HIWIN滾珠螺桿

    HIWIN滾珠螺桿亦稱為球螺桿，導螺桿....等，其包含螺桿、螺帽、循環系統及鋼珠。滾珠螺桿為工具機和IT、光電、 半導體、醫療等精密設備上常使用的傳動組件，其主要功能為將旋轉運動轉換為線性運動，或將扭矩轉換為軸向 反復作用力；同時兼具精度、可逆性和效率的色。HIWIN的滾珠螺桿都能滿足各領域上不同的使用要求。

HIWIN滾珠螺桿為科技、制程技術、及工程業技術結合下制造的產品，并且是闡釋HIWIN為 "High-TechWinners”之意義。

HIWIN精確控管制程，不管是研磨級或轉造級皆嚴守精確牙型設計。嚴謹的熱處理制程以確保滾珠螺桿的硬度 及耐磨性能，上述的制程控管理皆為達到負荷及長壽命之要求。

HIWIN精密螺桿具順暢和精密定位，且同時兼備低扭矩、剛性、靜音及可預測之長壽命性。

HIWIN轉造級螺桿，亦具有順暢和長壽命及價格便宜的優點；般使用在精度較不要求的情況。HIWIN擁有 現代化的工廠、業技術的工程師且以質量的制程控管理組裝流程及采用質量的材料以符合您的需求。我 們很榮幸地能為您提供技術數據及選用步驟，讓您可從這型錄中挑選出合適的滾珠螺桿

    HIWIN滾珠螺桿在使用上有很多的優點，舉凡效率、可逆性、零背隙、剛性，導程精度及其他多項優 點，與傳統艾克姆螺桿(ACME)相比較，滾珠螺桿在螺桿與螺帽間，加入鋼珠。將傳統螺桿的滑動磨擦傳動 以鋼珠滾動運動取代。以大大降低磨擦損耗，有助于維持效率及精度。下列詳述HIWIN滾珠螺桿的各項性及優點。

(1) 效率及可逆性

由于滾珠螺桿的螺桿軸及螺帽均是點接觸之滾動運動，所以其效率可達90％以上。因此其傳動扭矩僅只有傳 統導螺桿的1/3，由圖2.2可看出滾珠螺桿的機械效率遠于傳統導螺桿。

HIWIN 滾珠螺桿在牙型表面采以精密加工，以降低珠槽與鋼珠間的接觸摩擦；又鋼珠與珠槽間為點接觸之滾 動運動，有低摩擦力及運轉效率的優點。故可降低馬達驅動力要求，進而降低成本。

HIWIN以精度測試儀器并依循標準測試步驟以確保滾珠螺桿的效率。

(2) 零背隙及剛性

CNC 工具機、IT及半導體設備對于傳動螺桿的要求為零背隙、小彈性變形(剛性)及順暢感，經由我們的 別設計可以達成此要求。圖2.3為歌德式牙型詳圖。滾珠螺桿采用施加預壓力，來達到CNC機臺的重現性及全行 程的剛性。但過大的預壓力，會增加操作扭矩。如此增加的磨擦扭矩將會產生熱及降低預期壽命。透過我們別 的設計及制程，提供給您優化的滾珠螺桿 零背隙和低熱損失。

般建議預壓力不過8％動負荷C (106 revs)，若要更詳細資料請與HIWIN連系。

(3) 導程精度

HIWIN 滾珠螺桿精度等級依循ISO， JIS 及DIN標準制造亦可依顧客需求生產所須精度等級。采用精密雷射量測 儀器來保證滾珠螺桿精度并隨每支研磨級滾珠螺桿均附上導程精度表，予以100％質量保證。

(4) 壽命預測

不同于傳統導螺桿的壽命取決接觸面之磨耗；HIWIN 滾珠螺桿則取決于材料的疲勞破壞。為確保HIWIN 滾珠螺 桿在預期壽命之可靠度，不管設計、材質、熱處理及制程等皆采以嚴格的業考慮。滾珠螺桿的預期壽命必須考 慮設計質量及制程等幾項的安全因子，但主要以動負荷(C)為依據。

