螺杆螺母传动机构设计心得

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摘 要:在产品设计中,经常会碰到用塑料材料设计的螺杆螺母机构。如何选择材料,如何设计结构,如何解决磨损问题,常常是一个比较头痛的问题。在这里,笔者就实际工作中遇到的问题与读者分享,供各相关后来研究者参考。

关键词:塑料材料 螺杆螺母 设计结构 磨损问题

中图分类号:TB47 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0088-02

在机械中,有时需要将转动变成移动。螺旋传动是实现这种转变经常采用的一种机构。例如机床进给机构中采用的螺旋传动实现刀具或工作台的直线进给,又如自动售卖机中螺旋运动能实现物品直线送出。

螺纹传动由螺杆、螺母组成。按其用途可分为:传力螺旋,传导螺旋,调整螺旋。螺旋传动按摩擦性质可分为:滑动螺旋,滚动螺旋,静压螺旋[1]。

本篇展示的设计为传导性滑动螺旋(如图1)。其优点是:结构简单,工作平稳。但同时也具有一些固有缺点:螺纹之间的摩擦力大、磨损大、效率低,不适用于高速及大功率传动。针对这些缺点,在设计与制作时需要重点考虑:(1)提高配合精度及降低运动噪音；(2)保证螺杆的直线度及减小其变形；(3)考虑螺母与螺杆之间的及耐磨性。

1 需求及规格设计

(1)螺杆的转速2500rpm。(2)螺杆承受500g的径向压力。(3)螺母需要提供大余10N的推力。(4)寿命要求:螺母在螺杆上需要做8万次来回的运动,即,顶出8万个以上物品。

通过计算,螺杆尺寸设计为:大径M8mm,螺距1.5mm,螺纹长度130mm,20度梯形螺杆,直线度要求:+/-0.15mm；螺母的螺纹配合长度设计在12mm。螺杆螺母的运动方式设计为:螺杆左右端面分别固定于两轴承之间,螺母限位在导轨中,通过螺杆传入旋转运动,转化为螺母向前或向后运动的直线往复运动。

2 选材及结构设计

2.1 设计原理评估阶段

螺杆材料选用标准金属螺杆,然后加工两头；螺母用塑料POM块料,通过CNC快速成型加工而成。试验时,在螺杆与螺母之间加上脂,经测试验证,此方案可行。但核算成本发现,如此加工螺杆,成本在50元/支,结合年需求量,金属螺杆成本太高,考虑改为塑料螺杆,开模制造而成。

2.2 结构设计阶段

当螺杆材料选用塑料件开模而成后,在结构设计时需要结合使用环境、使用要求,考虑如下两点:(1)工程塑料是否能满足强度要求,模具成型是否能满足直线度及螺纹精度要求,如何解决缩水问题？(2)螺母与螺杆的配合精密与耐磨性是否能得到保证。

结合以上问题,具体结构设计如下。

2.2.1 螺杆的材料选定及结构设计。

此组件运动耐磨的要求高,但由于其装配于内部,并不方便做日常维护,从成本出发不考虑做油槽。因此,需要选用既耐磨又能承受径向压力的材料。结合此要求,螺杆材料选定为PET＋GF。

模具结构设计考虑,由于此件细长,如何保证强度与成型直线度是首要考虑的问题。由于产品外径不大且细长,模具上设计嵌件的方式不太现实；还有一种方式是气辅成型,可减小缩水,保证直线度,但由于此件需要同时受径向与轴向力,气辅成型在批量生产时,不易控制,可能造成强度不一致；因此,最终定为模具一体成型,端面进胶,保证直线度,材料中加入玻璃纤维增加强度,减小缩水。为消除因成型造成的分型面毛边,切除分型面材料,(如图2)有两种方式,图2(a)方式,使得螺纹被切除太多；图2(b)方式,不用切除太多螺纹面,同时便于开模,防止分型面毛边及表面缩水。模具加工方面,由于需要保证螺纹面精度,模仁表面不能在电火花加工后再采用手动抛光,因此,模仁采用镜面火花机加工螺纹面。

2.2.2 螺母的模具设计及材料选定

模具旋转抽芯,材料选用从自及运动耐磨方面考虑,选POM。

2.3 设计验证阶段

由于,在以前的工作中没有使用过用塑料做如此高精度的螺杆,并与塑料螺母配合运动的组件,因此,没有实际经验。为降低风险,决定先做试验模具验证可行性。

成本及时间核算:试验模具成本1.5万,时间15天～18天,验证时间30天。开正式模30天,模具费6万。

验证结构:当螺杆材料选用:PET＋40GF或PBT＋30GF测试后,发现当运动2万个～4万个周期持后,螺母被螺杆磨损。原因是:(1)螺母被磨损的机会是螺杆的10倍；(2)由于螺杆材料中加入了玻璃纤维,虽然增加了螺杆的强度,但同时也在运动中,由于被磨出来的纤维端部,对螺母造成了较大的磨损。

经过分析并得到塑料专家推荐,决定从变更螺母及螺杆材料方面入手解决此问题:(1)选用一种既有强度又耐磨损材料制作螺杆—— 尼龙＋碳纤＋PTEF。尼龙＋碳纤塑胶材料,可用于制造高强度、耐冲击性结构部件或承力件；尼龙中加入15％PTFE可增加性,改善表面光洁度[2]。(2)螺母材料选用,需要考虑高硬度,高耐磨性,以抵抗运动中的磨损。专家推荐选用POM＋GB(玻璃珠)。

运行验证:在不加入任何的情况下,装机运行,结果发现螺杆依然没有明显磨损,而螺母的磨损情况也大大改善。通过持续跟踪磨损状况发现,在前2万个周期内,螺母直径方向大约被磨损了0.2mm。在以后也每2万次检查一下磨损状况,发现螺母的磨损速度在逐渐减慢,当运行了10万次时径向磨损大约在0.3mm。在运行至20万次磨损大约为0.5mm,噪音加大,超过了设计要求。测试结束。

3 经验总结

螺杆分型面的合理设计对降低模具加工难度及成本,提高产品成型质量是十分重要的。

对风险高的零件采用设计验证的是十分必要的,其可大大降低风险并缩短开发周期。

材料的选择对降低成本十分有效,特殊材料的妙用对提高产品寿命非常重要。

此设计的优点:敢于创新,成本低,功能可靠,结构简单；缺点:丝杆螺距太小,在控制失效时会出现自锁现象。

4 类似结构对比

优点如下。

(1)直线导轨与驱动螺母为一体化设计,简化了装配,保证了装配精度。

(2)由于螺母运动精度靠导轨和传感器来控制,因此,不再需要高精度螺纹配合。

(3)径向压力由外圆导轨承受,螺纹之间的受力及运动得以改善,从而寿命得到大大提高,因此,不需要对螺杆的强度做特别要求,材料可改为普通的POM,或PA66即可满足要求。

缺点:由于外圆尺寸需要相对较大,因此,此件只能在机构外形尺寸空间允许的情况下才能使用。

参考文献

[1] 黄平,朱文坚.机械设计基础[M].广州:华南理工大学出版社,2008

[2] 张玉龙,蔡志勇.工程塑料牌号手册［M］.北京:化学工业出版社,材料科学与工程出版中心,2006.