滾珠螺桿失效分析

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

間隙太大

無預壓或預壓不足
無預壓的滾珠螺桿垂直放置時,螺帽會因本身的重量而造成轉動而下滑;無預壓的螺桿會有相當的背隙存在,因此只能用於較小操作阻力的機器,但主要的顧慮是定位精度較不要求。 於不同的應用上決定正確的預壓量,並於出貨前調好預壓;因此當您訂購滾珠螺桿前請確實詳述設備的操作情況。
扭轉位移太大
材質選用不當。
熱處理不當、硬化層太薄、硬度分布不均或村質太軟鋼珠、螺帽、螺桿的標準硬度分別為 : HRC62∼66, HRC58∼62, HRC 56∼62
不當的設計/細長比 (Slender ratio) 太大...等螺桿的細長比越小剛性越高,細長比的界限必須在60以下,如果細長比太大螺桿會產生自重下垂。如右圖所示的滾珠螺桿只以單側支撐,此種較弱剛性的設計應儘可能避免。
軸承選用不當
通常滾珠螺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;當滾珠螺桿承受軸向負載時,一般的深溝滾珠軸承會產生一定量的軸向背隙,因此深溝滾珠軸承並不適用於此。
軸承安裝不當
若軸承安裝於滾珠螺桿而貼合不確實,於承受軸向負載的情況下會導致背隙的產生,可能是由於螺桿肩部太長或太短所產生。
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;因此螺桿肩部的鎖定螺帽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。
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。
螺帽座或軸承座剛性不足
如果螺帽座或軸承座剛性不足,由於元件本身的重量或機器的荷載會使其產生偏斜。
測試說明如 / 圖15-3,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。
螺帽座或軸承座組裝不當
(1) 由於震動或未加固定銷使得元件鬆脫。以實心鎖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。
(3) 由於震動或缺少彈簧墊圈使得螺帽固定螺絲鬆脫。
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範圍,床台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。
馬達與滾珠螺桿結合不當
(1) 聯軸器結合不牢固或本身剛性不佳,會使螺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。
(3) 鍵的鬆動,或是鍵、鍵槽、輪轂間的任何不當搭配,皆曾使這些元件間產生間隙。

不順暢的作動

軸承安裝不當
螺桿或螺帽珠槽表面粗糙、鋼珠、螺桿或螺帽真圓度超出公差範圍。
螺桿或螺帽的導程誤差或節圓直徑超出公差範圍、迴流管組裝不當、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)
物進入鋼珠軌道
包裝材料阻礙鋼珠軌道:出貨時以許多的材料及防鏽袋來包裝滾珠螺桿,如果在包裝或排列的時候未依適當的程序來執行,
異物或其它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。
滾珠螺桿若未安裝刮刷器,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。
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於機台設定、極限開關失效或撞車,為預防造成滾珠螺桿進一步的損壞,重新安裝前滾珠螺桿須經製造商的重新檢修。
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。
偏心量太大
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螺桿彎曲,甚至偏心的情況,不足以造成明顯的螺桿彎曲時,異常磨耗仍持續不斷發生,並使螺桿精度迅速降低;而螺帽設定的預壓力越高偏心精度的要求越高。
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。
搬運時造成滾珠螺桿的損壞

發生碎裂

鋼珠破裂
鋼珠最常用的材質是鉻鋇鋼,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)。
滾珠螺桿有、無潤滑於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螺桿珠槽的損壞。
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。
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,最後造成迴流管斷裂。
滾珠螺桿肩部斷裂
不當設計、螺桿肩部應避免銳角設計,以減少局部應力集中 (下圖 A) 說明部份螺桿肩部適當的設計。
螺桿軸頸彎曲、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。
皆會導致螺桿肩部的彎曲或斷裂;因此在預定螺帽鎖緊的前後,螺桿肩部偏擺量 (下圖 B) 不得超過 0.01mm (0.004吋)
徑向力或反覆應力 (Fluctuating stress) 安裝螺桿時造成的偏心,會產生異常的交變剪應力,並使滾珠螺桿提早損壞。

圖 A 螺桿肩部設計

圖 B 螺桿肩部偏擺

探查引起異常背隙的位置

下列的量測步驟:用來探查滾珠螺桿裝置中發生異常背隙的位置。

  1. 將一標準規格的鋼珠固定在螺桿其中一端的中心孔中,轉動螺桿並以掛錶式量錶量測此鋼珠在軸向的變動量如下圖 (A) 若軸承、螺帽及螺帽座皆已徹底安裝固定,此一位變動量不得超過 0.003mm (0.00012吋)
  2. 轉動螺桿並以掛錶式量錶量測軸承座與軸承座基座的變動量 / 如下圖 (B),如有任何變動量,則表示其中有軸承固定不完全或安裝不夠徹底。
  3. 檢查床台與螺帽座的相對變動量 如下圖 (C)
  4. 檢查螺帽座與螺帽法蘭的相對變動量 如下圖 (D)
    當上述所有的檢查皆無問題,但背隙問題仍存在,請與工程人員聯繫,可能必須提高螺桿的剛性或預壓力。