而影響動負荷的基本因素為 牙型精度、材料性及表面硬度。般建議在軸向平均負載計算下，至少應達 到1×106 revs。質量的滾珠螺桿，必需達到在統計學上的B級壽命(亦即90%的螺桿均達到所設計的壽命)，有50％ 的滾珠螺桿壽命過設計壽命值的2~4倍。
 
(5)低起動扭矩及順暢度

傳統導螺桿因為是金屬與金屬間的面接觸，所以為克服起動摩擦力，則必須采以較的起動扭力。然而滾珠螺 桿是由鋼珠滾動接觸，只須很小的起動扭力即可克服摩擦力。

HIWIN采用佳的牙型設計系數(形狀系數)及業制造技術達成佳真實牙型。且HIWIN使用牙型測量設備，來 監測每制程中的牙型。如此可確保符合設定之扭力范圍。圖2.4為檢測的實例。

HIWIN亦使用計算機量測，以精確量測出滾珠螺桿的摩擦扭矩圖2.5為-典型的"位置-扭矩"量測圖形

(6) 靜音

質量機械設備于快速進給及重負荷操作下，依然必須要求低噪音。 HIWIN嚴格控管循環系統及牙型設計，組裝技術，并嚴密檢測表面精密加工及尺寸，以達到低噪音的目標。

(7) 短交期

HIWIN以快速的制程安排及庫存滾珠螺桿以達到短交期的目標。

(8) 優于氣、液壓致動器的優點   
若致動器中采用滾珠螺桿取代傳統的汽壓或液壓驅動可得到許多的優點如:不會滲漏，不須過濾，省能源及重現 
性 圖2.6為全電式射出成型機構,以取代傳統復雜的油壓驅動。  

HIWIN滾珠螺桿的使用產業別并推薦使用滾珠螺桿的精度等級：

(1) CNC機械：CNC加工中心，CNC車床，CNC銑床，CNC放電加工機，CNC磨床，CNC線切割機，CNC鉆孔機 …等等。
(2) 精密工具機：銑床，磨床，刀具磨床，齒輪加工機，鉆床，刨床，車銑復合機。
(3) 產業機械：印刷機，造紙機，自動化機械，紡織機，繪圖機，射出成型機，用機。
(4) 電子機械：量測儀器，X-Y平臺，醫學設備，工廠自動化設備，PCB鉆孔機，IC封裝機，半導體設備，工廠 自動化設備…等。(5) 輸送機械：Robort Stage，材料搬送設備，核能反應器，度致動器…等。
(6) 航天工業：飛機襟翼，機場負載設備，尾翼致動器…等。
(7) 其他：如天線使用的致動器，閥門開關裝置，太陽能板伸縮機構，電子顯微鏡對焦機構…等。

HIWIN滾珠螺桿產品分類：
1 標準滾珠螺桿
  HIWIN建議您在設計時，采用標準常用規格的滾珠螺桿，然而導程或微小滾珠螺桿或其他殊規格的滾珠螺 桿，皆可依您需求來提供，表3.1為標準滾珠螺桿軸徑與導程的配對表。

2 螺帽型式
(1) 循環設計的種類
  HIWIN 滾珠螺桿基本上有3種循環設計。第種稱為外循環滾珠螺桿其為螺桿、螺帽、鋼珠、彎管及固定塊組合 而成。而鋼珠介于螺桿與螺帽之中，鋼珠的循環乃經由彎管的連接，使其得以在螺帽上回流；而彎管則裝置在螺帽 外部此種型態稱為外循環滾珠螺桿，如圖3.1。

第二種稱為內循環滾珠螺桿為螺桿、螺帽、鋼珠及回流蓋所組成。鋼珠采以單圈循環。以回流蓋跨越連接兩相 鄰珠槽，連接構成個單封閉回流路徑；由于回流蓋組裝在螺帽內部，所以稱之為內循環滾珠螺桿，如圖3.2。

