HIWIN滚珠螺杆

    HIWIN滚珠螺杆亦称为球螺杆，导螺杆....等，其包含螺杆、螺帽、循环系统及钢珠。滚珠螺杆为工具机和IT、光电、 半导体、医疗等精密设备上常使用的传动组件，其主要功能为将旋转运动转换为线性运动，或将扭矩转换为轴向 反复作用力；同时兼具精度、可逆性和效率的色。HIWIN的滚珠螺杆都能满足各领域上不同的使用要求。

HIWIN滚珠螺杆为科技、制程技术、及工程业技术结合下制造的产品，并且是阐释HIWIN为 "High-TechWinners”之意义。

HIWIN精确控管制程，不管是研磨级或转造级皆严守精确牙型设计。严谨的热处理制程以确保滚珠螺杆的硬度 及耐磨性能，上述的制程控管理皆为达到负荷及长寿命之要求。

HIWIN精密螺杆具顺畅和精密定位，且同时兼备低扭矩、刚性、静音及可预测之长寿命性。

HIWIN转造级螺杆，亦具有顺畅和长寿命及价格便宜的优点；般使用在精度较不要求的情况。HIWIN拥有 现代化的工厂、业技术的工程师且以质量的制程控管理组装流程及采用质量的材料以符合您的需求。我 们很荣幸地能为您提供技术数据及选用步骤，让您可从这型录中挑选出合适的滚珠螺杆

    HIWIN滚珠螺杆在使用上有很多的优点，举凡效率、可逆性、零背隙、刚性，导程精度及其他多项优 点，与传统艾克姆螺杆(ACME)相比较，滚珠螺杆在螺杆与螺帽间，加入钢珠。将传统螺杆的滑动磨擦传动 以钢珠滚动运动取代。以大大降低磨擦损耗，有助于维持效率及精度。下列详述HIWIN滚珠螺杆的各项性及优点。

(1) 效率及可逆性

由于滚珠螺杆的螺杆轴及螺帽均是点接触之滚动运动，所以其效率可达90％以上。因此其传动扭矩仅只有传 统导螺杆的1/3，由图2.2可看出滚珠螺杆的机械效率远于传统导螺杆。

HIWIN 滚珠螺杆在牙型表面采以精密加工，以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦；又钢珠与珠槽间为点接触之滚 动运动，有低摩擦力及运转效率的优点。故可降低马达驱动力要求，进而降低成本。

HIWIN以精度测试仪器并依循标准测试步骤以确保滚珠螺杆的效率。

(2) 零背隙及刚性

CNC 工具机、IT及半导体设备对于传动螺杆的要求为零背隙、小弹性变形(刚性)及顺畅感，经由我们的 别设计可以达成此要求。图2.3为歌德式牙型详图。滚珠螺杆采用施加预压力，来达到CNC机台的重现性及全行 程的刚性。但过大的预压力，会增加操作扭矩。如此增加的磨擦扭矩将会产生热及降低预期寿命。透过我们别 的设计及制程，提供给您优化的滚珠螺杆 零背隙和低热损失。

般建议预压力不过8％动负荷C (106 revs)，若要更详细资料请与HIWIN连系。

(3) 导程精度

HIWIN 滚珠螺杆精度等级依循ISO， JIS 及DIN标准制造亦可依顾客需求生产所须精度等级。采用精密雷射量测 仪器来保证滚珠螺杆精度并随每支研磨级滚珠螺杆均附上导程精度表，予以100％质量保证。

(4) 寿命预测

不同于传统导螺杆的寿命取决接触面之磨耗；HIWIN 滚珠螺杆则取决于材料的疲劳破坏。为确保HIWIN 滚珠螺 杆在预期寿命之可靠度，不管设计、材质、热处理及制程等皆采以严格的业考虑。滚珠螺杆的预期寿命必须考 虑设计质量及制程等几项的安全因子，但主要以动负荷(C)为依据。

