卧式轴端支撑的材料选择

卧式轴端支撑的材料选择不仅影响单一性能指标，更会通过多种作用机制改变传动系统的整体表现。理解这些影响机制对正确选型和优化设计至关重要。
传动精度与材料刚性的关系，卧式轴端支撑的双向传动特性对材料的弹性模量非常敏感。铬钼钢制成的丝杆在10kN轴向载荷下，每100mm长度的弹性变形约4.8μm，而钛合金可达9.1μm。这种差异在需要双向定位的场合尤为关键。THK的测试数据显示，采用SCM420材料的反相双丝杆系统，在2m行程内的定位重复精度可达+3μm，而相同结构的钛合金版本仅为+8μm。材料刚性还影响系统的谐振频率,钢制丝杆的固有频率通常比钛合金高30-40%,有利于抑制高速运行时的振动。抗磨性与材料硬度的非线性关系，正反滚珠丝杆的往复运动使磨损问题更加突出。实验表明，当材料硬度从50HRC提升至60HRC时，磨损量减少约70%。但从60HRC到62HRC仅能再改了10%。这是因为非常高硬度下材料脆性增加，微观剥落反而加剧。博世力士乐采用梯度硬化工艺，使SCM420丝杆表面硬度从62HRC渐变至芯部35HRC,在保持抗磨性的同时避免了脆性断裂。值得注意的是，不锈钢丝杆虽然硬度稍低，但由于含有Cr元素形成的致密氧化膜，在润滑不良条件下的抗磨性反而优于普通钢。
航空级钛合金以其优异的比强度在某些领域得到应用。其密度仅为钢的60%，而抗拉强度可达900MPa以上，特别适台对重量敏感的应用。钛台金丝杆用于卫星天线展开机构,重重减轻45%的同时满足了太空环境的要求。但钛合金的弹性模量较低(约110GPa,比钢低40%)，导致相同载荷下的弹性变形更大，不适用于高精度定位系统。其成本更是高达I具钢的8-10倍。氮化硅和氧化锆，陶瓷代表了丝杆材料，硬度>90HRA,几乎不存在热变形。STAR线性公司的全陶瓷丝杆在800℃环境下仍能正常工作，且耐腐蚀。但陶瓷的脆性限制了其应用范围，仅适合某些工况如高真空、强磁场或恶劣温度环境。其价格通常是工具钢的20-30倍，加工难度也非常大。