第三種稱為端蓋式滾珠螺桿，如圖3.3，其基本回流系統的設計與外循環滾珠螺桿，如圖3.4類似，而主要的差別 在于螺帽上加工貫穿孔作為鋼珠回流。此設計使得鋼珠得以行經整個螺帽的前后二端。由于在所有珠槽上都布 滿有效鋼珠因此在相同的動負荷下，螺帽長度較傳統設計為短。

表3.1 HIWIN標準滾珠螺桿外徑與導程對照

＊G：代表研磨級滾珠螺桿，不管左旋或右旋皆可

(2) 螺帽種類

螺帽種類的選用乃依據使用條件HIWIN 滾珠螺桿螺帽分類代號如下說明(詳細請參考第5章)

＊其他非上述種類，可依您需要而設計 若是導程雙螺紋的螺帽，則需在代號前加個"D" 若是采用壓縮式預壓，則需在代號前加個"P" 若是采用偏位式預壓，則需在代號前加個"O" 舉例
RDI：代表圓型的內循環雙螺帽
FSW：代表法蘭型的外循環單螺帽 DFSV：代表法蘭型的雙螺紋外循環，彎管凸出的單螺帽
例如： B2：兩支外循環回流管，每管循環2.5圈 T3：三個內循環回流蓋，每個循環1圈 S4：端蓋四循環，每個循環1.8圈
HIWIN 推薦外循環以兩列2.5卷或3.5卷設計(B2或C2)，內循環以3、4或6卷設計(T3、T4或T6)。上述循環方式，如圖3.4和圖3.5所示

3 軸端肩部參考尺寸

◆ 安裝方式： 軸承安裝方式決定滾珠螺桿的剛性、臨界轉速、挫屈負荷。 安裝方式的設計須小心仔細考慮。其基本安裝方式，如圖3.6所示。

◆ 螺桿肩部型式： 常用肩部，如圖3.7所示型式，而建議尺寸及軸承選用型號，如表3.2所示

表3.2 肩部尺寸

肩部型式請參照圖

HIWIN滾珠螺桿選用和安裝的重要觀念：

(1) 滾珠螺桿必須保持徹底的清潔并且用防銹油作好防護， 應別注意不可使尖銳物或刀具撞擊牙型表面及不可讓 任何鐵屑進入螺帽內部；而且組裝軸端外徑亦不可碰撞擦傷，如圖4.1。

   選擇精度等級適用的滾珠螺桿請參考表4.5，依組裝標準程序安裝，換言之，使在CNC 工具機上的精密研磨級滾 珠螺桿，必須精確的校正及選用合適的精密軸承組合。

轉造級滾珠螺桿適用于精度較不的場合，如包裝機械…等，即可選用精度較不的支撐軸承組合。別重要 是，避免軸承支撐座與螺帽的偏心，造成負荷的不均，如圖4.2。不均勻負載含徑向力及扭矩，參圖4.2(a)，皆可能 造成故障及壽命減低，如圖4.2(b)。

 (3) 為使滾珠螺桿達到壽限，HIWIN 建議您使用含有潤滑劑之軸承用油，但油中含石墨及二硫化鉬(MoS2)除外 ，油脂必須保持填注于鋼珠及珠槽上。油浴式或滴油式給油法皆可，但以直接給油到螺帽內為佳，如圖4.2。

(4) 別注意，當安裝滾珠螺桿于機械上，請勿敲打螺帽或彎管，同時不可讓螺帽與螺桿分離或過行程-螺帽部份 行程離開螺桿，如圖4.3，若是如此會造成鋼珠脫離珠槽。

(5) 選擇合適的軸端支撐軸承組合，在CNC工具機上，建議采用斜角軸承(斜角: 60°)。

(6) 在螺桿兩端應該安裝防撞器或不出牙設計以避免螺帽過行程，導致螺桿的破壞，如圖4.5。

(7) 滾珠螺桿建議使用伸縮式之保護套來保護，以避免受到環境中塵埃或鐵屑的污染。若有碎屑或異物進入螺帽 內，則會造成螺桿只剩十分之壽命。采以伸縮式須要在法蘭上加螺紋孔以固定之，如圖4.6。此項殊之需 求，請告知HIWIN。

