滾珠絲杠副支承軸頸相對滾道中心線徑向圓跳動的檢測方法
2023-11-6 來源：南京工藝裝備制造有限公司 作者： 李小春 周霞
1. 序言
隨著國產滾珠絲杠副的高速、高精、高質量發展，其對檢測的要求也不斷優化提升 ; 其中滾珠絲杠副的精度決定著滾珠絲杠副在機床中的安裝精度和運動精度，目前國家標準中對滾珠絲杠副的安裝要求有著明確的規定，若跳動和位置精度不合格，則安裝很難達到要求，影響滾珠絲杠副的動態精度以及各性能的測試結果。
GB/T 17587.3—1998 標準中的滾珠絲杠副跳動和位置精度包含滾珠絲杠副外徑的徑向圓跳動、滾珠絲杠副的支承軸頸相對于 AA'（滾珠絲杠副外徑）的徑向圓跳動、滾珠絲杠副的軸頸相對于支承軸頸的徑向圓跳動、滾珠絲杠副的支承軸頸肩面相對于滾珠絲杠副外徑的軸向圓跳動、滾珠絲杠副的滾珠螺母安裝端面相對于滾珠絲杠副外徑的軸向圓跳動、滾珠絲杠副的滾珠螺母安裝外圓相對于滾珠絲杠副外徑的徑向圓跳動等方面，其測量方法是將滾珠絲杠副置于兩等高 V 形鐵上，兩等高 V 形鐵的位置分別位于滾珠絲杠副外徑兩端的 2d0（d0 為滾珠絲杠副的公稱直徑）處，將指示器的測頭垂直觸及待測位置，然后按標準中的規定緩緩轉動滾珠絲杠或滾珠螺母，記下指示器的讀數變化。
然而在機床安裝和使用中，滾珠絲杠副支承軸頸與滾珠螺紋中心的位置要求直接影響了滾珠絲杠副在機床中的安裝和運動精度，滾珠絲杠副的支承軸頸與滾珠螺紋中心線的徑向圓跳動要求更為合理準確。在GB/T 17587.3—1998標準中，滾珠絲杠副跳動和位置精度沒有檢測項目能直接檢測出支承軸頸與滾珠螺紋中心的跳動要求，其中滾珠絲杠副支承軸頸相對于滾珠絲杠副外徑的徑向圓跳動檢測項目，本意是通過此項目控制滾珠螺紋中心與軸頸的位置公差，因為滾珠絲杠外徑一般作為滾珠螺紋的加工工藝基準，滾珠螺紋中心與滾珠絲杠外徑同軸度較好，另外，滾珠螺紋是空間螺旋曲面，很難作為檢測基準，以滾珠絲杠外徑為檢測基準檢測比較方便。故 GB/T17587.3—1998中用滾珠絲杠副支承軸頸相對于滾珠絲杠副外徑的徑向圓跳動代替了滾珠絲杠副的支承軸頸與滾珠螺紋中心線的徑向圓跳動，但是這種替代檢測方法會因為滾珠絲杠副外徑與滾珠螺紋中心線存在的位置偏差以及滾珠絲杠外徑的形狀公差影響實際的檢測結果，另外在一些短而粗的滾珠絲杠螺紋加工時都不以絲杠外徑為基準進行磨削，但是為了檢測，需要精磨削滾珠絲杠外圓。
鑒于以上緣故， 參考《Ball screws?Part3:Acceptance conditions and acceptancetests》（ISO3408-3:2011），在 2017 年發布的國家標準《滾珠絲杠副 第 3 部分 : 驗收條件和驗收檢驗》（GB/T17587.3）中，相比之前版本，增加了 “E6.2” 檢驗項目，該項目為滾珠絲杠副的支承軸頸相對于滾珠螺紋中心線的徑向圓跳動（見圖 1）。
圖 1 滾珠絲杠副的支承軸頸相對于滾珠螺紋中心線的徑向圓跳動
從實際使用角度來講，滾珠絲杠副的支承軸頸跳動以滾珠絲杠的螺旋線中心線作為基準檢測，更能校正其在機床上的安裝，保證其運行精度與穩定性 ; “E6.2” 檢測方法避免了滾珠絲杠外徑和滾珠螺紋之間的制造誤差，較傳統檢測方法更符合實際使用。
