摩擦引起的表面退化通常是由润滑问题引起的。解决这一问题的线性运动设计是现实的、有效的和负担得起的。
作者:Bruce Gretz, | Steinmeyer公司执行副总裁
最大限度地提高正常运行时间,避免因计划外维护而停机是提高生产力的关键。运动部件的机械磨损,特别是定位系统,是运动设计故障的最常见原因。在这里,由于摩擦导致的表面退化通常是由于缺乏适当的润滑引起的。
考虑一下如何制造机床,以持续服务和最小的停机时间持续几十年。这只有在用户遵循适当的维护和服务间隔的情况下才有可能。事实上,直线运动(来自滚珠丝杠和其他直线部件)是任何机床最关键的功能之一,因为它直接影响最终产品的精度和可重复性。
像格里森这样的优质机床公司特别注重确保滚珠丝杠的性能保持在其严格的规格范围内。实用的润滑方法和滚珠丝杠设计的创新让这些机床公司履行他们对最终用户的承诺。
在滚珠丝杠传动的情况下,延长润滑周期对机床正常运行时间有直接和可测量的影响。因此,难怪一些供应商在营销宣传中暗示他们的旋转到线性组件是零维护的。这样的说法令人难以置信,并提出了一个问题:滚珠丝杠真的可以无限润滑吗?答案是否定的。跳跃后的解释。
了解摩擦学的工程师可以证实,零维护的说法太好了,不可能是真的。也就是说,可以设计一种润滑周期比一般滚珠丝杠长得多的滚珠丝杠,作为线性运动轴,只需要很少的维护。
零维护的真正含义
重要的事情先做。在滚珠丝杠的背景下,术语零维护通常意味着两件事之一。滚珠丝杠要么根本没有润滑而干枯,要么滚珠丝杠在其使用寿命内保持润滑剂。实际上,这两种设计都不适合真正长期运行。这是因为滚珠丝杠只需要少量的润滑剂来让滚珠循环。
如果设计师试图使用干燥的润滑剂,球很快就会堵塞。在缓慢或反向运动的情况下,这尤其危险。
在滚珠丝杠的整个使用寿命内保持润滑剂同样是不切实际的。这是一种可行的润滑方法旋转轴承,可以密封。但同样的情况不适用于线性轴承,因为螺母的线性冲程会导致润滑剂渗出。
考虑到一些供应商如何宣传滚珠丝杠在高负荷下终身润滑。滚珠丝杠提供免维护操作和高性能,有时会出现故障,因为高负荷自然会降低滚珠丝杠的寿命。换句话说,这种组合是不可能的,不是因为维护间隔太长,而是因为滚珠丝杠的寿命太短。
这是一种设计参数的情况,很像赛车世界中的情况。布加迪提供了1001马力的跑车,拥有200英里每小时的最高速度。如果一个人把车开得那么快,15分钟就会没油。更滑稽的是,轮胎会在12分钟内融化。
一些线性运动供应商还出售安装在螺母内部的润滑单元。这些通常是浸渍了油的塑料环。这样的设计在早期延长了维护间隔的时间,但塑料环最终会耗尽润滑剂。此时,最终用户必须将螺丝送回制造商更换润滑单元,或恢复到典型的润滑方法。此外,最终用户对使用何种类型的润滑剂几乎没有发言权,只能使用塑料环上的任何润滑剂。考虑到这些注意事项,有时这种设置的功能并不能改善运动设计。
实用的润滑方法
所有滚珠丝杠在出厂时都预先润滑。正在进行的维护周期很大程度上取决于应用程序。定期注意润滑可以显著减少计划外维护和停机时间。对于大多数机床,滚珠丝杠制造商建议在500小时进行第一次润滑油检查。根据这种检查的结果,机床用户可以将未来的间隔设置得更短或更长。
这种毛毡雨刷有一个内表面加工匹配滚珠丝杠螺纹。这种雨刷在滚珠丝杠必须承受肮脏的操作环境(如在研磨或木工机械,例如)。在这里,雨刷具有双重作用,作为密封,以保持球螺母的清洁-并存储润滑剂,以确保平稳运行。
