滾珠螺桿安裝容易發生問題的原因與預防
前言
「滾珠螺桿」在CNC工具機械中，取代了傳統式的艾克姆螺桿，主要功用在於增加定位精度及延長使用壽命。欲消除機械運轉時的背隙，通常會搭配有預壓力之滾珠螺桿，但若滾珠螺桿安裝不當時，就無法展現其高精度與較長的壽命。本文主要討論滾珠螺桿在安裝上所遇到問題及問題預防，並詳述測定程序來幫助使用者找出滾珠螺桿使用異常所發生的原因。
滾珠螺桿安裝容易發生問題的原因與預防
以下敘述三種滾珠螺桿安裝上容易發生問題的原因與其預防方式
作動不順暢
螺桿及螺帽加工問題
- 迴流系統位置加工不當。
- 螺桿或螺帽鋼珠溝槽研磨粗糙度不佳。
- 螺桿或螺帽鋼珠溝槽真圓度超出公差範圍。
- 螺桿或螺帽的導程誤差或節圓直徑超出公差範圍
過行程
過行程發生的原因可能發生於機台設定、極限開關或撞車。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，可能造成螺桿或螺帽珠槽表面的剝離。若要重新安裝。滾珠螺桿必須經製造商的重新檢修，以防止進一步損傷。
偏心
安裝滾珠螺桿時，兩端的軸承支撐座與螺帽座要調整到三點同心的最佳狀況，如果在不同心的情況下安裝，螺帽座與軸承座會產生徑向負荷，兩者偏心量太大時會造成螺桿彎曲，甚至在偏心的情況，假使無造成明顯的螺桿彎曲時，異常磨耗仍持續不斷發生，並使螺桿精度迅速降低。同時滾珠螺桿與馬達間也要保持自然同心的狀態，避免產生不良的徑向力矩。而螺帽設定的預壓力越高偏心量精度的要求越高。
異物進入鋼珠軌道
滾珠螺桿若未安裝刮刷器或刮刷器損壞，加工時的雜質（鐵屑等）或灰塵的堆積會阻礙鋼珠軌道，造成順暢度不佳、精度降低及使用壽命下降。
迴流系統損壞
迴流系統在安裝時受到嚴重的撞擊，可能造成凹陷及損傷，造成鋼珠進入迴流系統時鋼珠之路徑不順暢。
螺帽與螺帽座結合不當
安裝螺帽時與螺帽座連接面傾斜或偏心會造成偏心負載，使馬達運轉之電流值不穩定。
搬運時造成滾珠螺桿的損壞
- 在安裝的過程中，要避免螺帽脫離螺桿螺紋部位，因為一旦脫離後，鋼珠將散落且會有預壓的變動、循環系統及刮刷器的破損。
- 滾珠螺桿的磨擦係數很小，在搬運及安裝過程中，注意在垂直放置時，避免螺帽或螺桿本身的自重而產生脫落造成損傷。如有上述情況，此時必須經製造商的重新檢修，以防止進一步損壞。
間隙太大
無預壓或預壓不足
當無預壓之滾珠螺桿垂直放置時，螺帽會因本身的重量造成轉動而下滑：因此無預壓的滾珠螺桿會有相當的背隙存在，所以只能用於較小操作阻力的機器，但對於定位精度就較不要求。
PMI於不同的機台應用上決定正確的預壓量，並於出貨前調好預壓值；因此當您訂購滾珠螺桿前請確實詳述設備的操作情況。
軸承選用不當及軸承安裝不當
- 通常滾珠螺桿必須搭配斜角軸承，尤其是以高壓力角設計的軸承為較佳的選擇：當滾珠螺桿承受軸向負載時，一般的深溝滾珠軸承無法藉由預壓的方式消除本身的背隙，因此安裝此種軸承會產生固定量的軸向背隙。所以深溝滾珠軸承並不適用於此。
- 以兩個鎖定螺帽搭配彈簧墊圈或間隙環固定軸承以防止運轉時鬆脫。
- 軸承承靠面與肩部之鎖定螺帽V形牙軸心的垂直度不佳，或兩對應方向鎖定螺帽面之平行度不佳，兩者相互搭配後會導致軸承的傾斜；因此螺桿肩部之鎖定螺帽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。
- 若軸承安裝於滾珠螺桿上而兩者相互貼合不確實，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螺桿肩部太長或太短所造成的，可使用間隔環方 式消除背隙。
支撐座的表面平行度或平面度不佳
結合元件表面不論是研磨或鏟花，只要其平行度或平面度超出公差範圍，床台運動時 位置的重覆精度將較差；因此一部機械，通常在支撐座與機械本體間以薄墊片來達到 調整組裝精度。
螺帽座或軸承座剛性不佳
