滚珠丝杠副是将旋转运动转化为直线运动或者直线运动转化为旋转运动的功能部件,广泛应用于数控机床、航空、航天、核电、机器人等领域。尤其在数控机床行业,滚珠丝杠副的速度、加速度、精度、噪音、温升等指标直接决定了数控机床的相关性能,可以说滚珠丝杠副是数控机床的关键、核心功能部件。滚珠丝杠副的主要零件有丝杠、螺母、循环返向装置、垫片、键以及滚珠。循环返向装置对其速度、噪音影响较大,滚道法向截面参数、预紧方式对产品的载荷、刚度、温升、磨损、反向问隙等有着重要影响。构成滚珠丝杠副的每个零件既有其独特的作用,又会对其他环节产生影响,所有零件组成了一个有机的整体。提高滚珠丝杠副的综合性能需要研究每个环节的特点,同时还要兼顾各零件间的关系。本文围绕滚珠丝杠副性能的提升,对其力学特性和滚珠循环系统进行了综合研究,旨在提高我国滚珠丝杠副产品的性能,缩小与国际先进水平的差距。力学特性方面,首先研究了正传动与逆传动情况下,滚珠的运动受力特点,在此基础上,提出了减小滚珠向螺母侧滑移、提高滚珠丝杠副载荷、减小反向间隙等方法。这些措施有效地减小了滚珠丝杠副的发热,提高了载荷,减小了反向间隙。另外,对滚珠丝杠副循环返向系统进行了研究,分析了各参数对滚珠在循环通道中所受阻力的影响,为返向装置结构的设计提供了理论依据。滚珠循环系统方面,本文对内循环返向器和外循环导珠管进行了深入研究。针对内循环返向器,通过建立新的数学模型,对回珠曲线进行了优化,提高了曲线起点的计算精度,同时,将回珠曲线的曲率半径在传统基础上增大了1～2倍,减小了运行过程中,滚珠对返向器的冲击,提高了内循环滚珠丝杠副的高速性能。针对外循环导珠管,本文在优化传统二维导珠管的基础上提出了三维结构的导珠管,导珠管中心线与滚珠丝杠副螺旋线相切。与传统的二维导珠管相比,三维导珠管消除了滚珠对“舌头”的冲击,降低了产品的噪音,同时还提高了速度和可靠性。滚珠丝杠副的预紧是各零件关系的一种体现,不同的预紧方式对产品的性能影响不同。通过研究,证明了单螺母变位预紧结构可以提高滚珠承载的均匀性,提高载荷;同时还可减小滚珠的差动滑动量,减小磨损,降低温升。最后将综合应用本文结论的滚珠丝杠副进行了性能测试,测试表明多项指标均达到甚至超过了国家科技重大专项对滚珠丝杠副性能的要求。