滚珠丝杠副常见故障分析介绍

1.滚珠丝杠副常见故障分析

（1）运动间隙过大

1）丝杠预压问题 滚珠丝杠预压的目的是为了消除轴向背隙并降低因轴向力造成的弹性位移，提高丝杠的刚性。一般预压方式有双螺母拉伸（或压缩）预压、单螺母过大钢球预压、单螺母导程偏移预压等形式。无预压的滚珠丝杠会有相当的背隙存在，当垂直放置时，螺母会因自身的重量而造成转动下滑，因此只适合用于操作阻力较小的机器，对定位精度不作要求的场合。

一般丝杠生产厂家会根据图样或相关技术文件的要求进行预压。因此，订购滚珠丝杠前要详述预压要求及设备的使用状况，否则会产生间隙过大的可能。

2）扭转变形问题

①滚珠丝杠副某组件材质选用不当。

②热处理不当：硬化层太薄、硬度分布不均或材质太软。一般地，钢球、螺母、丝杠的标准硬度分别为62～66HRC、58～62HRC、56～62HRC。

③设计不合理：丝杠的长径比越小，刚性越高，建议长径比应在60以下；如果长径比太大，丝杠会产生自重下垂。滚珠丝杠只有单端支承，另外一端自由悬浮的结构刚性较弱，应尽可能避免。

3）轴承选用不当 通常，滚珠丝杠需选用角接触球轴承进行支承，最好使用60°压力角设计的丝杠专用轴承。当滚珠丝杠承受轴向负载时，一般的深沟滚珠轴承会产生一定量的轴向背隙，因此深沟球轴承并不适用于滚珠丝杠固定端，除非用于对定位精度要求不高的自由端处。

轴承背对背组合的优点是作用点间的距离较大、刚性较好，缺点则是较易受几何精度影响。轴承面对面组合的优点是较易组装，受几何精度影响较小；缺点是作用点间的距离较小，刚性较差。设计时，应以实际加工和使用情况选择轴承组合形式。

4）轴承安装不当

①当轴承与滚珠丝杠轴肩处贴合不实，在承受轴向负载的情况下会产生背隙，这种情形可能是因丝杠轴肩过深、过浅或轴承没有安装到位所造成的。

②丝杠上用于安装轴承定位轴肩面与锁紧螺纹牙型轴心的垂直度超差，或锁紧螺母面与轴承承靠面平行度超差，会导致轴承的倾斜。因此，丝杠用于安装轴承的锁紧螺纹牙型与轴承定位轴肩面必须同时加工，才能确保垂直度，如果以研磨方式加工更好，且锁紧螺母应选用精密专用型。

③轴承座内腔定位面及压盖安装面对轴承孔轴心垂直度超差，也会引起轴承倾斜，且内腔定位面处难以加工和测量。

5）支承座的表面平行度或平面度超差 不论配合组件表面是研磨还是铲花，只要其平行度或平面度超出公差范围，将会影响工作台运动时的位置定位精度。通常可在支承座与基体件间增加垫片来达到调整的目的。

（2）动作不顺畅

1）异物进入钢球轨道 滚珠丝杠若未安装刮刷器或防护不良，装配及加工过程中产生的碎屑或灰尘的堆积进入钢球轨道，造成运动不顺畅、精度降低及减少使用寿命。

2）过行程 限位开关失灵、过冲、误操作或撞车等会造成回流管的损伤及凹陷，甚至断裂，从而造成钢球工作不顺畅，甚至无法正常运转。

3）偏心 螺母座与轴承座不同心，会产生径向负荷；两者偏心量太大时，会造成丝杠弯曲甚至偏心；不足以造成明显的丝杠弯曲时，异常磨耗仍持续不断发生，并使丝杠精度迅速降低。而螺母设定的预压力越高，对偏心精度的要求越高。

（3）温升问题

1）润滑的影响 润滑油的选择直接影响滚珠丝杠的温升，滚珠丝杠润滑不良会产生较大的温升，可能造成钢球破裂或损坏，从而造成螺母或丝杠滚珠槽的损坏。

因此，设计过程中需考虑润滑油的及时补充，如无法使用自动润滑系统，必须将润滑油（脂）的补充周期列入保养手册。一般建议以轴承润滑油为滚珠丝杠油润滑，油脂则建议以锂皂基的油脂。油品粘度选用依操作速度、工作温度及负荷情形来选择。当工作情况为高速低负载时，最好选用低粘度油品；低速高负载时，则建议使用高粘度油品。应用于高速、重负载的场合时，必须以强制冷却来降低温度，应采用中空丝杠通入冷却油来达到冷却效果。

