数控车床滚珠丝杠副的选型计算.pdf

1序言

在卧式车床的数控化改造或数控车床的新设计中，滚珠丝杠副作为数控传动

系统的关键部件之一，其选型及安装的合理性直接影响到数控车床（以下简称车

床）的精度、寿命及性能。

目前国内关于一般滚珠丝杠副的选型计算较为充分，如黄育全针对滚珠丝杠

副的选型提出了一个初步成熟的算法。然而目前车床行业的发展趋于功能专业化，

如高速、高精度的要求或大型重载的情况等，此时需要在螺母选择、螺母安装及

丝杠支撑形式等方面作针对性选型。

2滚珠丝杠副的螺母选择

2.1循环方式选择

滚珠丝杠副按循环方式的不同分为内循环和外循环，滚珠在循环过程中始终不离开

丝杠表面的称为内循环；反之，为外循环。常见的浮动式、矩阵式结构为内循环，插管

式及端块式或端盖式结构为外循环，如图1所示。

a）浮动式

b）矩阵式

c）插管式

d）端块式或端盖式

图1常见滚珠螺母结构形式

在相同导程与承载滚珠圈数的情况下，内循环存在无滚珠的滚道区域，故在轴向尺

寸上较长；而外循环在轴向尺寸上结构相对紧凑，但滚珠的循环路线需要额外占用螺母

的径向区域，即在相同情况下螺母的直径会增大，需要根据车床的具体安装部件的配合

尺寸取舍。值得注意的是，同等条件下，外循环方式的Dn值比内循环方式更大，相同

负载工况下能获得更高的寿命。

2.2预紧方式与预紧力选择

为了保证丝杠副在车床上的重复定位精度，需保证滚珠螺母与丝杠之间无间隙，能

够根据旋转角度和导程间接测量轴向行程。此时在滚珠螺母与丝杠之间需维持预紧转矩。

螺母按预紧方式分为双螺母垫片预紧、单螺母增大滚珠直径预紧和单螺母变位导程预紧

等。

车床大多数情况受力为单向，即可不考虑对反向间隙的控制，出于对成本及车床安

装空间的考虑，推荐使用单螺母，预紧方式可以为增大滚珠直径预紧。

存在反向切削力，但相比正向时要小的多，高精度的应用场景下，可以使用非对称

的双螺母预紧方式。预紧方式仍为垫片式，但法兰螺母与直筒螺母的圈数可以不同；能

在不影响正向进给预紧转矩需求的同时降低螺母副长度，如图2所示。

图2非对称双螺母预紧方式

单螺母在相同条件下能节省安装空间，但双螺母有着方便调整预紧力的优势。即在

有一定使用年限后，能通过更换预紧垫片重新调整预紧力的方式延长滚珠丝杠副的使用

寿命。

预紧力根据车床进给系统的最大额定动载荷的一定比例选取。以我公司的企业标准

为例，按预紧转矩取额定动载荷（Ca）的3%、5%、7%，定为轻度、中度、重度预紧。轻

度预紧多用于半精车、粗车等精度要求不高的车床上，大型车床为了避免预紧转矩的衰

减可选用重度预紧。但是，预紧力过大会带来摩擦力矩增大，从而增大温升，反而不利

于精度保持，一般情况下选用中度预紧。

3螺母安装方式

3.1螺母法兰方向

单螺母滚珠丝杠副在采用一端固定，一端支撑的支撑方式时，螺母有两种具体安装

方式；一种安装方式是螺母和工作台的联接法兰靠近支撑端，远离固定端；另一种方式

是螺母和工作台的联接法兰靠近固定端，远离支撑端。以向左运动为例，两种方式的受

力如图3所示。

a）法兰靠近支撑端，远离固定端

b）法兰靠近固定端，远离支撑端

图3法兰方向示意

研究表明，螺母与工作台的联接法兰远离固定端的方式相比靠近固定端的方式，钢

球法向载荷与实际接触角的波动减小，有助于减少疲劳磨损，提高车床的精度保持性与

寿命。但对滚珠丝杠轴向刚度的影响不显著。

对于双螺母滚珠丝杠，由于预紧力的作用，工作螺母承担大部分的轴向载荷，预紧

螺母的受力不随安装方式变化，其安装方式的选择与单螺母类似。

3.2双法兰螺母安装

（1）双法兰螺母“背靠背”形式（见图4）常规双螺母垫片预紧方式的受力如图

5所示：图中PA、PB为通过厚垫片使螺母A、B发生轴向位移，使滚珠分别与丝杠滚道

的两个侧面接触时，一个滚珠给予丝杠的作用力向左，一个向右。

图4双法兰螺母“背靠背”安装形式

图5双螺母垫片预紧方式受力

1、3—螺母2—丝杠4—垫片

摩擦力矩与滚珠丝杠副的预紧力FP为正相关关系；预紧力FP受两螺母之间的间隙

控制，两螺母之间的连接刚度会严重影响预紧力，会导致摩擦力矩波动，最终影响返程

精度。如图4a所示的双法兰螺母安装形式，可以显著提高两螺