(8) 若您選用內循環或端蓋式循環的滾珠螺桿，則其端螺紋必須出牙且肩部大尺寸，必須小于根徑0.5~1.0mm， 若要求肩部尺寸大于根徑亦可，但將有螺紋線留于肩部上便于螺帽裝入。如圖4.7。
(9) 滾珠螺桿熱處理時于靠近肩部加工的螺紋牙部份有10～20mm長度須保持軟化，以便于加工肩部。此區域會標示 “  ”記號于HIWIN圖面上，如圖4.8。如您有殊之要求請與HIWIN連系。

(10) 過大的預壓力將造成摩擦扭矩的大增及溫升效應而使得預期壽命的減短。但太低的預壓力，會使得滾珠螺桿 剛性不足及增加失步(lost motion)的可能性。于CNC工具機的使用上，HIWIN建議您，以不過8％動負荷 為預壓力的大值；于自動化 X-Y平臺機構以不過5％動負荷為預壓力的大值。

(11) 當您需要與螺桿軸分離并再組合時，必須透過個外徑小于螺桿根徑0.2～0.4 mm的管子，參考公式M37接于 螺桿出牙的端，將螺帽旋出，套內管中參照圖4.9。

(12) 圖4.10表示軸端承靠面的逃槽；軸端支撐軸承必須有倒角才能正確的定位，同時維持適當的直度，HIWIN建議您采用DIN 509的逃槽尺寸，如詳圖4.11。

HIWIN滾珠螺桿選用流程

   HIWIN滾珠螺桿選用步驟如表所示，從已知的設計條件(A)選擇適當的滾珠螺桿類別(B)經由參考公式步步遵從選擇程序(C)找出符合設計需求的 滾珠螺桿規格。

滾珠螺桿選用步驟表如下：

滾珠螺桿精度等級
  選擇符合您需求的精度等級，而不要選擇過您需求的精度等級以避免非必要的成本。 精密級滾珠螺桿應用在需要定位精確、重現性、平穩的運動及壽命長之場合。 轉造級滾珠螺桿應用在需要效率和壽命但不以精度為訴求之場合。 精密轉造螺桿其精度介于轉造級螺桿及精密研磨級螺桿之間。可取代許多相同精度等級研磨級滾珠螺桿的應用領域。
   HIWIN可生產達C6級精密級轉造滾珠螺桿。唯幾何公差不同于精密研磨級滾珠螺桿(參考第6章) 。因為螺桿外 徑并未研磨，制造程序和研磨級滾珠螺桿有所不同。第7章為HIWIN轉造滾珠螺桿詳細介紹。

(1) 精度等級
  精度滾珠螺桿從用于精密量測、航天設備到運輸包裝設備等有很多的應用領域。質量及精度等級可由下述 性分類：導程誤差、表面粗糙度、幾何公差、背隙、預壓力變動范圍、溫升及噪音。
HIWIN精密研磨級滾珠螺桿分為7個等級。般說來HIWIN精密研磨級滾珠螺桿是由所謂"V300"來定義，但與轉 造級滾珠螺桿的等級分類略有不同(轉造級請參考第7章)。圖4.12為依據滾珠螺桿精度所繪制的導程測定圖。相同 的DIN精度等級如表4.2所示。從圖形中，各項規范數值，可由表4.2所示由精度來決定。圖4.14為HIWIN依照DIN標 準量測的結果。HIWIN規格的精度等級滾珠螺桿請參照表4.2所示。相關的際規范如表4.3所示。工具機的定位精 度±ep是由V300決定。符合各種機器使用的精度表如表4.5所示。這是在不同應用領域中選用適當的滾珠螺桿之參考 圖表。
(2) 軸向余隙(背隙)
  若滾珠螺桿軸向余隙為零，則必然存在預壓力，同時采以預壓扭矩為量測依據。
 HIWIN滾珠螺桿標準軸向余隙如表4.4所示。在CNC工具機所使用之零背隙滾珠螺桿如剛性不足會造成失步現 象。請與HIWIN連絡以決定佳背隙或剛性值。
  (3) 幾何公差
  選用正確精度等級的滾珠螺桿以符合機器需求是極為重要的。表4.6和圖4.15幫助您以精度等級規范幾何公差。
表4.2 HIWIN 精密級滾珠螺桿精度表

