程度上制约着机床的精度。在实际加工工作中，滚珠丝杠副的精度降低主要由滚珠丝杠副的磨损产生。初期的磨损并不会显著影响滚珠丝杠副的性能，然而一旦磨损达到一定程度，会导致滚珠丝杠副的刚性降低、反向间隙产生和卸载状态的出现等问题，严重时会导致滚珠丝杠副丧失工作运转能力。磨损系数是研究滚珠丝杠副磨损理论的重要参数指标，而在实际工作状态下，由于螺母滚道的磨损是滚珠丝杠副的主要磨损，因此对于螺母滚道磨损系数的测量显得尤为重要。

目前，国内外的学者通过对滚动轴承的磨损机理、影响因素和预测模型等深入研究，已经获得了确定滚动轴承磨损系数的测试方法流程。但是并没有任何测量滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数的方法技术。而鉴于磨损系数对于研究滚珠丝杠副预紧力衰退过程、提高滚珠丝杠副可靠性和寿命的重要作用，急需一种简单易行、高精度和高效率的方法实现对滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数的测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量方法，填补滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量领域的空白，并实现滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数的高精度、高效率测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种螺母滚道磨损系数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型；

步骤2、设置滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量试验条件；

步骤3、基于螺母滚道型面检测在所述测量试验条件下进行滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验；

步骤4、结合步骤1的模型和滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度，求取滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)提供滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量方法，填补了滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量领域的空白；2)结合滚珠丝杠副的工作特点，采用archard磨损理论和赫兹接触理论建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型，具有更高的准确性和效率；3)采用螺母内滚道型面检测来确定磨损深度，精确度高，且大大提升了测量效率；4)可以测量不同尺寸的螺母滚道磨损系数，具有较好的适应性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明螺母滚道磨损系数测量方法流程图。

图2为本发明螺母内滚道磨损深度测量试验流程图。

图3为本发明实施例中4016型滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数随转数变化测量结果及数据拟合示意图。

具体实施方式

滚珠丝杠副磨损主要发生在螺母滚道区域，而磨损将会导致滚珠丝杠副性能的退化，因此，对于螺母滚道磨损系数的测量显得尤为重要。

结合图1，本发明螺母滚道磨损系数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型；

步骤2、设置滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量试验条件；

步骤3、基于螺母滚道型面检测在所述测量试验条件下进行滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验；

步骤4、结合步骤1的模型和滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度，求取滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数。

进一步地，步骤1建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型，具体为：

步骤1-1、根据archard磨损理论确定滚珠与螺母滚道接触面之间的磨损体积：

式中，n为滚珠丝杠副运行的总万转数，wvn为运转n万转后滚珠与螺母滚道接触面法向的磨损体积；k为滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数；qn为运转n万转时滚珠与螺母滚道的接触法向力；ln为滚珠相对于螺母滚道的滑动距离；对于滚珠丝杠副，h为螺母滚道表面的硬度；

步骤1-2、确定运转n万转时滚珠与螺母滚道的接触法向力qn：

式中，fa为滚珠丝杠副轴向载荷；m为有效承载的滚珠数；α和αn分别为螺旋升角、滚珠与螺母的接触角；

步骤1-3、确定滚珠相对于螺母滚道的滑动距离ln为：

式中，ω为丝杠轴的角速度，为滚珠相对于螺母滚道的滑动速度；

步骤1-4、确定滚珠相对于螺母滚道的滑动速度为：

式中，vxn和vyn分别为滚珠相对于滚道在接触椭圆短半轴和长半轴的滑动速度；

其中，对于预紧力方向与轴向载荷方向相同的一侧：

对于预紧力方向与轴向载荷方向相反的一侧：

式中，ωm为丝杠的转速，ωt、ωn和ωb分别为滚珠自转角速度在t轴、n轴和b轴的分量；下标包含r和l分别表示预紧力方向与轴向载荷方向相同和相反的一侧螺母相关参数；rs和rb分别为丝杠底径和滚珠半径；δn为滚珠与螺母滚道间的变形量；

