大導(dǎo)程滾珠絲杠副動力學(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，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)計和加工方法，結(jié)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(yīng)用經(jīng)典力學(xué)理論對精密滾珠絲杠副運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)進(jìn)行了分析，并結(jié)合相應(yīng)的實驗研究了滾珠絲杠副在設(shè)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(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)動學(xué)理論，分析了滾珠運(yùn)動的影響因素。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)接觸點處的位置矢量和

4、滑動速度矢量之間的協(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(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處的運(yùn)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(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)角速度都會增大。 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)動學(xué)、動力學(xué)，提出了導(dǎo)珠管優(yōu)化設(shè)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(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)動過程作了動力學(xué)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(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、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)計思路：將導(dǎo)珠管型線曲率的變化率設(shè)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(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。為了驗證力學(xué)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(jié)果與理論模型計算結(jié)果基本一致。在滾珠絲杠副運(yùn)動學(xué)和力學(xué)理論模型的基礎(chǔ)上，研究了動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的理論計算方法，并分析了滾珠絲杠副動態(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)動受力狀態(tài)的變化。 5．對滾珠絲

8、杠副動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩、振動特性、噪聲及疲勞失效情況進(jìn)行了測量，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了理論分析。實驗測量結(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??；滾珠循環(huán)反向過程中的碰撞是影響滾珠絲杠副的動力學(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(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、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