大導(dǎo)程滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)性能及加工方法研究.pdf

1、由于精密滾珠絲杠副具有定位精度好、剛度高、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，尤其在精密數(shù)控機(jī)床的直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元中得到廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)控機(jī)床向高速化、高精度化、復(fù)合化與環(huán)保化方向發(fā)展，對滾珠絲杠副的進(jìn)給速度提出了越來越高的要求。由于滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速的提高受到臨界dN值(d為滾珠絲杠副的公稱直徑(mm)；N為絲杠副的轉(zhuǎn)速(r/min))的限制，其進(jìn)給速度的提高主要是靠增大滾珠絲杠副的導(dǎo)程來實(shí)現(xiàn)的。但隨著滾珠絲杠

2、副導(dǎo)程的增大，螺旋角隨之增大，使?jié)L珠絲杠副的加工難度增大，滾珠絲杠副的動(dòng)力學(xué)和力學(xué)性能也發(fā)生了改變。因此，研制開發(fā)高速滾珠絲杠副的首要任務(wù)就是完善現(xiàn)有的滾珠絲杠副理論，并應(yīng)用相關(guān)理論改進(jìn)目前滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和加工方法，結(jié)合可行的試驗(yàn)方案，找到影響滾珠絲杠副性能的主要因素，從而有效地提高滾珠絲杠副的性能。 本文應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)理論對精密滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究了滾珠絲杠副在設(shè)計(jì)、制造中存在的一些問題，具

3、體工作如下： 1．系統(tǒng)綜述了滾珠絲杠發(fā)展歷史和趨勢，概括了目前國內(nèi)外滾珠絲杠副理論研究、生產(chǎn)加工的現(xiàn)狀，指出了目前高速滾珠絲杠副的理論研究和實(shí)際加工存在的問題，介紹了課題的背景和研究內(nèi)容，提出了論文的研究目的。 2．系統(tǒng)研究了螺旋滾道內(nèi)滾珠循環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，分析了滾珠運(yùn)動(dòng)的影響因素。首先應(yīng)用微分幾何學(xué)原理，建立了Frenet-Serret活動(dòng)標(biāo)架。充分考慮螺旋升角因素，推導(dǎo)出了螺旋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)目。根據(jù)接觸點(diǎn)處的位置矢量和

4、滑動(dòng)速度矢量之間的協(xié)調(diào)條件，確定了滾珠與滾道之間接觸點(diǎn)的位置。根據(jù)滾珠穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)角加速度等于零，求解出了滾珠滾動(dòng)速度與絲杠軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。最后考慮滾珠的彈性變形，分析了滾珠與滾道接觸點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)形式。理論研究發(fā)現(xiàn)，滾珠絲杠副中滾珠與螺旋滾道之間的相對滑動(dòng)是不可避免的，隨著接觸角和螺旋升角的增大，滾珠公轉(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)角速度都會(huì)增大。 3．結(jié)合理論研究和軟件仿真的方法，研究了滾珠絲杠副中滾珠循環(huán)反向過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)，提出了導(dǎo)珠管優(yōu)化設(shè)計(jì)思

5、路。首先根據(jù)牛頓定律和赫茲理論，建立了滾珠與導(dǎo)珠管之間的碰撞接觸力學(xué)模型。應(yīng)用所建立的力學(xué)模型，比較不同材料、結(jié)構(gòu)和碰撞角條件下的滾珠與導(dǎo)珠管的碰撞力，得出滾珠與導(dǎo)珠管之間的碰撞角是影響碰撞力大小的主要因素。應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件．ADAMS和有限元軟件Ansys-lsdyna，對滾珠在循環(huán)導(dǎo)向裝置中的運(yùn)動(dòng)過程作了動(dòng)力學(xué)仿真，得出了滾珠在反向循環(huán)過程中的速度、動(dòng)能變化以及導(dǎo)珠管的應(yīng)力分布變化情況。仿真結(jié)果得出的滾珠與導(dǎo)珠管之間的碰撞點(diǎn)、應(yīng)力

6、集中的位置與疲勞損壞的導(dǎo)珠管的布氏壓痕、疲勞斷裂的位置基本一致。仿真結(jié)果表明，滾珠能量損耗不均、導(dǎo)珠管應(yīng)力分布集中都是由于導(dǎo)珠管中心線的曲率變化不均造成的。因此本文提出導(dǎo)珠管優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：將導(dǎo)珠管型線曲率的變化率設(shè)計(jì)為定值，以提高滾珠循環(huán)反向的流暢性。 4．建立了滾珠絲杠副的力學(xué)模型，分析了螺旋升角對滾珠絲杠副力學(xué)性能的影響。首先考慮螺旋升角因素的影響，推導(dǎo)出了螺旋滾道面主曲率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)用赫茲理論得出滾珠和螺旋滾道之間的彈

7、性接觸變形量，從而得出滾珠絲杠副彈性變形的理論模型。為了驗(yàn)證力學(xué)模型的正確性，根據(jù)實(shí)際零件的尺寸建立了有限元模型，有限元分析結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果基本一致。在滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)理論模型的基礎(chǔ)上，研究了動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算方法，并分析了滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的影響因素。由理論模型得出，接觸角、螺旋升角的增大降低了滾珠絲杠副的軸向彈性變性量；滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩變化主要反映了循環(huán)滾道中滾珠的運(yùn)動(dòng)受力狀態(tài)的變化。 5．對滾珠絲

8、杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)特性、噪聲及疲勞失效情況進(jìn)行了測量，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明：隨著滾珠絲杠副螺旋升角的提高，滾珠的角速度變大，滾珠與循環(huán)滾道之間摩擦加?。粷L珠循環(huán)反向過程中的碰撞是影響滾珠絲杠副的動(dòng)力學(xué)性能主要因素。 6．針對大導(dǎo)程滾珠絲杠螺母的加工過程中出現(xiàn)的砂輪剛度低、磨削范圍小等問題，本文對加工大導(dǎo)程滾珠絲杠螺母提出了新方法。首先根據(jù)砂輪磨削螺母實(shí)際加工過程和砂輪修形過程，應(yīng)用齒輪嚙合原理和幾何原

9、理建立了相應(yīng)的理論模型，并采用相應(yīng)數(shù)值方法得出砂輪軸向截形與砂輪安裝角之間的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分析了砂輪磨削螺母的原理誤差。軟件仿真和實(shí)際加工試驗(yàn)表明本文提出的同時(shí)改變砂輪安裝角和砂輪軸向截形的加工方法，能夠提高大導(dǎo)程絲杠螺母的加工質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求。本文的研究為高速精密滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)、制造提供了理論和技術(shù)支持，為研制開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高速精密滾珠絲杠副指出了一條切實(shí)可行的途徑，對提高我國數(shù)控機(jī)床的制造水平有較大的理論意義和