其中，和相等且为：

式中，r为滚道半径；δs为滚珠与丝杠滚道间的变形量；αs为滚珠与螺母滚道间的变形量；

步骤1-5、确定滚珠与螺母滚道之间的接触面积an：

an＝πanbn

式中，an和bn分别滚珠与螺母滚道上接触椭圆的长半轴和短半轴；

步骤1-6、确定运转n万转后滚珠与螺母滚道接触面法向的磨损体积为：

式中，δn为运转n万转后滚珠与螺母滚道接触面法向磨损深度；

步骤1-7、联立步骤1-1至1-6中的公式，建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型为：

其中，t为常数，表示为：

进一步地，步骤2设置滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量试验条件，具体为：

(1)设定待测滚珠丝杠副转速为ve，且ve≤vo，其中vo为滚珠丝杠副额定转速；

(2)设定待测滚珠丝杠副轴向载荷为fa，且fa≤30％ca，其中ca为滚珠丝杠副额定动载荷；

(3)采用定时截尾试验方法作为试验结束的判定，定时截尾时间为n0万转；

(4)设定每隔z万转将待测滚珠丝杠副卸下进行螺母滚道磨损系数测量试验，且使得n0能被z整除；

(5)每次对滚珠丝杠副拆装进行型面测量后需要添加润滑脂。

示例性优选地，n0取500≤n0≤1000。

进一步地，步骤3基于螺母滚道型面检测在所述测量试验条件下在步骤2的测量试验条件下进行滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验，具体为：

假设用于记录对待测滚珠丝杠副进行滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验次数的变量为i，i的初始值为1；

步骤3-1、将待测滚珠丝杠副安装在滚珠丝杠副磨损跑合试验台上，按照步骤2设定的测量试验条件开始运转工作，同时监测待测滚珠丝杠副的各项性能参数，若参数出现异常立即停止试验，排除故障后继续进行试验；

步骤3-2、当待测滚珠丝杠副到达设定的运转间隔z万转时，停止工作运转并卸下滚珠丝杠副，在确保完整回收滚珠的同时将丝杠与螺母分离；

步骤3-3、对待测滚珠丝杠副进行第i次滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验；

步骤3-4、若i＝n0/z，则结束滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验；若i＜n0/z，则令i＝i+1，将分离后的螺母、滚珠、丝杠重新安装成一整体并返回执行步骤3-1。

进一步优选地，步骤3-1所述待测滚珠丝杠副的各项性能参数包括温度、振动、噪声。

进一步地，步骤3-3对待测滚珠丝杠副进行第i次滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验，具体为：

第i次滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验过程中，假设用于记录进行滚珠丝杠副螺母内滚道型面检测试验次数的变量为j，j的初始值为1；

步骤3-3-1、去除拆卸后的螺母内的润滑脂，用酒精反复擦洗螺母滚道后，将螺母经夹持装置固定在螺母内滚道型面检测系统上；

步骤3-3-2、若j≤n'，进行第j次滚珠丝杠副螺母内滚道型面检测试验，采集并记录螺母内滚道轮廓数据，之后执行步骤3-3-3；反之执行步骤3-3-6；

步骤3-3-3、剔除螺母倒圆角部分、内径部分及容屑槽部分的数据，利用剩余的轮廓数据和圆的最小二乘拟合方程拟合螺母内滚道圆弧；

步骤3-3-4、根据步骤3-3-3拟合得到的螺母内滚道圆弧，计算第j次滚珠丝杠副螺母内滚道型面测量对应的螺母内滚道圆弧半径rnj；

步骤3-3-5、令j＝j+1，返回步骤3-3-2；

步骤3-3-6、计算n'次拟合得到的螺母内滚道圆弧半径均值：

式中，为运转n万转后n'次型面检测拟合得到的圆弧半径均值；

步骤3-3-7、求取滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度

式中，为运转n万转后第i次滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量计算求得的螺母内滚道磨损深度；ni为运转n万转后第i次滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量时的滚珠丝杠总转数，i＝1,…,n0/z；为初始螺母内滚道的拟合圆弧半径均值。

进一步地，步骤4所述结合步骤1的模型和滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度，求取滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数，具体为：

