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1、螺杆螺母传动机构设计心得 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--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
2、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。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:提高配合精度及降低运动噪音；保证螺杆的直线度及减小其变形；考虑螺母与螺杆之间的润滑及耐磨性。 1需求及规格设计 螺杆的转速2500rpm。螺杆承受500g的径向压力。螺母需要提供大余10N的推力。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,螺
3、纹长度130mm,20度梯形螺杆,直线度要求:+/-；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 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润滑脂,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。 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
4、计时需要结合使用环境、使用要求,考虑如下两点: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？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。 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,并不方便做日常润滑维护,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
5、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,有两种方式,图2方式,使得螺纹被切除太多；图2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。 螺母的模具设计及材料选定 模具旋转抽芯,材料选用从自润滑及运动耐磨方面考虑,选POM。 设计验证阶段 由于,在以前的工作中没有使
6、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:螺母被磨损的机会是螺杆的10倍；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:选用一种既有强度又耐
7、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可增加润滑性,改善表面光洁度[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。 运行验证:在不加入任何润滑的情况下,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。在以后