而影响动负荷的基本因素为 牙型精度、材料性及表面硬度。般建议在轴向平均负载计算下，至少应达 到1×106 revs。质量的滚珠螺杆，必需达到在统计学上的B级寿命(亦即90%的螺杆均达到所设计的寿命)，有50％ 的滚珠螺杆寿命过设计寿命值的2~4倍。
 
(5)低起动扭矩及顺畅度

传统导螺杆因为是金属与金属间的面接触，所以为克服起动摩擦力，则必须采以较的起动扭力。然而滚珠螺 杆是由钢珠滚动接触，只须很小的起动扭力即可克服摩擦力。

HIWIN采用佳的牙型设计系数(形状系数)及业制造技术达成佳真实牙型。且HIWIN使用牙型测量设备，来 监测每制程中的牙型。如此可确保符合设定之扭力范围。图2.4为检测的实例。

HIWIN亦使用计算机量测，以精确量测出滚珠螺杆的摩擦扭矩图2.5为-典型的"位置-扭矩"量测图形

(6) 静音

质量机械设备于快速进给及重负荷操作下，依然必须要求低噪音。 HIWIN严格控管循环系统及牙型设计，组装技术，并严密检测表面精密加工及尺寸，以达到低噪音的目标。

(7) 短交期

HIWIN以快速的制程安排及库存滚珠螺杆以达到短交期的目标。

(8) 优于气、液压致动器的优点   
若致动器中采用滚珠螺杆取代传统的汽压或液压驱动可得到许多的优点如:不会渗漏，不须过滤，省能源及重现 
性 图2.6为全电式射出成型机构,以取代传统复杂的油压驱动。  

HIWIN滚珠螺杆的使用产业别并推荐使用滚珠螺杆的精度等级：

(1) CNC机械：CNC加工中心，CNC车床，CNC铣床，CNC放电加工机，CNC磨床，CNC线切割机，CNC钻孔机 …等等。
(2) 精密工具机：铣床，磨床，刀具磨床，齿轮加工机，钻床，刨床，车铣复合机。
(3) 产业机械：印刷机，造纸机，自动化机械，纺织机，绘图机，射出成型机，用机。
(4) 电子机械：量测仪器，X-Y平台，医学设备，工厂自动化设备，PCB钻孔机，IC封装机，半导体设备，工厂 自动化设备…等。(5) 输送机械：Robort Stage，材料搬送设备，核能反应器，度致动器…等。
(6) 航天工业：飞机襟翼，机场负载设备，尾翼致动器…等。
(7) 其他：如天线使用的致动器，阀门开关装置，太阳能板伸缩机构，电子显微镜对焦机构…等。

HIWIN滚珠螺杆产品分类：
1 标准滚珠螺杆
  HIWIN建议您在设计时，采用标准常用规格的滚珠螺杆，然而导程或微小滚珠螺杆或其他殊规格的滚珠螺 杆，皆可依您需求来提供，表3.1为标准滚珠螺杆轴径与导程的配对表。

2 螺帽型式
(1) 循环设计的种类
  HIWIN 滚珠螺杆基本上有3种循环设计。第种称为外循环滚珠螺杆其为螺杆、螺帽、钢珠、弯管及固定块组合 而成。而钢珠介于螺杆与螺帽之中，钢珠的循环乃经由弯管的连接，使其得以在螺帽上回流；而弯管则装置在螺帽 外部此种型态称为外循环滚珠螺杆，如图3.1。

第二种称为内循环滚珠螺杆为螺杆、螺帽、钢珠及回流盖所组成。钢珠采以单圈循环。以回流盖跨越连接两相 邻珠槽，连接构成个单封闭回流路径；由于回流盖组装在螺帽内部，所以称之为内循环滚珠螺杆，如图3.2。

