CN101775192A

CN101775192A - 基于注射成型的高效重载传动螺母材料、方法及装置

Info

Publication number: CN101775192A
Application number: CN200910214572A
Authority: CN
Inventors: 孙友松; 王万顺; 李春梅; 魏良模; 程永奇; 董智贤
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN101775192B

Abstract

本发明是一种碳纤维增强自润滑复合材料及采用该材料注射成型制造钢背衬自润滑复合材料传动螺母的方法及装置。本发明以环氧树脂、碳纤维及各种填料、改性物质组成自润滑复合材料。将复合材料以注射成型的方式，在钢螺母基体表面形成自润滑衬层。注射成型装置包括基体螺母(2)及旋入基体螺母(2)中的工艺丝杆(4)和两个定位螺母(1)。基体螺母(2)与工艺丝杆(4)之间预留1mm～2mm的间隙，且此间隙在轴向、周向和径向均均匀分布。注射前，在工艺丝杆(4)表面用胶带粘贴或石蜡绘制出适当厚度的润滑油道。将复合材料用料筒注射进成型装置，待注射完毕且衬层完全固化后，卸下定位螺母(1)，并将制成的传动螺母(2)从工艺丝杆(4)上拧出，清除润滑油道中的残留物，获得所需要的传动螺母(2)。新型螺母承载能力大、摩擦系数小、动态性能好。

Description

基于注射成型的高效重载传动螺母材料、方法及装置

技术领域

本发明是一种碳纤维增强自润滑复合材料及采用该材料注射成型制造钢背衬自润滑复合材料传动螺母的方法及装置，属于螺旋传动的创新技术。

背景技术

螺旋传动是一种重要的机械传动方式，它可以将原动机的旋转运动转化为直线运动，在各种机械装备中得到广泛应用。常见的螺旋传动副有滑动、滚动与静压螺旋三种形式。滑动螺旋传动副则是最普遍的传动形式，具有结构简单、价格低廉的优点。但在低速重载条件下，接触螺旋面常处于边界润滑状态，螺母磨损严重，摩擦系数高，传动效率低。而且传动不稳定，易出现低速爬行和颤动。在重载场合，不仅造成大量的能量损失，增大电机容量和设备造价，而且磨损严重，影响使用寿命。滚珠丝杠具有摩擦系数低，无爬行等优点，广泛应用于高精度传动中。但它成本高、承载能力低等方面的缺陷严重制约了它在重载机械驱动技术中的推广应用。静压滑动螺旋利用高压油将螺杆和螺母隔离，形成良好的润滑，动态性能好，无爬行。但结构复杂、加工精度高、价格昂贵、需特殊的液压系统，使用场合有限。

目前关于滑动螺旋副的研究有两个不同的发展方向，其一是新型金属螺母材料开发，如铜合金、锌合金、粉末冶金等；再就是非金属聚合物整体螺母，如夹布胶木和尼龙螺母等。采用非金属材料的螺母虽然在降低摩擦损失、提高传动效率方面取得了很大成效，但由于螺母采用非金属整体结构，承载能力受到很大限制，妨碍了其在重载领域的应用。

钢背衬碳纤织物增强自润滑复合材料螺母兼有高的承载能力和良好的摩擦性能，但由于需要采用碳纤织物(纤维布)增强，手工涂敷，衬层制作工艺复杂，妨碍了其推广应用。本发明提出了一种高效重载螺旋传动新的解决方案，螺旋副的螺母以钢或铸铁为基体，内螺纹衬层自润滑复合材料中，以短切碳纤维取代碳纤维织物，并采用注射成型代替手工涂敷，工艺简单，容易产业化。在内螺纹表面很容易形成润滑油道，改善润滑条件。新型螺旋副兼有优良的减摩耐磨性能和高的承载能力。

机械装备技术的发展尤其是交流伺服压力机的出现迫切需要一种效率高、承载能力大、动态性能好、结构简单、价格低廉的新型螺旋传动方式。开发新型高效重载螺旋传动技术，不仅解决了伺服压力机发展的关键技术问题，而且对机械装备节能减排有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种具有优良的综合机械性能及减摩耐磨性能的自润滑传动螺母的成型材料。本发明的自润滑传动螺母的成型材料强度高、耐冲击、摩擦系数低、耐磨、固化收缩率小。

