滾珠絲杆的失效分析

2021-02-19 機械設計聯盟

滾珠絲杆發生問題的原因與預防：以下敘述三種滾珠絲杆發生問題的主因及其預防方法。

間隙太大

1. 無預壓或預壓不足 無預壓的滾珠絲杆垂直放置時，螺帽會因本身的重量而造成轉動而下滑；無預壓的絲杆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。上銀於不同的應用上決定正確的預壓量，並於出貨前調好預壓；因此當您訂購滾珠絲杆前請確實詳述設備的操作情況。

2. 扭轉位移太大
(1) 熱處理不當、硬化層太薄、硬度分佈不均或材質太軟鋼 珠、螺帽、絲杆的標準硬度分別為HRC 62~66、HRC58~62、HRC 56~62。
(2) 不當的設計：細長比(Slender ratio)太大…等絲杆的細長 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絲杆會產生自重下 垂。

3. 軸承選用不當 
通常滾珠絲杆必須搭配斜角軸承，尤其是以高壓力角設計的軸承為較佳的選擇；當滾珠絲杆承受軸向負載時，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。
4. 軸承安裝不當
(1) 若軸承安裝於滾珠絲杆而兩者貼合不確實，在承受軸向負載的情況下會導致背隙的產生，這種情形可能是由於 絲杆肩部太長或太短所造成的。
(2) 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；因此絲杆肩部的鎖定螺帽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。
(3) 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。

5. 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。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。

6. 螺帽座或軸承座組裝不當
(1) 由于震動或未加固定銷使得元件鬆脫。以實心銷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) 由于震動或缺少彈簧墊圈使得螺帽固定螺絲鬆脫
7. 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，床臺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。

8. 馬達與滾珠絲杆結合不當
(1) 聯軸器結合不牢固或本身剛性不佳，會使絲杆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，皆會使這些元件間產生間隙。
A2-2 不順暢的作動

1. 絲杆加工的問題
(1) 絲杆或螺帽珠槽表面粗糙。
(2) 鋼珠、絲杆或螺帽真圓度超出公差範圍。
(3) 絲杆或螺帽的導程誤差或節圓直徑超出公差範圍。
(4) 迴流管組裝不當。
(5) 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。
異物進入鋼珠軌道
(1) 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絲杆，如果在包裝或排列的時候未依適當的 程序來執行，異物或其他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。
(2) 加工碎屑進入軌道：滾珠絲杆若未安裝刮刷器，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。

3. 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 杆或螺帽珠槽表面的剝離。過行程發生的原因可能發生於機臺設定、極限開關失效或撞車，為預防造成滾珠絲杆
進一步的損壞，重新安裝前滾珠絲杆須經製造商的重新檢修。
4. 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。

5. 偏心 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絲杆彎曲，甚至偏心的情況，不足以造 成明顯的絲杆彎曲時，異常磨耗仍持續不斷發生，並使絲杆精度迅速降低；而螺帽設定的預壓力越高偏心精度的要求越高。
6. 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。
7. 搬運時造成滾珠絲杆的損壞

  碎裂
1. 鋼珠破裂 鋼珠最常用的材質是鉻鉬鋼，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)。滾珠絲杆有、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絲杆珠槽的損壞。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。

2. 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。

3. 滾珠絲杆肩部斷裂
(1) 不當設計：絲杆肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
(2) 絲杆軸頸彎曲：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 會導致絲杆肩部的彎曲或裂；因此在鎖定螺帽鎖緊的前後，絲杆肩部偏擺量不得超過0.01mm(0.004 吋)。
(3) 徑向力或反覆應力(fluctuating stress)：安裝絲杆時造成的偏心會產生異常的交變剪應力並使滾珠絲杆提早損壞。

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