第三种称为端盖式滚珠螺杆，如图3.3，其基本回流系统的设计与外循环滚珠螺杆，如图3.4类似，而主要的差别 在于螺帽上加工贯穿孔作为钢珠回流。此设计使得钢珠得以行经整个螺帽的前后二端。由于在所有珠槽上都布 满有效钢珠因此在相同的动负荷下，螺帽长度较传统设计为短。

表3.1 HIWIN标准滚珠螺杆外径与导程对照

＊G：代表研磨级滚珠螺杆，不管左旋或右旋皆可

(2) 螺帽种类

螺帽种类的选用乃依据使用条件HIWIN 滚珠螺杆螺帽分类代号如下说明(详细请参考第5章)

＊其他非上述种类，可依您需要而设计 若是导程双螺纹的螺帽，则需在代号前加个"D" 若是采用压缩式预压，则需在代号前加个"P" 若是采用偏位式预压，则需在代号前加个"O" 举例
RDI：代表圆型的内循环双螺帽
FSW：代表法兰型的外循环单螺帽 DFSV：代表法兰型的双螺纹外循环，弯管凸出的单螺帽
例如： B2：两支外循环回流管，每管循环2.5圈 T3：三个内循环回流盖，每个循环1圈 S4：端盖四循环，每个循环1.8圈
HIWIN 推荐外循环以两列2.5卷或3.5卷设计(B2或C2)，内循环以3、4或6卷设计(T3、T4或T6)。上述循环方式，如图3.4和图3.5所示

3 轴端肩部参考尺寸

◆ 安装方式： 轴承安装方式决定滚珠螺杆的刚性、临界转速、挫屈负荷。 安装方式的设计须小心仔细考虑。其基本安装方式，如图3.6所示。

◆ 螺杆肩部型式： 常用肩部，如图3.7所示型式，而建议尺寸及轴承选用型号，如表3.2所示

表3.2 肩部尺寸

肩部型式请参照图

HIWIN滚珠螺杆选用和安装的重要观念：

(1) 滚珠螺杆必须保持彻底的清洁并且用防锈油作好防护， 应别注意不可使尖锐物或刀具撞击牙型表面及不可让 任何铁屑进入螺帽内部；而且组装轴端外径亦不可碰撞擦伤，如图4.1。

   选择精度等级适用的滚珠螺杆请参考表4.5，依组装标准程序安装，换言之，使在CNC 工具机上的精密研磨级滚 珠螺杆，必须精确的校正及选用合适的精密轴承组合。

转造级滚珠螺杆适用于精度较不的场合，如包装机械…等，即可选用精度较不的支撑轴承组合。别重要 是，避免轴承支撑座与螺帽的偏心，造成负荷的不均，如图4.2。不均匀负载含径向力及扭矩，参图4.2(a)，皆可能 造成故障及寿命减低，如图4.2(b)。

 (3) 为使滚珠螺杆达到寿限，HIWIN 建议您使用含有润滑剂之轴承用油，但油中含石墨及二硫化钼(MoS2)除外 ，油脂必须保持填注于钢珠及珠槽上。油浴式或滴油式给油法皆可，但以直接给油到螺帽内为佳，如图4.2。

(4) 别注意，当安装滚珠螺杆于机械上，请勿敲打螺帽或弯管，同时不可让螺帽与螺杆分离或过行程-螺帽部份 行程离开螺杆，如图4.3，若是如此会造成钢珠脱离珠槽。

(5) 选择合适的轴端支撑轴承组合，在CNC工具机上，建议采用斜角轴承(斜角: 60°)。

(6) 在螺杆两端应该安装防撞器或不出牙设计以避免螺帽过行程，导致螺杆的破坏，如图4.5。

(7) 滚珠螺杆建议使用伸缩式之保护套来保护，以避免受到环境中尘埃或铁屑的污染。若有碎屑或异物进入螺帽 内，则会造成螺杆只剩十分之寿命。采以伸缩式须要在法兰上加螺纹孔以固定之，如图4.6。此项殊之需 求，请告知HIWIN。