本发明的另一目的在于提供一种结构简单的自润滑传动螺母的成型装置。。

本发明的进一步目的在于提供一种方便实用的自润滑传动螺母的成型工艺。

本发明的技术方案是：在自润滑衬层的制作中采用短切碳纤维取代碳纤维织物(布)，用注射方法取代手工涂敷，可以克服钢背衬碳纤织物增强自润滑复合材料螺母的工艺复杂的缺点。传动螺旋副的螺母结构以钢或铸铁为基体，内螺纹衬层为碳纤维增强的聚合物自润滑复合材料，厚度一般为1-2毫米，可根据具体情况适当增减；螺旋面采用注射成型；在内螺纹表面形成润滑油道，改善润滑条件。新型螺旋副兼有优良的减摩耐磨性能和高的承载能力。采用特殊的注射装置注射成型，不仅保证衬层具有均匀的厚度，而且易于实现工业化生产。

衬层材料以环氧树脂为基体，加入短切碳纤维以及MoS₂、石墨等减磨相，以及各种填料及改性物质。经多次试验，确定优化配方，使复合材料具有优良的综合机械性能及减摩耐磨性能。这种材料具有强度高、耐冲击、摩擦系数低、耐磨、固化收缩率小等优点。经反复试验，所得优化配方的具体百分比如下：

环氧树脂 40-45 增韧剂、分散剂 6-8 滑石粉400目 5-8

石墨 2-3 二硫化钼 10-15 碳纤维 10-14 固化

剂 15-20。

上述短切碳纤维的长度为0.5毫米，直径为5微米。

注射装置包括基体螺母及旋入基体螺母中的工艺丝杆、以及用于基体螺母定位的左右两个定位螺母，定位螺母上各有一个紧定螺钉。基体螺母的内螺纹与工艺丝杆的外螺纹表面之间预留1mm～2mm的间隙。经过特殊加工的定位螺母可以保证基体螺母和工艺丝杆间的间隙在轴向、周向和径向均能均匀分布。工艺丝杆螺纹表面在注射前敷有一定厚度的脱模剂，并用胶带粘贴或石蜡绘制出适当厚度的润滑油道。

自润滑衬层的材料经充分混合并真空去除气泡。成型时将复合材料用注射料筒通过组装好的注射成型装置注射到基体螺母和工艺丝杆间的间隙之中，形成自润滑衬层。待注射完毕且衬层完全固化后，卸下定位螺母，并将制成的传动螺母从工艺丝杆上拧出，清除润滑油道中的残留物，获得所需要的螺母。

衬层厚度的均匀性由注射装置来保证。通过基体螺母轴向、径向和周向三维准确定位实现螺纹表面间隙的均匀分布。两个定位螺母并通过紧定螺钉固定于基体螺母的两端实现轴向定位；定位螺母与工艺丝杆的螺纹部分采用动配合，而定位螺母的内圆柱表面则与工艺丝杆两端圆柱面采用无间隙的动配合

，基体螺母的外圆置于两定位螺母端部的台阶(止口)孔中，其配合亦采用

，以保证基体螺母(2)、工艺丝杆的螺纹面间有良好的径向定位(同心)；注射成型前适当调整基体螺母的角度，可确保基体螺母与工艺丝杆之间周向定位。注射成型的具体方法是：

1)装配并调整注射成型装置。将基体螺母、定位螺母与工艺丝杆装配在一起，使其端面紧贴，固定两个紧定螺钉。沿任一方向转动基体螺母直至转不动为止，在基体螺母和定位螺母的外圆面同一周向位置刻上直线印记；将基体螺母朝反向转动至尽处，再在定位螺母外表面与基体螺母上刻痕对应处刻下另一印记，定位螺母两印记间的角度即为转动角度。转动基体螺母，使其上的印记处于定位螺母外圆两极限印记间正中位置，为待注射位置。此时基体螺母和工艺丝杆螺纹表面的间隙在轴向、周向和径向三维均是均匀的。

2)配制衬层材料。环氧树脂、碳纤维和二硫化钼、石墨等改性添加剂自润滑复合材料制成，经充分混合并真空去除气泡，装入注射料筒。准备注射。材料配方见上面表格。

3)注射成型。复合材料用注射料筒通过组装好的注射成型装置注射到基体螺母和工艺丝杆间的间隙之中，形成自润滑衬层。待注射完毕且衬层完全固化后，卸下固定螺母，并将制成的传动螺母从工艺丝杆上拧出，清除润滑油道中的残留物，获得所需要的螺母。