令

利用1+n0/z组坐标点(ni，ξi)对公式ξi＝kni进行线性拟合，拟合出的直线斜率即为滚珠丝杠副螺母的磨损系数。

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

实施例

本发明滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量方法，包括以下内容：

1、建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型。

(1)根据archard磨损理论确定滚珠与螺母滚道接触面之间的磨损体积：

式中，n为滚珠丝杠副运行的总万转数，wvn为运转n万转后滚珠与螺母滚道接触面法向的磨损体积；k为滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数；qn为运转n万转时滚珠与螺母滚道的接触法向力；ln为滚珠相对于螺母滚道的滑动距离；对于滚珠丝杠副，h为螺母滚道表面的硬度；

(2)确定运转n万转时滚珠与螺母滚道的接触法向力qn：

式中，fa为滚珠丝杠副轴向载荷；m为有效承载的滚珠数；α和αn分别为螺旋升角、滚珠与螺母的接触角；

(3)确定滚珠相对于螺母滚道的滑动距离ln为：

式中，ω为丝杠轴的角速度，为滚珠相对于螺母滚道的滑动速度；

(4)确定滚珠相对于螺母滚道的滑动速度为：

式中，vxn和vyn分别为滚珠相对于滚道在接触椭圆短半轴和长半轴的滑动速度；

其中，对于预紧力方向与轴向载荷方向相同的一侧：

对于预紧力方向与轴向载荷方向相反的一侧：

式中，ωm为丝杠的转速，ωt、ωn和ωb分别为滚珠自转角速度在t轴、n轴和b轴的分量；下标包含r和l分别表示预紧力方向与轴向载荷方向相同和相反的一侧螺母相关参数；rs和rb分别为丝杠底径和滚珠半径；δn为滚珠与螺母滚道间的变形量；

其中，和相等且为：

式中，r为滚道半径；δs为滚珠与丝杠滚道间的变形量；αs为滚珠与螺母滚道间的变形量；

(5)确定滚珠与螺母滚道之间的接触面积an：

an＝πanbn

式中，an和bn分别滚珠与螺母滚道上接触椭圆的长半轴和短半轴；

(6)确定运转n万转后滚珠与螺母滚道接触面法向的磨损体积为：

式中，δn为运转n万转后滚珠与螺母滚道接触面法向磨损深度；

(7)联立步骤1-1至1-6中的公式，建立滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数计算模型为：

其中，t为常数，表示为：

2、设置滚珠丝杠副螺母滚道系数测量试验条件。

本发明实施例测量试验选取的滚珠丝杠副型号为双螺母垫片式4016型，其部分工艺参数如下表1所示，设定滚珠丝杠副转速为1000r/min，轴向载荷为10kn。试验定时截尾时间为600万转，每隔100万转卸下滚珠丝杠副重复进行3次螺母滚道磨损系数测量试验。此外每次安装螺母时需要添加适量润滑脂。

表1试验用4016型双螺母垫片式滚珠丝杠副参数

3、进行滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验。

按照设置的试验条件进行滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度测量试验。将待测滚珠丝杠副安装在跑合试验台上，以1000r/min的转速开展试验，按照制定好的测试方案，进行滚珠丝杠副螺母的拆卸-重装-继续跑合，由于每次检测进行3次，共得到21组数据。将每次测得的3组数据进行螺母内滚道圆弧拟合并求拟合圆弧半径的平均值如下表2所示。

表2螺母内滚道拟合圆弧半径

4、结合上述1的模型和滚珠丝杠副螺母内滚道磨损深度，求取滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数。

根据7组拟合圆弧半径均值，计算得到螺母内滚道的磨损深度值如下表3所示。将计算得到的6组磨损深度带入到中，利并用1+n0/z组坐标点(ni，ξi)对公式ξi＝kni进行线性拟合，拟合出的直线斜率即为测试得到的滚珠丝杠副螺母的磨损系数。本实施例拟合直线如图3所示，其斜率数值为3.68029×10^-11，即滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数值为3.68029×10^-11。

表3运转n万转时螺母滚道接触法向磨损深度

本发明提供的滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数测量方法，研究对象为螺母滚道，其在实际工作中较滚珠和丝杠更易磨损，具有重要的现实意义。且由上可知，本发明能实现滚珠丝杠副螺母滚道磨损系数的高精度、高效率测量，为研究滚珠丝杠副精度衰退和提高滚珠丝杠副寿命打下基础。