2）预压力的影响 一般滚珠丝杠都需要一定的预压要求来达到提高精度、刚性等目的，但施加预压力于螺母上会增加滚道的摩擦转矩和阻力，使工作时的温度升高。建议预压不能超过丝杠动负荷的8%。

3）预拉的影响 滚珠丝杠温升时，热应力效应会使丝杠产生细微伸长，因此丝杠的长度变得不稳定，往往采用预补偿的措施来弥补。预拉补偿的目标值是事先给予负向补偿值，一般建议每1000mm的补偿值为0.02～0.03mm，过大的预拉会烧坏支撑轴承。因此，建议应采用小于5°C的预拉伸值，但若丝杠直径超过50mm时，也不适合做预拉伸。丝杠直径大，需要的预拉力也大，因此会导致支撑轴承过热而烧坏，建议以3℃左右的温升作为补偿值。

4）dn值的影响dn值是指丝杠节圆直径与最高转速的乘积，如节圆直径Φ40mm、最高转速2000r/min，其dn值为80000。dn值对丝杠的噪声、工作温度、循环系统及寿命皆有较大的影响，一般建议dn值不要高于70000。可通过加大导程、降低转速来控制dn值，超出正常范围的dn值应与制造厂家联系解决。

（4）滚珠丝杠肩部断裂

①丝杠肩部应避免锐角设计，以减少局部应力集中。(www.xing528.com)

②丝杠轴颈弯曲。轴承承靠面与锁紧螺母轴心的垂直度超差，或锁紧螺母面平行度超差，皆会导致丝杠肩部的弯曲或断裂，因此在锁紧螺母锁紧后，丝杠肩部偏摆量不得超过0.01mm。

③径向力或反复应力。安装丝杠时，造成的偏心会产生异常的交变切应力，会使滚珠丝杠过早损坏。

2.故障实例

实例1：Z轴移动时出现异声。

故障原因分析及排除：电动机过热，但无报警，说明电动机风扇和环境温度在正常工作范围内，排除是电动机故障。判断是传动链故障，根据X、Y、Z轴滚珠丝杠螺母副装配图拆卸检查，发现丝杠滚珠和电动机联轴器轴承均严重磨损。更换同类配件，按图样要求重新组装，异声消除。装配时注意：为提高滚珠丝杠刚度，吸收丝杠发热时的伸长量，丝杠预加负荷应在5000～6000N，先拧紧丝杠前端（装配电动机一边）螺母，然后用测力扳手拧另一端螺母，保证轴向力在5000～6000N后，锁紧。

实例2：机床反向间隙过大引起Z轴剧烈抖动。

故障原因分析及排除：THK46100卧式五轴数控加工中心，出现Z轴剧烈抖动，同时伴有445号报警（软连接报警），调出机床Z轴监控画面，发现报警时FBA、ALD、EXP三信号依次为1、0、0。该机床采用FANUC 18i系统，通过查找相关FANUCαi系列伺服电动机维护手册，故障原因有：位置检测元件脉冲A/B相未被使用，即光栅尺信号存在故障；存在较大反向间隙；电动机编码器故障。而机床Z轴抖动，应与机床传动副、润滑、导轨有无研伤，两导轨是否平行，伺服增益等因素相关。

检测Z轴导轨及润滑良好，调整机床伺服增益，机床故障依旧。单方向运动Z轴，机床不出现报警但抖动依然存在；反方向运动时，机床抖动和445号报警同时出现，可以断定报警是因机床反向间隙过大引起的。用百分表检查机床Z轴反向间隙为0.1mm。

机床反向间隙大的因素有：电动机与丝杠之间的联轴器异常或有间隙；电动机丝杠轴头或其他相关部件磨损或有油污造成打滑；电动机或丝杠侧的压紧力不足或不均匀造成打滑；丝杠螺母或丝杠支撑轴承处有间隙。排查后发现，丝杠螺母与丝杠之间存在较大间隙。将丝杠螺母与机床床身脱开，单独往复运行丝杠螺母，发现有死点。