“E6.2” 的檢測方法中規定 : 用與滾珠同樣尺寸的多個球，在滾珠螺紋接近螺紋端部處支承起滾珠絲杠副，將指示器的測頭置于滾珠絲杠支承軸頸外圓上，轉動滾珠絲杠一圈并記下指示器的讀數變化。從規定的檢測方法中我們可以看出，以滾珠螺紋中心做基準，無法直接使用傳統的 V形鐵支撐辦法，臨時測量可以在 V 形鐵與滾道之間添加鋼球支撐，但在轉動滾珠絲杠進行測量時，存在鋼球易移位，測量不準確的問題，此檢測項目的可操作性仍然不強，常規的檢測方法和儀器很難進行檢測。
本文針對 “E6.2” 新增檢測項目，為解決該項目的檢測難題，從工裝研發、檢驗方法創新、檢具測量與校準的角度介紹兩種兼顧可操作性和經濟性、精確性的檢測方法。
2. 檢測專用工裝設計
滾珠絲杠副所采用的滾動體是鋼球，滾珠絲杠的螺紋中心就是滾動體理論上所處的中心，按GB/T 17587.3—2017中要求用與滾珠同樣尺寸的多個球支承滾珠絲杠副，鋼球在 V 形鐵上位置不好固定，在旋轉滾珠絲杠副的過程中也不穩定，故將鋼球設計為圓柱，V 形鐵上鑲嵌同等直徑尺寸的半圓柱，圓柱半徑就與鋼球半徑一致。一個V 形鐵上兩個圓柱的位置置于螺旋線切線處，V形鐵上鑲嵌半圓柱如圖 2 所示。
該檢測專用工裝設計的優點是操作簡單，檢測精度高，檢測一致性好，適合單規格批量滾珠絲杠副的檢測，缺點是可檢測規格單一，制造成本高。
圖 2 V 形鐵上鑲嵌半圓柱
對于一些精度等級不高，多規格小批量滾珠絲杠副的檢測，可以采用另一種型鐵上放置可調檢測圓柱的檢測專用工裝進行檢測（見圖 3）。
圖 3 V 形鐵上放置可調檢測圓柱
該檢測專用工裝采用可活動的兩同等尺寸的檢測圓柱置于 V 形鐵表面，檢測圓柱尺寸與鋼球尺寸一致，V 形兩側設計限位塊，限位塊用螺釘固定。這種專用檢測工裝在檢測過程中，將滾珠絲杠副置于圓柱上時，圓柱因為有一定的活動空間，旋轉滾珠絲杠副時可以自動找正螺旋升角。因螺旋升角有一定的可調范圍，故該檢測工裝可以適合多規格的滾珠絲杠副的檢測。
3. 檢測方法
3.1 雙V形鐵鑲嵌半圓柱檢測方法
用兩個同等高度的 V 形鐵，置于滾珠絲杠的接近螺紋端部處，將指示器的測頭置于滾珠絲杠支承軸頸的外圓上，轉動滾珠絲杠一圈并記下指示器讀數變化。采用雙 V 形鐵鑲嵌半圓柱檢測方法（見圖 4），在滾珠絲杠零件加工過程中和裝配好滾珠絲杠副后都可以進行支承軸頸跳動檢測。
圖 4 雙 V 形鐵鑲嵌半圓柱檢測方法
3.2 雙V形鐵放置可調檢測圓柱檢測
將滾珠絲杠副置于檢測圓柱上，轉動滾珠絲杠副，使得檢測圓柱自動找正螺旋升角，將指示器的測頭置于滾珠絲杠支承軸頸的外圓上，轉動滾珠絲杠一圈并記下指示器讀數變化。雙 V 形鐵放置可調檢測圓柱檢測方法（見圖 5），也可以在滾珠絲杠零件加工過程中和裝配好滾珠絲杠副后進行支承軸頸跳動檢測。
圖 5 雙 V 形鐵放置可調檢測圓柱檢測方法
3.3 采用單V形鐵固定滾珠螺母檢測
在某些特殊場合，有預緊力的滾珠絲杠副，又無專用檢測工裝的情況下，也可以采用單 V 形鐵固定滾珠螺母進行檢測，因為是有預緊力的滾珠絲杠副，滾珠絲杠和滾珠螺母在裝配鋼球后無間隙，故固定滾珠螺母也可視作以螺紋中心做基準，在用戶現場，也可以用螺母座代替 V 形鐵來固定滾珠螺母。