(8) 若您选用内循环或端盖式循环的滚珠螺杆，则其端螺纹必须出牙且肩部大尺寸，必须小于根径0.5~1.0mm， 若要求肩部尺寸大于根径亦可，但将有螺纹线留于肩部上便于螺帽装入。如图4.7。
(9) 滚珠螺杆热处理时于靠近肩部加工的螺纹牙部份有10～20mm长度须保持软化，以便于加工肩部。此区域会标示 “  ”记号于HIWIN图面上，如图4.8。如您有殊之要求请与HIWIN连系。

(10) 过大的预压力将造成摩擦扭矩的大增及温升效应而使得预期寿命的减短。但太低的预压力，会使得滚珠螺杆 刚性不足及增加失步(lost motion)的可能性。于CNC工具机的使用上，HIWIN建议您，以不过8％动负荷 为预压力的大值；于自动化 X-Y平台机构以不过5％动负荷为预压力的大值。

(11) 当您需要与螺杆轴分离并再组合时，必须透过个外径小于螺杆根径0.2～0.4 mm的管子，参考公式M37接于 螺杆出牙的端，将螺帽旋出，套内管中参照图4.9。

(12) 图4.10表示轴端承靠面的逃槽；轴端支撑轴承必须有倒角才能正确的定位，同时维持适当的直度，HIWIN建议您采用DIN 509的逃槽尺寸，如详图4.11。

HIWIN滚珠螺杆选用流程

   HIWIN滚珠螺杆选用步骤如表所示，从已知的设计条件(A)选择适当的滚珠螺杆类别(B)经由参考公式步步遵从选择程序(C)找出符合设计需求的 滚珠螺杆规格。

滚珠螺杆选用步骤表如下：

滚珠螺杆精度等级
  选择符合您需求的精度等级，而不要选择过您需求的精度等级以避免非必要的成本。 精密级滚珠螺杆应用在需要定位精确、重现性、平稳的运动及寿命长之场合。 转造级滚珠螺杆应用在需要效率和寿命但不以精度为诉求之场合。 精密转造螺杆其精度介于转造级螺杆及精密研磨级螺杆之间。可取代许多相同精度等级研磨级滚珠螺杆的应用领域。
   HIWIN可生产达C6级精密级转造滚珠螺杆。唯几何公差不同于精密研磨级滚珠螺杆(参考第6章) 。因为螺杆外 径并未研磨，制造程序和研磨级滚珠螺杆有所不同。第7章为HIWIN转造滚珠螺杆详细介绍。

(1) 精度等级
  精度滚珠螺杆从用于精密量测、航天设备到运输包装设备等有很多的应用领域。质量及精度等级可由下述 性分类：导程误差、表面粗糙度、几何公差、背隙、预压力变动范围、温升及噪音。
HIWIN精密研磨级滚珠螺杆分为7个等级。般说来HIWIN精密研磨级滚珠螺杆是由所谓"V300"来定义，但与转 造级滚珠螺杆的等级分类略有不同(转造级请参考第7章)。图4.12为依据滚珠螺杆精度所绘制的导程测定图。相同 的DIN精度等级如表4.2所示。从图形中，各项规范数值，可由表4.2所示由精度来决定。图4.14为HIWIN依照DIN标 准量测的结果。HIWIN规格的精度等级滚珠螺杆请参照表4.2所示。相关的际规范如表4.3所示。工具机的定位精 度±ep是由V300决定。符合各种机器使用的精度表如表4.5所示。这是在不同应用领域中选用适当的滚珠螺杆之参考 图表。
(2) 轴向余隙(背隙)
  若滚珠螺杆轴向余隙为零，则必然存在预压力，同时采以预压扭矩为量测依据。
 HIWIN滚珠螺杆标准轴向余隙如表4.4所示。在CNC工具机所使用之零背隙滚珠螺杆如刚性不足会造成失步现 象。请与HIWIN连络以决定佳背隙或刚性值。
  (3) 几何公差
  选用正确精度等级的滚珠螺杆以符合机器需求是极为重要的。表4.6和图4.15帮助您以精度等级规范几何公差。
表4.2 HIWIN 精密级滚珠螺杆精度表

