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滚珠丝杆的失效分析
前言
近几年，越来越多的滚珠丝杆被用于各式各样的机器，来满足高精度与高性能的设备需求，滚珠丝杆成为使用 最广的传动元件之一。在CNC的机械中，滚珠丝杆增加其定位精度及延长其使用寿命。在传统的机械上，滚珠丝杆 也逐渐取代爱克姆丝杆。滚珠丝杆通常会搭配预压力来消除机器运转时的背隙，但若滚珠丝杆安装不当时就无法展 现其高精度与较长的寿命。此篇文章主要讨论滚珠丝杆的问题与问题的预防，详述一些测定程序来帮助使用者找出 发生不正常背隙的原因。
滚珠丝杆发生问题的原因与预防：以下叙述三种滚珠丝杆发生问题的主因及其预防方法。
间隙太大
1. 无预压或预压不足 无预压的滚珠丝杆垂直放置时，螺帽会因本身的重量而造成转动而下滑；无预压的丝杆会有相当的背隙存在，因 此只能用于较小操作阻力的机器，但主要的顾虑是定位精度较不要求。 上银于不同的应用上决定正确的预压量，并于出货前调好预压；因此当您订购滚珠丝杆前请确实详述设备的操作情况。
2. 扭转位移太大
(1) 热处理不当、硬化层太薄、硬度分佈不均或材质太软钢 珠、螺帽、丝杆的标准硬度分别为HRC 62~66、HRC58~62、HRC 56~62。
(2) 不当的设计：细长比(Slender ratio)太大…等丝杆的细长 比越小刚性越高，细长比的界限必须在60以下如果细长比太大丝杆会产生自重下 垂。
3. 轴承选用不当
通常滚珠丝杆必须搭配斜角轴承，尤其是以高压力角设计的轴承为较佳的选择；当滚珠丝杆承受轴向负载时，一 般的深沟滚珠轴承会产生一定量的轴向背隙，因此深沟滚珠轴承并不适用于此。
4. 轴承安装不当
(1) 若轴承安装于滚珠丝杆而两者贴合不确实，在承受轴向负载的情况下会导致背隙的产生，这种情形可能是由于 丝杆肩部太长或太短所造成的。
(2) 轴承承靠面与锁定螺帽V形牙轴心的垂直度不佳，或两对应方向的锁定螺帽面平行度不佳，会导致轴承的倾斜； 因此丝杆肩部的锁定螺帽V形牙与轴承承靠面必须同时加工，才能确保垂直度，如果以研磨方式加工更好。
(3) 以两个锁定螺帽搭配弹簧垫圈来固定轴承，以防止运转中鬆脱。
5. 螺帽座或轴承座刚性不足 如果螺帽座或轴承座刚性不足，由于元件本身的重量或机器的荷载会使其产生偏斜。此方式用 来检测螺帽座的刚性，类似的测试也可用来检测轴承座的刚性。
6. 螺帽座或轴承座组装不当
(1) 由于震动或未加固定销使得元件鬆脱。以实心销取代弹簧销达到定位的目的。
(2) 因固定螺丝太长或螺帽座螺丝孔太浅使得螺帽固定螺丝无法锁紧。
7. 支撑座的表面平行度或平面度超公差 不论结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范围，床台运动时位置的重现精度将较差；因 此一部机器中，通常在支撑座与机器本体间以薄垫片来达到调整的目的。
8. 马达与滚珠丝杆结合不当
(1) 联轴器结合不牢固或本身刚性不佳，会使丝杆与马达间产生转动差(relative rotation)。
(2) 若不适合以齿轮驱动或驱动结构不是刚体，可用时规皮带来驱动以防止产生滑动。
1. 丝杆加工工艺的问题
(1) 丝杆或螺帽珠槽表面粗糙。
(2) 钢珠、丝杆或螺帽真圆度超出公差范围。
(3) 丝杆或螺帽的导程误差或节圆直径超出公差范围。
(4) 迴流管组装不当。
(5) 钢珠大小或硬度不均。 以上的问题不该在高品质的产品中发生才是。关于滚珠丝杠制造工艺可以点击这里。
异物进入钢珠轨道
(1) 包装材料阻碍钢珠轨道：出货时以许多的材料，如果在包装或排列的时候未依适当的 程序来执行，异物或其他的物体可能会阻碍钢珠轨道，导致钢珠的滑动而非正常滚动甚至卡死。
(2) 加工碎屑进入轨道：滚珠丝杆若未安装刮刷器，加工碎屑或灰尘的堆积会阻碍钢珠轨道，造成顺畅度不佳、精 度降低及减少使用寿命。
3. 过行程 过行程会造成迴流管的损伤及凹陷，甚至断裂，而造成钢珠无法正常运转；在这恶劣的运转条件下，可能造成螺 杆或螺帽珠槽表面的剥离。过行程发生的原因可能发生于机台设定、极限开关失效或撞车，为预防造成滚珠丝杆进一步的损坏，重新安装滚珠丝杆须经製造商的重新检修。
4. 迴流管损坏：迴流管在安装时受到严重的撞击，迴流管可能造成凹陷及引发前述相同的问题。
5. 偏心 如果螺帽座与轴承座不同心时会产生径向负荷，两者偏心量太大时会造成丝杆弯曲，甚至偏心的情况，不足以造 成明显的丝杆弯曲时，异常磨耗仍持续不断发生，并使丝杆精度迅速降低；而螺帽设定的预压力越高偏心精度的要求越高。
6. 螺帽与螺帽座结合不当：螺帽安装时倾斜或偏心会造成异常负载，使马达运转时产生电压不稳。
7. 搬运时造成滚珠丝杆的损坏。
碎裂
1. 钢珠破裂 钢珠最常用的材质是铬钼钢，若要使一颗直径3.175mm(1/8吋)的钢珠破裂，约须1400kg(3080磅)~1600kg(3520 磅)。滚珠丝杆有、无润滑于作动时温升差异明显，此温升可能造成钢珠破裂或损坏因此造成螺帽或丝杆珠槽的损坏。因此设计过程中须考虑润滑油的补充，如无法使用自动润滑系统，必须将润滑油的补充计划列入保养手册。
2. 迴流管凹陷或断裂 螺帽过行程或迴流管受到撞击会造成迴流管的凹陷或断裂，因此阻碍钢珠的循环路径，使得钢珠变成滑动而非正 常滚动，最后造成迴流管断裂。
3. 滚珠丝杆肩部断裂
(1) 不当设计：丝杆肩部应避免锐角设计，以减少局部应力集中。
(2) 丝杆轴颈弯曲：轴承承靠面与锁定螺帽V形牙轴心的垂直度不佳，或两对应方向的锁定螺帽面平行度不佳，皆会导致丝杆肩部的弯曲或裂；因此在锁定螺帽锁紧的前后，丝杆肩部偏摆量(图A.3)不得超过0.01mm(0.004 时)。
(3) 径向力或反覆应力：安装丝杆时造成的偏心会产生异常的交变剪应力并使滚珠丝杆提早损坏。
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