滾珠螺桿精度等級

表4.4 各等級軸向背隙對照表

各種機械適用精度等級

  預壓的目地在消除軸向背隙且降低因軸向力造成的彈性位移，亦可改善滾珠螺桿剛性(避免失步)。因滾珠螺桿承 受軸向負荷，針對有預壓牙型的設計以歌德式為佳。此牙型具有獨的鋼珠與珠槽接觸方式能消除任何可能的軸向 背隙并能增加剛性。有預壓歌德式牙型負荷方式如圖4.16所示。

獨之歌德式牙型珠槽能產生大約45°的鋼珠接觸角。由外部驅動力及內部預壓力產生軸向力Fa能產生兩種背 隙，種是鋼珠與珠槽間制造余隙所產生的正向背隙Sa。另種是由垂直于接觸點的正向力Fn所產生的彈性變形 l。由制造余隙所產生背隙能由內部預壓力P消除，此種預壓力可藉由雙螺帽、偏移節距的單螺帽或以鋼珠大小調整預壓的單螺帽產生。彈性變形是由內部預壓力和外部負荷產生進而造成失步效應。

(1) 雙螺帽預壓方式

此預壓藉由兩螺帽間之預壓片產生，圖4.17。 “拉伸預壓”是由過大的預壓片有效的擠壓分開螺帽。“壓縮預壓”是由過小預壓片，再以螺栓將兩螺帽拉在起。拉伸預壓是HIWIN精密級滾珠螺桿常使用的方式。然而也能依您的需求制造壓縮預壓滾珠螺桿。滾珠螺桿 預拉必然增加剛性，但請告訴HIWIN您設計的預拉量為多少(建議每公尺0.02mm~0.03mm，但應該用T值作補償) 。

 以預壓片尺寸調整預壓方式

(2) 單螺帽預壓方式

單螺帽有兩種預壓方式其中種稱為"過大鋼珠預壓方式"。此種方式內容的鋼珠比珠槽空間大(過大鋼珠)使鋼珠 產生4點接觸，如圖4.18所示。另種稱為"導程偏移預壓方式"如圖4.19所示。在螺帽節距上有δ值的偏移。這種方 式用來取代傳統雙螺帽預壓方式，并在較短螺帽長度及較小預壓力下擁有較剛性。然而此方式不適用于太預壓 力。好將預壓力設計在5%動負荷以下。

 HIWIN滾珠螺桿的規格表示法
HIWIN依據客戶的藍圖或規格來制造您所需要的滾珠螺桿，并提供下列滾珠螺桿的相關數據：
1.公稱外徑
2.導 程
3.螺牙長度及螺桿總長度
4.肩部尺寸
5.螺帽型式
6.精 度(導程誤差，幾何公差)
7.主軸轉速
8.靜額定負荷、動額定負荷、預壓扭矩
9.螺帽安全考慮
10. 油孔位置

HIWIN 滾珠螺桿規格的定義

注明：1. 外徑導程可依客戶的需求設計。
2.右旋為般標準，左旋產品亦可提供。
3.長度可依客戶需求提供。
4.客戶需要不銹鋼等殊材質滾珠螺桿，可與HIWIN洽談。
5.當您填好滾珠螺桿數據表(169～170頁)，請與HIWIN聯絡，我們將立刻回復。
6.若您欲訂購DIN 69051型螺帽，請加注“DIN”。