本发明所制造的高效重载精密螺旋传动螺母的螺旋面无需再进行切削加工，具有有效的润滑油道，摩擦系数小、传动效率高、承载能力强、动态性能好，可以大大提高设备效率、降低能耗、提高工作可靠性和运转寿命。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的自润滑传动螺母的成型方法与装置。

附图说明

图1为本发明注射装置的装配示意图；

图2为本发明螺旋副工作时接触面示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明自润滑传动螺母成型装置的结构示意图如图1所示，包括有工艺丝杆4、基体螺母2、定位构件1、紧定构件3，其中工艺丝杆4旋入传动螺母2中，基体螺母2的内螺纹与工艺丝杆4的外螺纹表面之间预留能注射自润滑材料以形成自润滑衬层5的间隙，且基体螺母2的两端设有定位构件1，定位构件1通过紧定构件3锁定。

上述基体螺母2的内螺纹与工艺丝杆4的外螺纹表面之间预留1mm～2mm的间隙。本实施例中，上述基体螺母2的内螺纹与工艺丝杆4的外螺纹表面之间预留1mm的间隙，即自润滑衬层5的厚度为1mm。

本实施例中，上述定位构件1为定位螺母，基体螺母2及其两端的定位螺母分别旋入工艺丝杆4的两端，且使定位螺母的端面与基体螺母2的端面紧贴，两定位螺母分别通过紧定构件3锁定在工艺丝杆4的两端。上述紧定构件3为紧定螺钉。上述工艺丝杆4的材料采用结构钢，上述基体螺母2的材料采用结构钢或铸铁。本实施例中，基体螺母2的材料采用结构钢或铸铁。

为便于安装及固定，上述工艺丝杆(4)的螺纹长度超过基体螺母2的厚度，以保证定位螺母1的拧入。

本实施例中，上述定位螺母1与工艺丝杆4的螺纹部分采用动配合，而定位螺母的内圆柱表面则与工艺丝杆4两端圆柱面采用无间隙的动配合

；上述传动螺母2的外圆置于两定位螺母端部的台阶止口孔中，其配合亦采用

本实施例中的成型方法包括如下步骤：

1)装配并调整注射成型装置。将基体螺母2、定位螺母1与工艺丝杆4装配在一起，使其端面紧贴，固定两个紧定螺钉3。沿任一方向转动基体螺母2直至转不动为止，在基体螺母2和定位螺母1的外圆面同一周向位置刻上直线印记；将基体螺母2朝反向转动至尽处，再在定位螺母1外表面与基体螺母2上刻痕对应处刻下另一印记，定位螺母1两印记间的角度即为转动角度。转动基体螺母2，使其上的印记处于定位螺母1外圆两极限印记间正中位置，为待注射位置。此时基体螺母2和工艺丝杆4螺纹表面的间隙在轴向、周向和径向三维均是均匀的。

配制衬层材料。在环氧树脂基体中加入短切碳纤维以及增韧剂、分散剂、滑石粉、石墨、二硫化钼、固化剂，经充分混合并真空去除气泡，装入注射料筒。准备注射。材料配方的具体百分比如下：

环氧树脂 42 增韧剂、分散剂 7.8 滑石粉400目 7

石墨 2.8 二硫化钼 11.2 碳纤维12.4 固化剂16.8。

上述短切碳纤维的长度为0.5毫米，直径为5微米。

3)注射成型。复合材料用注射料筒通过组装好的注射成型装置注射到基体螺母2和工艺丝杆4间的间隙之中，形成自润滑衬层5。待注射完毕且衬层完全固化后，卸下定位螺母1，并将制成的传动螺母2从工艺丝杆4上拧出，清除润滑油道中的残留物，获得所需要的螺母。