单方向运行Z轴到正方向最大行程处（此时可以露出Z轴丝杠另一端支撑），然后关闭机床。先拆电动机侧丝杠副支撑，后拆另一侧辅助支撑。松开丝母安装螺钉，将滚珠丝杠副从Z轴电动机侧取出。丝杠螺母一端密封塑料圈变形脱落，滚珠丝杠螺距之间有细小电镀层粉末。打开双螺母连接件，将螺母旋出，内部共有172个滚珠，可以直接观察到大量滚珠严重磨损。每个螺母上有三个轨道，轨道上的导向槽磨损变形，滚珠通过导向槽时出现卡死现象。丝杠副不能继续使用，只好更新。

安装丝杠副时，制作一个类似丝杠螺母（无内螺纹）的检具，将其安装到螺母安装架上，用一个与机床V形导轨一致的V形铁，将千分表固定在V形铁座上，千分表触及检具上母线，沿机床导轨移动，检查丝杠螺母安装架与机床Z轴导轨的垂直度。

先安装滚珠丝杠固定端（即电动机端）支撑，通过调整轴承预紧力调整垫片的薄厚尺寸，给轴承适当的预负荷，确保无轴向窜动。然后安装工作台侧丝杠副辅助支撑，通过给锁紧螺母加力，对丝杠副进行预紧拉伸。该丝杠副预紧拉伸负荷为5000N，用来消除反向间隙。

调整丝杠座同心度，将丝杠螺母与安装架相连，转动丝杠，将立柱尽可能移到靠近工作台处。用一个与机床V形导轨一致的V形铁，将千分表固定在V形铁座上，沿机床导轨移动，使丝杠与导轨在垂直面及水平面内的平行度为0.02mm以内（全长1250mm）。调整好后，重新绞销孔定位。

装配完后，需要校对Z轴定位精度及数控系统补偿值。

实例3：防护不良，造成同步带老化变形，使得进给出现偏差。

故障原因分析及排除：数控车床在自动运行过程中，偶尔出现X轴进刀时程序指定尺寸与实际加工尺寸不一致的现象，两者相差约0.5～2mm。由于这一现象是偶尔性的，并非连续出现，而且当出现这一现象时，数控系统不显示报警号，因此故障很不明确。

操作人员在工作时，根本无法保证下一个工件加工尺寸是否合格，废品不断出现。首先检查控制系统输出信号，结果正常；接着将系统复位后，测试X轴进给速度，结果系统显示的数据与设定的一致；经过调整系统参数后，重新试车，故障仍然如此。于是怀疑X轴驱动步进电动机转速不稳定，可能存在“掉步”现象。打开机床X轴驱动步进电动机护盖，测定电动机输入相电压和转速，结果均在正常范围内。

用活扳手试转动X轴驱动丝杠，发现手感忽松忽紧，于是打开丝杠护盖，发现连接步进电动机与丝杠的同步齿形带严重老化变形甚至缺齿。原因是由于连接部分的护盖紧固螺钉松动，机床运行时同步带渗入切削液，经浸泡后严重老化变形，使得步进电动机根本无法与丝杠转速同步，造成上述故障。

经过更换同步带后重新试车程序，指令尺寸与实际测量尺寸一致，故障得到排除。

实例4：联轴器连接螺钉松动，造成进给方向位置偏差过大。

故障原因分析及排除：某卧式加工中心工作中，Y轴出现位置偏差大于设定值的报警提示信息。该加工中心采用FANUC 0iM系统，采用闭环控制形式。以安装于导轨侧和立柱上的光栅尺为位置测量元件，系统控制以位置环为外环；安装于伺服电动机端部的旋转编码器为角度测量元件，速度环为系统控制的内环。伺服电动机和滚珠丝杠通过联轴器直接连接。

根据该机床控制原理及机床传动连接方式，初步判断出现报警的原因是Y轴联轴器连接不良。对Y轴传动系统进行检查，发现联轴器连接螺钉松动。紧定Y轴传动系统中所有的紧定螺钉后，故障消除。

实例5：系统过载报警。

故障原因分析及排除：XH716数控立式加工中心，系统为FANUC OM系统。这台机床在加工中经常出现过载报警，报警号为434，表现形式为Z轴电动机电流过大，电动机发热，停上40min左右报警消失，接着再工作一阵，又出现同类报警。

经检查分析，认为电气伺服系统无故障，估计是负载过重带不动造成。为了区分是电气故障还是机械故障，将Z轴电动机拆下与机械脱开，再运行时该故障不再出现，由此确认为机械丝杠或运动部位过紧造成。调整Z轴丝杠防松螺母后，效果不明显，后来又调整Z轴导轨斜铁，机床负载明显减轻，该故障消除。