單 V 形鐵固定滾珠螺母檢測方法（見圖 6），滾珠螺母旋至螺紋滾道一端，將滾珠螺母置于上下兩 V 形鐵中間，并用螺栓聯接起到緊固作用，將滾珠螺母旋至螺紋滾道一端，對于長滾珠絲杠副另一端用可調 V 形鐵支撐，將指示器的測頭置于滾珠絲杠支承軸頸的外圓上，轉動滾珠絲杠一圈并記下指示器讀數變化。
圖 6 單 V 形鐵固定滾珠螺母檢測方法
4. 測量系統 MSA 分析
為了檢驗應用該新設計的 V 形鐵工裝在滾珠絲杠副的跳動檢測上的可靠性與穩定性，使用MSA（Measurement Systems Analysis）測量系統分析方法，通過統計分析的手段，對構成滾珠絲杠副 “E6.2” 跳動測量系統的各個影響因子進行統計變差分析和研究，以得到該測量系統是否準確可靠的結論。
根據 MSA 手冊，在測定過程中得到的測量值里一般包含著實際工程的變動和根據測量系統的變動。
被觀測的變動（ 2total ）＝工程的變動（2p）＋測量變動（2 M S），測量波動再區分為重復性和再現性，測量變動（2MS）＝重復性（2Repeatability）＋再現性（2Reproducibility），重復性和再現性兩種波動的和，即測量系統的波動 R&R。
針對滾珠絲杠副支承軸頸相對滾道中心線徑向圓跳動檢測系統，采用量具 R&R 方法，取 10個試樣，每個試樣由 3 個操作人員各檢測 3 次，檢測數據為計量型。以5010-P4規格長1500mm滾珠絲杠副為例，根據國標要求，其軸頸跳動t6.2 公差為 0.013mm; 檢測方法采用雙 V 形鐵放置可調檢測圓柱檢測（見圖 7），該批次 10 根滾珠絲杠副支承軸頸跳動的測量數據見表 1。
測量結果的 t6.2 極差控制如圖 8 所示，t6.2均值控制如圖 9 所示。
表 1 滾珠絲杠副支承軸頸跳動的測量數據 （單位 ：mm）
圖 7 采用雙 V 形鐵放置可調檢測圓柱檢測
圖 8 t6.2 極差控制
圖 9 t6.2 均值控制
從圖 8 中可以得知，3 個測量人員的讀數都在極差圖的控制線范圍內，說明該測量系統對人員的技術不敏感，具有可重復性。從圖 9 可以得知同一零件與測量人員的交互小，即不同測量人員均能反映待測件的真實水平。從 Minitab 軟件分析結果可以得出表 2。
表 2 Minitab 軟件分析結果
5. 結束語
本文針對GB/T 17587.3—2017中新增的“E6.2” 檢測項目，創新性地研發了檢測工裝，該檢測工裝使用方便，精度高，同時對配套該檢測工裝的測量系統進行了量具MSA分析，使用量具 R&R 方法分析了 “E6.2” 檢測項目的檢測重復性與再現性，達到了精密精確的檢測要求。支承軸頸相對于滾道中心線徑向圓跳動的檢測采用以上檢測方法更加容易操作，在滾珠絲杠副安裝過程中更容易實現，特別適合此類長絲杠的檢測，方便了制造方檢驗人員以及機床主機廠商調試人員，對滾珠絲杠副的生產、使用產生了積極意義。
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