HIWIN滾珠螺桿轉造級滾珠螺桿介紹

 2 精密轉造級滾珠螺桿

轉造級滾珠螺桿的導程精度定義：為在有效螺紋長度內，任意300mm的累積導程誤差的容許值。精密級滾珠 螺桿的導程精度如表7.1所示，軸方向余隙的大小，請參照表7.2。

HIWIN所生產的精密滾珠螺桿規格如表7.3所示。 HIWIN備存各種規格的庫存，可達到客戶迅速供貨的要求。

表7.1 HIWIN精密轉造級滾珠螺桿之精密等級   


 HIWIN精密轉造級螺桿與導程對照表
■ : 左右旋向皆有  ● : 只有右旋向，若有其他需求請與HIWIN聯絡  
＊注: 螺桿的大長度以C7等級為主，轉造級螺桿的大長度會隨著導程精度不同而不同。

HIWIN滾珠螺桿中照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的精度，別是速且精度的機械。 以下是影響滾珠螺桿溫升的因素：
(1) 預壓力  (2) 潤滑  (3) 預拉
圖4.29說明進給速度、預壓力及溫升的關系，圖4.30說明螺帽溫升與預壓摩擦扭矩的關系。由圖4.29，圖4.30及 范例4.5-5得知，螺帽預壓力加倍時將提溫度5℃但剛性只提約5%。

(1) 預壓力的影響

  為避免造成機械傳動系統的任何失步，提螺帽剛性是很重要的，然而要提螺帽剛性，必須使螺帽預壓力達 到定水平。
施加預壓力于螺帽會增加螺牙的摩擦扭矩，并使工作時的溫升提。 HIWIN建議，中重預壓為8%的動負荷；中預壓為6%～8%；中輕預壓為4%～6%；輕預壓為4%以下，預壓力重不得過10%的動負荷，以獲得到佳的壽命及較低的溫升效應。

(2) 潤滑的影響
  潤滑油的選擇直接影響滾珠螺桿的溫升。HIWIN的滾珠螺桿須采以油或油脂其中項的潤滑，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。圖4.31說明油品黏度、工作溫度與溫升的關系。
  當工作情況為速低負載時好選用低黏度油品；低速負載時則建議使用黏度油品。 般來講，速時建議使用潤滑油為40℃時黏度指數范圍為32～68 cSt (ISO VG 32～68)(DIN 51519)；而低速時，建議使用的潤滑油為40℃時黏度指數范圍為90 cSt (ISO VG 90)以上。應用于速且重負載，必須以強制冷卻來 降低溫度，且可藉由中空螺桿通入冷卻油來達到冷卻效果。
圖4.32是滾珠螺桿經過冷卻與未經冷卻的溫升比較。 圖4.33說明中空滾珠螺桿于工具機上的典型的應用。滾珠螺桿潤滑油的檢查與添加時機列于表4.12。

(3) 預拉的影響
  滾珠螺桿溫升時，熱應力效應會使螺桿伸長，使螺桿的長度變得不穩定。其伸長量可藉由M40公式求出，此伸 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HIWIN 建議采用小于5℃的預拉值，但若螺桿直徑過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。HIWIN建議約以3℃的溫升做為補償值T的基準 (螺桿每1000mm約 -0.02~-0.03mm)。不同的 應用需要不同的T值，有關T值的問題請與HIWIN工程人員聯系。

中空冷卻螺桿于精度工具機的應用

制造能量 
   滾珠螺桿極限的加工長度是由螺桿的外徑與精度等級而定(表4.10)；越精度的滾珠螺桿真直度的要求越，因 此細長比越大加工困難度就越且剛性也較差。
   HIWIN建議的極限長度，如表4.10所示。如有更長的螺桿需求，請與HIWIN工程師聯系。

表螺桿外徑、精度等級與制造長度對照表

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