滚珠螺杆精度等级

表4.4 各等级轴向背隙对照表

各种机械适用精度等级

  预压的目地在消除轴向背隙且降低因轴向力造成的弹性位移，亦可改善滚珠螺杆刚性(避免失步)。因滚珠螺杆承 受轴向负荷，针对有预压牙型的设计以歌德式为佳。此牙型具有独的钢珠与珠槽接触方式能消除任何可能的轴向 背隙并能增加刚性。有预压歌德式牙型负荷方式如图4.16所示。

独之歌德式牙型珠槽能产生大约45°的钢珠接触角。由外部驱动力及内部预压力产生轴向力Fa能产生两种背 隙，种是钢珠与珠槽间制造余隙所产生的正向背隙Sa。另种是由垂直于接触点的正向力Fn所产生的弹性变形 l。由制造余隙所产生背隙能由内部预压力P消除，此种预压力可藉由双螺帽、偏移节距的单螺帽或以钢珠大小调整预压的单螺帽产生。弹性变形是由内部预压力和外部负荷产生进而造成失步效应。

(1) 双螺帽预压方式

此预压藉由两螺帽间之预压片产生，图4.17。 “拉伸预压”是由过大的预压片有效的挤压分开螺帽。“压缩预压”是由过小预压片，再以螺栓将两螺帽拉在起。拉伸预压是HIWIN精密级滚珠螺杆常使用的方式。然而也能依您的需求制造压缩预压滚珠螺杆。滚珠螺杆 预拉必然增加刚性，但请告诉HIWIN您设计的预拉量为多少(建议每公尺0.02mm~0.03mm，但应该用T值作补偿) 。

 以预压片尺寸调整预压方式

(2) 单螺帽预压方式

单螺帽有两种预压方式其中种称为"过大钢珠预压方式"。此种方式内容的钢珠比珠槽空间大(过大钢珠)使钢珠 产生4点接触，如图4.18所示。另种称为"导程偏移预压方式"如图4.19所示。在螺帽节距上有δ值的偏移。这种方 式用来取代传统双螺帽预压方式，并在较短螺帽长度及较小预压力下拥有较刚性。然而此方式不适用于太预压 力。好将预压力设计在5%动负荷以下。

 HIWIN滚珠螺杆的规格表示法
HIWIN依据客户的蓝图或规格来制造您所需要的滚珠螺杆，并提供下列滚珠螺杆的相关数据：
1.公称外径
2.导 程
3.螺牙长度及螺杆总长度
4.肩部尺寸
5.螺帽型式
6.精 度(导程误差，几何公差)
7.主轴转速
8.静额定负荷、动额定负荷、预压扭矩
9.螺帽安全考虑
10. 油孔位置

HIWIN 滚珠螺杆规格的定义

注明：1. 外径导程可依客户的需求设计。
2.右旋为般标准，左旋产品亦可提供。
3.长度可依客户需求提供。
4.客户需要不锈钢等殊材质滚珠螺杆，可与HIWIN洽谈。
5.当您填好滚珠螺杆数据表(169～170页)，请与HIWIN联络，我们将立刻回复。
6.若您欲订购DIN 69051型螺帽，请加注“DIN”。

HIWIN滚珠螺杆转造级滚珠螺杆介绍

 2 精密转造级滚珠螺杆

转造级滚珠螺杆的导程精度定义：为在有效螺纹长度内，任意300mm的累积导程误差的容许值。精密级滚珠 螺杆的导程精度如表7.1所示，轴方向余隙的大小，请参照表7.2。