滚珠丝杠的润滑油箱和雨刷系统必须设计成最大限度地减少润滑油损失,同时提供最大限度的磨损保护。理想情况下,润滑剂的供应和密封螺母免受细颗粒影响的能力应该组合成一个单元。
这种能力体现在一种名为组合雨刷的创新中。组合雨刷是塑料雨刷,在球螺母内有一个额外的毛毡雨刷。毛毡是一种很好的吸油剂,所以它起着储油器的作用。但是,必须保护它不受水或水基流体的影响。这是附加塑料雨刷的一个功能。
组合雨刷器略微增加螺母长度,但具有重要的优点:
- 优越的双级密封
- 减少维修
- 减少耗油量(75 - 90%)
- 重复使用
- 润滑剂的选择
与油浸塑料相比,最后两点尤其值得注意。由于包含了毛毡,用户可以在正常维护期间轻松补充,同时也可以使用自己选择的润滑剂。
如果占空比是这样的,弹性流体力学(EHD)润滑膜可以建立在运动的重要部分上,那么油润滑(具有适当选择的油级和粘度)在磨损方面总是优于润滑脂。另一方面,润滑脂在低速时具有边缘,因为它在混合摩擦或边界摩擦条件下提供更好的磨损保护。润滑脂也可以长期或终生润滑。使用润滑脂的润滑油损耗比使用机油要低。
首先,摩擦系数与磨损率无关。一些润滑剂产生低摩擦,但同时较高的磨损。此外,一些润滑脂的磨损率表明,这些润滑剂确实是通用的,因为它们在低速和高速下都提供适度的磨损保护。在较高的转速下,两种润滑油都能形成流体动力润滑膜,从而使滚珠丝杠磨损率极低。
考虑到在一些测试中,不含减磨添加剂(Vactra4)的普通矿物油,尽管粘度很高,但在低速运行时磨损率过高。一旦速度低于建立水动力膜的阈值,它就无法保护摩擦伙伴。它被挤压出接触贴片,并不能充分减少边界条件下的磨损。
相比之下,含有高压耐磨添加剂的油(EP油),可以通过化学或物理反应将碳氢分子结合到金属表面,在边界摩擦条件下表现得更好。
在整个测试场景中,除了高压润滑脂会导致润滑膜在高速下坍塌外,所有润滑脂都表现良好,磨损率都可以接受。同时,试验表明,润滑脂不能像适当粘度的油那样形成完美的流体膜,因此当存在EHD膜时,润滑脂润滑的磨损率高于油的磨损率。
制造商如何理解滚珠丝杠润滑剂的行为
代表Steinmeyer和欧洲工程财团EUREKA项目-由KTI(技术交流委员会)赞助-瑞士摩擦学实验室CSEM(瑞士电子和微技术中心)最近设计并在滚珠丝杠中发现的特定摩擦学条件下对常用润滑剂进行了测试。
实验室使用了一种改进的销对盘摩擦计,销被一个由相同材料制成的旋转圆盘上的普通5100钢球轴承所取代(热处理和研磨作为滚珠丝杠滚道)。实验室使圆盘和球的材料和表面光洁度非常类似于球螺母中的摩擦伙伴。
在两个模拟慢速滚珠丝杠和快速滚珠丝杠的试验系列中,表面载荷和相对速度。由于销盘摩擦计引起纯粹的滑动,而不是典型的滚珠丝杠的滑动和滚动,速度被调整到典型的中型滚珠丝杠运动学的滑动部分-运行在大约50 rpm(0.04厘米/秒摩擦计)和1000 rpm(32厘米/秒)。这紧密地模拟了滚珠丝杠润滑膜的形成和磨损的真实摩擦学条件。
点击此链接,可以在Neuchâtel/Switzerland查看CSEM摩擦学实验室对几种常用润滑剂进行科学测试的结果,以及润滑脂和机油润滑之间差异的一般性讨论。
了下:直线运动技巧,滚珠丝杠•丝杠
