大導程滾珠絲杠副動力學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，被廣泛應用于各種工業(yè)設備、精密儀器的進給機構，尤其在精密數(shù)控機床的直線驅動執(zhí)行單元中得到廣泛應用。隨著數(shù)控機床向高速化、高精度化、復合化與環(huán)?；较虬l(fā)展，對滾珠絲杠副的進給速度提出了越來越高的要求。由于滾珠絲杠副轉速的提高受到臨界dN值(d為滾珠絲杠副的公稱直徑(mm)；N為絲杠副的轉速(r/min))的限制，其進給速度的提高主要是靠增大滾珠絲杠副的導程來實現(xiàn)的。但隨著滾珠絲杠

2、副導程的增大，螺旋角隨之增大，使?jié)L珠絲杠副的加工難度增大，滾珠絲杠副的動力學和力學性能也發(fā)生了改變。因此，研制開發(fā)高速滾珠絲杠副的首要任務就是完善現(xiàn)有的滾珠絲杠副理論，并應用相關理論改進目前滾珠絲杠副的設計和加工方法，結合可行的試驗方案，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。 本文應用經典力學理論對精密滾珠絲杠副運動學、動力學進行了分析，并結合相應的實驗研究了滾珠絲杠副在設計、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，概括了目前國內外滾珠絲杠副理論研究、生產加工的現(xiàn)狀，指出了目前高速滾珠絲杠副的理論研究和實際加工存在的問題，介紹了課題的背景和研究內容，提出了論文的研究目的。 2．系統(tǒng)研究了螺旋滾道內滾珠循環(huán)運動學理論，分析了滾珠運動的影響因素。首先應用微分幾何學原理，建立了Frenet-Serret活動標架。充分考慮螺旋升角因素，推導出了螺旋滾道內的滾珠數(shù)目。根據(jù)接觸點處的位置矢量和

4、滑動速度矢量之間的協(xié)調條件，確定了滾珠與滾道之間接觸點的位置。根據(jù)滾珠穩(wěn)定狀態(tài)時角加速度等于零，求解出了滾珠滾動速度與絲杠軸轉速之間的關系。最后考慮滾珠的彈性變形，分析了滾珠與滾道接觸點處的運動形式。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是不可避免的，隨著接觸角和螺旋升角的增大，滾珠公轉速度和自轉角速度都會增大。 3．結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)反向過程的運動學、動力學，提出了導珠管優(yōu)化設計思

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

6、集中的位置與疲勞損壞的導珠管的布氏壓痕、疲勞斷裂的位置基本一致。仿真結果表明，滾珠能量損耗不均、導珠管應力分布集中都是由于導珠管中心線的曲率變化不均造成的。因此本文提出導珠管優(yōu)化設計思路：將導珠管型線曲率的變化率設計為定值，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模型，分析了螺旋升角對滾珠絲杠副力學性能的影響。首先考慮螺旋升角因素的影響，推導出了螺旋滾道面主曲率。根據(jù)計算結果應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。為了驗證力學模型的正確性，根據(jù)實際零件的尺寸建立了有限元模型，有限元分析結果與理論模型計算結果基本一致。在滾珠絲杠副運動學和力學理論模型的基礎上，研究了動態(tài)預緊轉矩的理論計算方法，并分析了滾珠絲杠副動態(tài)預緊轉矩的影響因素。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；滾珠絲杠副動態(tài)預緊轉矩變化主要反映了循環(huán)滾道中滾珠的運動受力狀態(tài)的變化。 5．對滾珠絲

8、杠副動態(tài)預緊轉矩、振動特性、噪聲及疲勞失效情況進行了測量，并對試驗結果進行了理論分析。實驗測量結果表明：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力學性能主要因素。 6．針對大導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)砂輪磨削螺母實際加工過程和砂輪修形過程，應用齒輪嚙合原理和幾何原

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