HIWIN所生产的精密滚珠螺杆规格如表7.3所示。 HIWIN备存各种规格的库存，可达到客户迅速供货的要求。

表7.1 HIWIN精密转造级滚珠螺杆之精密等级   


 HIWIN精密转造级螺杆与导程对照表
■ : 左右旋向皆有  ● : 只有右旋向，若有其他需求请与HIWIN联络  
＊注: 螺杆的大长度以C7等级为主，转造级螺杆的大长度会随着导程精度不同而不同。

HIWIN滚珠螺杆中照温升对滚珠螺杆的影响
  滚珠螺杆运转时，温升会影响到机械传动系统的精度，别是速且精度的机械。 以下是影响滚珠螺杆温升的因素：
(1) 预压力  (2) 润滑  (3) 预拉
图4.29说明进给速度、预压力及温升的关系，图4.30说明螺帽温升与预压摩擦扭矩的关系。由图4.29，图4.30及 范例4.5-5得知，螺帽预压力加倍时将提温度5℃但刚性只提约5%。

(1) 预压力的影响

  为避免造成机械传动系统的任何失步，提螺帽刚性是很重要的，然而要提螺帽刚性，必须使螺帽预压力达 到定水平。
施加预压力于螺帽会增加螺牙的摩擦扭矩，并使工作时的温升提。 HIWIN建议，中重预压为8%的动负荷；中预压为6%～8%；中轻预压为4%～6%；轻预压为4%以下，预压力重不得过10%的动负荷，以获得到佳的寿命及较低的温升效应。

(2) 润滑的影响
  润滑油的选择直接影响滚珠螺杆的温升。HIWIN的滚珠螺杆须采以油或油脂其中项的润滑，般建议以轴承 润滑油为滚珠螺杆油润滑，油脂则建议以锂皂基的油脂。油品黏度选用是依操作速度、工作温度及负荷情形来做 选择。图4.31说明油品黏度、工作温度与温升的关系。
  当工作情况为速低负载时好选用低黏度油品；低速负载时则建议使用黏度油品。 般来讲，速时建议使用润滑油为40℃时黏度指数范围为32～68 cSt (ISO VG 32～68)(DIN 51519)；而低速时，建议使用的润滑油为40℃时黏度指数范围为90 cSt (ISO VG 90)以上。应用于速且重负载，必须以强制冷却来 降低温度，且可藉由中空螺杆通入冷却油来达到冷却效果。
图4.32是滚珠螺杆经过冷却与未经冷却的温升比较。 图4.33说明中空滚珠螺杆于工具机上的典型的应用。滚珠螺杆润滑油的检查与添加时机列于表4.12。

(3) 预拉的影响
  滚珠螺杆温升时，热应力效应会使螺杆伸长，使螺杆的长度变得不稳定。其伸长量可藉由M40公式求出，此伸 长量可藉由预拉来做补偿；而预拉补偿的目标值就是图面所标示的负T值。过大的预拉会烧坏支撑轴承，因此HIWIN 建议采用小于5℃的预拉值，但若螺杆直径过50mm时也不适合做预拉；螺杆直径大就需要大的预拉力，因此导致 支撑轴承过热而烧坏。HIWIN建议约以3℃的温升做为补偿值T的基准 (螺杆每1000mm约 -0.02~-0.03mm)。不同的 应用需要不同的T值，有关T值的问题请与HIWIN工程人员联系。

中空冷却螺杆于精度工具机的应用

制造能量 
   滚珠螺杆极限的加工长度是由螺杆的外径与精度等级而定(表4.10)；越精度的滚珠螺杆真直度的要求越，因 此细长比越大加工困难度就越且刚性也较差。
   HIWIN建议的极限长度，如表4.10所示。如有更长的螺杆需求，请与HIWIN工程师联系。

表螺杆外径、精度等级与制造长度对照表

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