如果螺帽座或軸承座剛性不足，由於元件本身重量、機械荷重或機械運轉中所產生之慣性 力會使其產生彈性變形，造成偏斜。
帽座或軸承座組裝不當
- 由於震動或缺少彈簧墊圈使得螺帽固定螺絲鬆脫。
- 固定螺絲太長導致螺絲孔深度太淺使得固定螺絲之螺頭與接觸之元件結合面無法貼合，
因此無法得到有效之鎖固力。 - 固定螺絲太短導致固定螺絲無法得到有效之鎖固力。
- 由於震動或未使用定位銷使得結合元件鬆脫。可以使用實心銷取代彈簧銷達到定位目的。
馬達與滾珠螺桿結合不當
- 聯軸器結合不牢固或本身剛性不佳，會使螺桿與馬達間產生轉動差。
- 鍵的鬆動，或是鍵、鍵槽及輪轂間的任何不當搭配，皆會使這些元件間產生間隙。
- 若不適合以齒輪驅動或驅動結構非剛體，可用時規皮帶來驅動以防止產生滑動。
破裂
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)。滾珠螺桿作動時，當有、無潤滑時溫昇差異明 顯，此溫昇可能造成鋼珠破裂或損壞，因此造成螺帽或螺桿珠槽的損壞。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畫列入 保養手冊。
迴流系統凹陷或斷裂
螺帽過行程或迴流系統受到撞擊會造成迴流系統凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環路徑， 使得鋼珠變成滑動而非滾動，最後造成迴流系統斷裂。預防方式可在螺桿前後端加裝防撞 器，防止過行程時，迴流系統及螺帽受損。
滾珠螺桿肩部斷裂
- 不當設計：螺桿肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
- 螺桿軸頸彎曲：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，皆會導致螺桿肩部的彎曲或斷裂；因此在鎖定螺帽鎖緊的前後，螺桿 肩部偏擺量不得超過0.01mm(0.0004吋)。
- 徑向力或反覆應力：安裝螺桿時造成偏心會產生異常的交變剪應力並使滾珠螺桿提早損壞。
- 螺桿肩部尺寸的設計，應避免與螺桿截面積差異過大。
溫升對滾珠螺桿的影響
滾珠螺桿運轉時，溫升會影響到機械傳動系統精度，特別是高速且高精度的機械。
以下是影響滾珠螺桿溫升因素：(1)預壓力 (2)潤滑 (3)預拉
- 預壓力的影響
為避免造成機械傳動系統的失位，可藉由提高螺帽剛性來達到，意指提高螺帽預壓力 達到一定水準。施加預壓力於螺帽會增加螺牙的摩擦扭矩，並使螺桿在作動時的溫升提 高。PMI 推薦預壓力為最大軸向負荷的1/3，且預壓力最重不得超過10%的動負荷，以獲 得到最佳的壽命及較低的溫升效應。 - 預拉的影響
螺桿軸因熱而伸長變形，會導致定位精度惡化。其熱伸長量可藉由公式求出，此熱伸長 量可藉由預拉來做補償；而預拉補償的目標值就是圖面所標示的負T值。過大的預拉會燒 壞支撐軸承。因此 PMI 建議採用小於5°C的預拉值，但若螺桿直徑超過50mm時也不適合 做預拉；螺桿直徑大就需要大的預拉力，因此導致支撐軸承過熱而燒壞。PMI 建議約以 2~5°C的溫升做為補償值T的基準(螺桿每1000mm約-0.02~-0.06mm)。 - 潤滑的影響
潤滑油選擇直接影響滾珠螺桿的溫升。PMI 滾珠螺桿須採以油或油脂其中一項的潤滑， 一般建議以軸承潤滑油為滾珠螺桿油潤滑，油脂則建議以鋰皂基的油脂。油品黏度選用 是依操作速度、工作溫度及負荷情形來做選擇。
當工作情況為高速低負載時最好選用低黏度油品；低速高負載時則建議使用黏度高油 品。一般來講，高速時建議使用潤滑油為40°C時黏度指數範圍為32~68cSt (ISO VG 32~68) (DIN51519)；而低速時，建議使用的潤滑油為40°C時黏度指數範圍為90cSt(ISO VG 90)以 上。應用於高速且重負載，必須以強制冷卻來降低溫度，且可藉由中空螺桿或冷卻螺帽 通入冷卻油來達到冷卻效果。