浅谈全电式射出成形机之滚珠螺杆

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全电式射出成形机的定义是以伺服马达取代传统油压的驱动单元，以机械式组件构成传动系统的射出成形机，是极为绿色环保的机械，而数字化控制更赋予全电式射出机在工厂自动化(FA)及智能化的潜力，符合二十一世纪时代的潮流发展。近年来由于滚珠螺杆所具有的高机械效率及负荷的性能倍受注目，同时为迎合信息科技(IT)产业精密零组件的需求，由传统油压式塑料射出成形机已渐渐被具有省能源、精密、控制稳定与洁净等优势之全电伺服式塑料射出成形机所取代，滚珠螺杆已广泛被运用在全电伺服式塑料射出成形机各种单元的传动机构上(如图一所示)。滚珠螺杆乃以滚珠作为螺杆与螺帽之间的动力传输接口，进行滚动之运动行为。而且滚珠螺杆系以工具机驱动装置之用途为主体发展而起的，其开发的目的在于如何才能实现正确位置之精度及其顺畅性。滚珠螺杆已成功地应用在精密机械、自动化、各种动力传输、半导体、医疗和航天等产业上。
; m3 T8 m! V- b5 k# A. v) R因为工具机与射出机之用途与精度需求各不相同，两者在滚珠螺杆之设计理念上亦不相同。如表一所示，表一为工具机用与射出机用滚珠螺杆之比较。
' T) s1 l: u7 t6 Y, D项目 工具机 射出机
7 Y3 }0 i7 q; _" q, i" q5 d诉求 定位 负荷
行程 一般行程 短行程
1 j& a3 l7 ^# K+ f- \: q2 s! ?寿命 一般寿命 耐久性
使用 表面剥落即不堪使用 不能传动即不堪使用
5 @4 S' A1 O9 `1 v7 [; W疲劳损坏 疲劳损坏以螺帽为先 疲劳损坏以螺杆为先
. @/ T% Q0 C, M+ g& Y2 E滚珠螺杆不论在效率、推力、耐久、响应及成本评估方面，均有不错的表现。与在工具机上使用时螺杆所承受的负荷相比较，全电伺服式塑料射出成形机射出结构所承受的负荷则有数百倍甚至千倍于一般螺杆的负荷值，因此上银科技的高负荷滚珠螺杆即应运而生。由于射出结构之行程 (Stroke)较短而且在润滑位置上有诸多不利的条件，为能长期维持塑料射出成形机之机能运作，滚珠面压平均化与润滑位置安排，并具备高负荷能力和寿命长的功能就成为高负荷滚珠螺杆的设计重点。
上银科技公司所推出的『射出成形机』用滚珠螺杆特色，如下列:
(1)清洁环保：
' S: b% v2 R( `8 x" U: s无油品外漏污染与强制润滑时油品外溅之虞。适合对清洁度要求较高的环境如医疗器材、食品容器及光学零件及光盘片等的生产使用，具环保概念。
% }) n( y& N4 d, ?2 H6 r(2)维护容易且长期使用：对一般使用而言，滚珠螺杆几乎不需要任何维护的工作；再加上适当润滑，即可长期使用而不磨损。 节省空间： 无需增加如伺服阀及油压系统等额外设备，节省安装空间。控制性佳：从低速至高速运转，能作动顺畅，无滞滑(Stick-slip)现象产生。对于压力指令能得到高响应性。
目前全电式射出成形机之滚珠螺杆，主要应用在锁模单元(Clamping unit)之夹模用滚珠螺杆(Clamping ball screw)与顶出用滚珠螺杆(Ejector ball screw)；射出单元(Injection unit)之射出用滚珠螺杆(Injection ball screw)；喷嘴接触单元(Nozzle touch unit)之喷嘴接触用滚珠螺杆(Nozzle touch ball screw)等 。不同于工具机用滚珠螺杆的定位(Positioning)诉求，射出机滚珠螺杆以负荷(Load)为出发点，尤其是夹模用滚珠螺杆(Clamping ball screw)与射出用滚珠螺杆(Injection ball screw)方面，特别要求其高负荷能力和耐久性。而其中射出用滚珠螺杆能将精密控制射出、保压、背压之电动伺服马达的回转运动有效的转换成直线运动，系掌控射出螺杆前进后退动作之重要机械组件。其常用尺寸之滚珠螺杆轴径为63ψmm~100ψmm，精度等级为JIS C5 ~ C7级，螺杆轴的安装方式一般以固定—自由为之。
8 c' l7 A+ F3 y在射出机的研发设计上有射出机之大小、成本及耐用年限等问题存在。因此，滚珠螺杆的选用已成为滚珠螺杆寿命推算之重要课题。滚珠螺杆寿命之计算以额定动负荷为基准，额定动负荷系指一批相同规格之滚珠螺杆，经过运转一百万次后，90%之滚珠螺杆,其螺纹滚道或滚珠表面不产生疲劳损坏时的轴向负荷。一般滚珠螺杆制造厂商均将额定动负荷标示在产品型录上。通常滚珠螺杆之滚道面上产生微细剥落时便已判定达寿命期限，但射出成形机之射出装置，其位置之精度不像工具机一样那么严格的要求，只要能传动使用便可。依照经验判断，滚珠螺杆不能正常运转时才算是寿命已达终止。射出成形机用滚珠螺杆达寿命期限时，螺杆与螺帽的疲劳损坏情形，疲劳损坏均为钢珠撞击磨损而产生。螺杆轴方面的损伤特别严重，与其相较，螺帽方面的损伤较轻。
: d+ q; i! i4 v% W由于射出成形机射出结构之行程 (Stroke)较短，滚珠螺杆行程短的话其摩擦扭力则增大，对使用之寿命造成影响。因此，在设计射出成形机的驱动结构时，必须考虑滚珠螺杆的受力方向，使滚珠螺杆内每个滚珠受力平均化，增加使用滚珠螺杆之寿命期限。
0 k3 Y2 c7 b) i8 M9 g# W' T另外，润滑油脂之选用也很重要，润滑目的为降低滚珠与螺旋滚道面之间的摩擦阻力，减轻磨损，对于高负荷滚珠螺杆而言，建议选用:
: \8 Y% T; L1 r; d(1) 耐负荷性与耐磨性优异
  W4 d( A5 s" J5 S6 I/ J* [" w(2) 氧化安定性优异(长期使用不会劣化)
' ^/ a6 l7 W6 O(3) 抗腐蚀及防锈
(4) 绝佳的蠕动性高粘度指数
" Z5 S& z) x6 n6 y2 g' n7 Y全电式射出成形机机型大多在300吨以内，随着马达技术的提升及传动机构的改良，如今已有850吨的机型问市。未来在高负荷滚珠螺杆发展技术上，上银科技公司除了在既有技术领域上求进步、将滚珠螺杆的负荷及寿命性能提升、以因应全电式射出机机型吨数的需求开发外，将热传(Heat transfer)设计理念应用在滚珠螺杆上，以因应未来的发展趋势，确保市场的最佳竞争力。
1 l' h+ m. |  a( I2 g$ ?文章关键词： 螺杆、材料