滚珠丝杠的高速化应用
摘要：自2008年11月日本Jimtof工具机展，高速化、高精度、复合式、低噪音、环保化和智能化等已经成为近年来工具机发展的趋势。其中高速化、高精度、低噪音等的关键技术已经应用于机械结构中的进给系统，因此滚珠丝杠的高速化应用显得重要。 
此外，随着为信息科技(IT)产业精密零组件的发展，节能、精密、控制稳定与洁净等已经成为发展趋势。而滚珠丝杠具有高机械效率及负荷的性能，因此以伺服马达和滚珠丝杠作为驱动系统的全电伺服式射出成形机将逐渐取代传统油压式的塑料射出成形机的趋势，也突显出滚珠丝杠高负载应的重要性。
关键词：DmN值、高速丝杠、温升、噪音、润滑。
 
滚珠丝杠的高速化应用 
进给系统的高速化一直是各设备业者追求的目标，因此滚珠丝杠的高速设计更为重要。滚珠丝杠的高速设计需考虑以下的因素： 
1、DmN值的问题：
以丝杠外径32mm、导程12mm的滚珠丝杠而言，若要达到60m/min的高进给速度，丝杠的高转速则需达到5000rpm，因此DmN值接近160,000，此时滚珠丝杠的循环装置的选用非常重要。例如果采用端塞式循环(上银科技的Super S系列)，钢珠进入与出口的设计皆采切线的方式，大量降低钢珠对循环装置的撞击，才能达到DmN值220,000的要求。 
2、温升的问题：
滚珠丝杠的发热量与放热量皆与转速有关联，温升与转速的比例关系约为0.5次方，转速越低滚珠丝杠的发热量越小，因此于高速化的使用需求上，加大导程的方式要比加快马达转速的方式要来得有效。滚珠丝杠之温升计算公式如下：
 
   
其中：
θ：温度上升值（℃）。
Q：每单位时间的发热量（kcal/hr）
β：单位时间温差的散热量(kcal/hr℃)
n：转速(rpm)
J：热功当量(427kgf-m/kcal)
T：摩擦扭矩(kg-cm)
K：摩擦系数(0.1~0.2)
：预压力(kgf)
l：导程(mm)
：轴向力(kgf)
：机械效率(0.9~0.95)
ａ：钢的传导率(38) 
A：放热面积( )、A=π×丝杠外径×螺纹长度
CM：热容量(kcal/℃)、CM=钢的比热×钢的密度×丝杠体积=钢的比热×丝杠质量
钢的比热(0.11kcal/kg℃)、钢的密度(0.00785kg/ )
t：时间(hr) 
当式中的时间项t越大时，θ接近滚珠丝杠的温升饱和值。一般丝杠的材质为50CrMo4或SCM445，其热膨胀系数约为11.6×10-6，若将上述温升计算式所得的温升值代入上述的公式即可获得丝杠的热变形量。 
   为了降低滚珠丝杠在高速时所产生的热变位情况，可采用强制冷却的方式。一般分为外部冷却式以及内部冷却式两种，外部冷却式采用油雾的方式来降低丝杠的温度，而内部冷却的方式有丝杠中空冷却和螺帽冷却。 
3、噪音的问题：
   滚珠丝杠噪音的来源大概可分为钢珠与钢珠之间的撞击、钢珠与循环装置的撞击以及钢珠与螺帽和丝杠之螺纹沟的滚动摩擦声音等三种。其中钢珠与钢珠之间的撞击以及钢珠与循环装置的撞击声音很大，可藉由回流组件的选用。 
   静音式滚珠丝杠的特色是在钢珠与钢珠之间置入工程塑料材质的间格子，由于工程塑料材质具有较钢珠低的硬度以及良好的阻尼效果，如此不但可以消除钢珠与钢珠之间的碰撞声音，亦可避免钢珠与钢珠之间的相互摩擦而让滚珠丝杠的预压扭力更平稳。 
4、润滑的问题： 
   滚珠丝杠常用的润滑剂有润滑油和润滑脂二种，由图14的测试结果发现此二种润滑剂的种类和黏度的选用皆会影响滚珠丝杠运动时的温升情况，而采用较低黏度的润滑油可以得到较低的温升。然而当滚珠丝杠须承受较高的轴向负载时，过低的润滑油黏度会造成油膜形成的阻碍，导致边界润滑而使金属接口相互接触摩擦、磨耗，造成更高的温升。因此润滑油黏度的选用非常重要，在不同的环境温度和负荷情况下皆有不同的建议。 
   此外，润滑周期和量也非常重要。润滑油的给油周期建议以少量多餐的模式，图15为上银科技公司进行润滑油的给油周期对噪音的影响测试结果。当滚珠丝杠的规格为R32-10B1-OFSW-680-929-0.018，丝杠转速为1000rpm的条件进行测试，结果发现润滑15分钟后若未进行给油，噪音值会上升。因此对于滚珠丝杠的注油率(Q)公式建议为：
 
　　其中d为丝杠外径(mm)
 
　　润滑脂的使用建议则为每100km (或3~6个月)填充一次，填充量为30~50%之丝杠与螺帽之间的空间(需扣除滚珠所占的空间)。
表一 精密滚珠丝杠精度表(1)

表二 滚珠丝杠国际标准精度等级(1)

  
 
 本文公式摘自HIWIN丝杠培训资料。
                                                                                                                                                              成都海科技术部