滾珠絲桿的失效分析

前言

近幾年，越來越多的滾珠絲桿被用于各式各樣的機器，來滿足高精度與高性能的設備需求，滾珠絲桿成為使用 最廣的傳動元件之一。在CNC的機械中，滾珠絲桿增加其定位精度及延長其使用壽命。在傳統的機械上，滾珠絲桿 也逐漸取代愛克姆絲桿。滾珠絲桿通常會搭配預壓力來消除機器運轉時的背隙，但若滾珠絲桿安裝不當時就無法展 現其高精度與較長的壽命。此篇文章主要討論滾珠絲桿的問題與問題的預防，詳述一些測定程序來幫助使用者找出 發生不正常背隙的原因。

滾珠絲桿發生問題的原因與預防：以下敘述三種滾珠絲桿發生問題的主因及其預防方法。

間隙太大

1. 無預壓或預壓不足 無預壓的滾珠絲桿垂直放置時，螺帽會因本身的重量而造成轉動而下滑；無預壓的絲桿會有相當的背隙存在，因 此只能用于較小操作阻力的機器，但主要的顧慮是定位精度較不要求。 上銀于不同的應用上決定正確的預壓量，并于出貨前調好預壓；因此當您訂購滾珠絲桿前請確實詳述設備的操作情況。

2. 扭轉位移太大
(1) 熱處理不當、硬化層太薄、硬度分佈不均或材質太軟鋼 珠、螺帽、絲桿的標準硬度分別為HRC 62~66、HRC58~62、HRC 56~62。
(2) 不當的設計：細長比(Slender ratio)太大…等絲桿的細長 比越小剛性越高，細長比的界限必須在60以下如果細長比太大絲桿會產生自重下?垂。

3. 軸承選用不當
通常滾珠絲桿必須搭配斜角軸承，尤其是以高壓力角設計的軸承為較佳的選擇；當滾珠絲桿承受軸向負載時，一 般的深溝滾珠軸承會產生一定量的軸向背隙，因此深溝滾珠軸承并不適用于此。

4. 軸承安裝不當
(1) 若軸承安裝于滾珠絲桿而兩者貼合不確實，在承受軸向負載的情況下會導致背隙的產生，這種情形可能是由于 絲桿肩部太長或太短所造成的。
(2) 軸承承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳，會導致軸承的傾斜； 因此絲桿肩部的鎖定螺帽V形牙與軸承承靠面必須同時加工，才能確保垂直度，如果以研磨方式加工更好。
(3) 以兩個鎖定螺帽搭配彈簧墊圈來固定軸承，以防止運轉中鬆脫。

5. 螺帽座或軸承座剛性不足 如果螺帽座或軸承座剛性不足，由于元件本身的重量或機器的荷載會使其產生偏斜。此方式用 來檢測螺帽座的剛性，類似的測試也可用來檢測軸承座的剛性。

6. 螺帽座或軸承座組裝不當
(1) 由于震動或未加固定銷使得元件鬆脫。以實心銷取代彈簧銷達到定位的目的。
(2) 因固定螺絲太長或螺帽座螺絲孔太淺使得螺帽固定螺絲無法鎖緊。

7. 支撐座的表面平行度或平面度超公差 不論結合元件表面是研磨或剷花，只要其平行度或平面度超出公差范圍，床臺運動時位置的重現精度將較差；因 此一部機器中，通常在支撐座與機器本體間以薄墊片來達到調整的目的。

8. 馬達與滾珠絲桿結合不當
(1) 聯軸器結合不牢固或本身剛性不佳，會使絲桿與馬達間產生轉動差(relative rotation)。
(2) 若不適合以齒輪驅動或驅動結構不是剛體，可用時規皮帶來驅動以防止產生滑動。

1. 絲桿加工工藝的問題
(1) 絲桿或螺帽珠槽表面粗糙。
(2) 鋼珠、絲桿或螺帽真圓度超出公差范圍。
(3) 絲桿或螺帽的導程誤差或節圓直徑超出公差范圍。
(4) 迴流管組裝不當。
(5) 鋼珠大小或硬度不均。 以上的問題不該在高品質的產品中發生才是。關于滾珠絲杠制造工藝可以點擊這里。

異物進入鋼珠軌道
(1) 包裝材料阻礙鋼珠軌道：出貨時以許多的材料，如果在包裝或排列的時候未依適當的 程序來執行，異物或其他的物體可能會阻礙鋼珠軌道，導致鋼珠的滑動而非正常滾動甚至卡死。
(2) 加工碎屑進入軌道：滾珠絲桿若未安裝刮刷器，加工碎屑或灰塵的堆積會阻礙鋼珠軌道，造成順暢度不佳、精 度降低及減少使用壽命。

3. 過行程 過行程會造成迴流管的損傷及凹陷，甚至斷裂，而造成鋼珠無法正常運轉；在這惡劣的運轉條件下，可能造成螺 桿或螺帽珠槽表面的剝離。過行程發生的原因可能發生于機臺設定、極限開關失效或撞車，為預防造成滾珠絲桿進一步的損壞，重新安裝滾珠絲桿須經製造商的重新檢修。

4. 迴流管損壞：迴流管在安裝時受到嚴重的撞擊，迴流管可能造成凹陷及引發前述相同的問題。

5. 偏心 如果螺帽座與軸承座不同心時會產生徑向負荷，兩者偏心量太大時會造成絲桿彎曲，甚至偏心的情況，不足以造 成明顯的絲桿彎曲時，異常磨耗仍持續不斷發生，并使絲桿精度迅速降低；而螺帽設定的預壓力越高偏心精度的要求越高。

6. 螺帽與螺帽座結合不當：螺帽安裝時傾斜或偏心會造成異常負載，使馬達運轉時產生電壓不穩。
7. 搬運時造成滾珠絲桿的損壞。

? 碎裂
1. 鋼珠破裂 鋼珠最常用的材質是鉻鉬鋼，若要使一顆直徑3.175mm(1/8吋)的鋼珠破裂，約須1400kg(3080磅)~1600kg(3520 磅)。滾珠絲桿有、無潤滑于作動時溫升差異明顯，此溫升可能造成鋼珠破裂或損壞因此造成螺帽或絲桿珠槽的損壞。因此設計過程中須考慮潤滑油的補充，如無法使用自動潤滑系統，必須將潤滑油的補充計劃列入保養手冊。

2. 迴流管凹陷或斷裂 螺帽過行程或迴流管受到撞擊會造成迴流管的凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環路徑，使得鋼珠變成滑動而非正 常滾動，最后造成迴流管斷裂。

3. 滾珠絲桿肩部斷裂
(1) 不當設計：絲桿肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
(2) 絲桿軸頸彎曲：軸承承靠面與鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向的鎖定螺帽面平行度不佳，皆會導致絲桿肩部的彎曲或裂；因此在鎖定螺帽鎖緊的前后，絲桿肩部偏擺量(圖A.3)不得超過0.01mm(0.004 時)。
(3) 徑向力或反覆應力：安裝絲桿時造成的偏心會產生異常的交變剪應力并使滾珠絲桿提早損壞。
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