用这种复合材料制造的传动螺母在重载工况下表现出优良的工作性能，与传统青铜螺母相比，油润滑状态下复合材料螺母上的摩擦阻力矩下降了50％，传动效率则提高了近一半。

实施例2：

本实施例与实施例1的方法及装置相同，不同之处在于衬层材料的配比不同，本实施例衬层材料的配比如下：

环氧树脂 40 增韧剂、分散剂 6 滑石粉400目 8

石墨 2 二硫化钼 15 碳纤维10 固化剂 19。

实施例3：

环氧树脂 45 增韧剂、分散剂 8 滑石粉400目 5

石墨 3 二硫化钼 10 碳纤维14 固化剂 15.0。

实施例4：

环氧树脂 44 增韧剂、分散剂 6.8 滑石粉400目 5.5

石墨 2.5 二硫化钼 13.2 碳纤维 12.5 固化剂 15.5。

Claims

1.一种碳纤维增强自润滑复合材料，在环氧树脂基体中加入短切碳纤维以及增韧剂、分散剂、滑石粉、石墨、二硫化钼、固化剂，各组分的具体百分比如下：

环氧树脂40-45 增韧剂、分散剂6-8 滑石粉400目5-8

石墨2-3 二硫化钼10-15 碳纤维10-14 固化剂15-20。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强自润滑复合材料，其特征在于上述短切碳纤维的长度为0.5毫米，直径为5微米。

3.一种用根据权利要求1所述碳纤维增强自润滑复合材料制作自润滑传动螺母的成型装置，其特征在于包括有工艺丝杆(4)、基体螺母(2)、定位构件(1)、紧定构件(3)，其中工艺丝杆(4)旋入基体螺母(2)中，基体螺母(2)的内螺纹与工艺丝杆(4)的外螺纹表面之间预留能注射自润滑材料以形成自润滑衬层(5)的间隙，且基体螺母(2)的两端设有定位构件(1)，定位构件(1)通过紧定构件(3)锁定。

4.根据权利要求3所述的自润滑传动螺母的成型装置，其特征在于上述基体螺母(2)的内螺纹与工艺丝杆(4)的外螺纹表面之间预留1mm～2mm的间隙。

5.根据权利要求3所述的自润滑传动螺母的成型装置，其特征在于上述定位构件(1)为定位螺母，基体螺母(2)两端设有的定位螺母分别旋入工艺丝杆(4)的两端，且使定位螺母的端面与基体螺母(2)的端面紧贴，两定位螺母(1)分别通过紧定构件(3)锁定在工艺丝杆(4)的两端。

6.根据权利要求5所述的自润滑传动螺母的成型装置，其特征在于上述紧定构件(3)为紧定螺钉；上述工艺丝杆(4)的螺纹长度超过基体螺母(2)的厚度，以保证定位螺母(1)的拧入。

7.根据权利要求2所述的自润滑传动螺母的成型装置，其特征在于上述定位螺母与工艺丝杆(4)的螺纹部分采用动配合，而定位螺母的内圆柱表面则与工艺丝杆(4)两端圆柱面采用无间隙的动配合

上述基体螺母(2)的外圆置于两定位螺母端部的台阶止口孔中，其配合亦采用

8.一种根据权利要求3所述的自润滑传动螺母的成型装置的成型方法，其特征在于螺母衬层采用碳纤维增强自润滑复合材料，并采用注射成型。

9.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于具体包括如下步骤：

1)将工艺丝杆(4)、基体螺母(2)、定位构件(1)装配在一起，使基体螺母(2)与定位构件(1)的端面紧贴，分别在定位构件(1)上固定紧定构件(3)；

2)沿任一方向转动基体螺母(2)直至转不动为止，在基体螺母(2)和定位螺母(1)的外圆面同一周向位置刻上直线印记；再将基体螺母(2)朝反向转动至尽处，在定位螺母(1)外表面与基体螺母(2)上刻痕对应处刻下另一印记，定位螺母(1)两印记间的角度即为转动角度，转动基体螺母(2)使其上的印记处于定位螺母(1)外圆两极限印记之间的正中位置，为待注射位置。此时基体螺母(2)和工艺丝杆(4)螺纹表面的间隙在轴向、周向和径向三维均是均匀的；

3)将制作好的自润滑衬层(5)的衬层材料装入注射料筒，用注射料筒通过组装好的注射成型装置注射到基体螺母(2)和工艺丝杆(4)之间的间隙之中，形成自润滑衬层(5)。

4)待注射完毕且衬层完全固化后，卸下定位螺母(1)，并将制成的传动螺母(2)从工艺丝杆(4)上拧出，清除润滑油道中的残留物，获得所需要的传动螺母。

10.根据权利要求9所述的自润滑传动螺母的成型装置的成型方法，其特征在于上述步骤3)在注射成型前在工艺丝杆(4)表面用胶带粘贴或石蜡绘制出的润滑油道(8)的形状，通过注射成型，衬层固化后，内螺纹表面获得所需的润滑油道(8)。