丝杠是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，其主要功能是将旋转 运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精 度、可逆性和高效率的特点。丝杠最早可以追溯到古代对螺旋形状的研 究，而丝杠在现代工业中实际应用线 世纪初的第一次工业 时期。1841 年，英国人惠特沃斯提出世界上第一份螺纹标准，取名 惠氏螺纹，由此产生了螺纹标准技术体系。传统螺杆存在定位不佳、易 损害的确定，为改善丝杠性能，滚珠丝杠的基本构造在 1874 年在美国 优先申请专利。随着 1917 年螺纹磨床的问世和螺纹磨削技术的进步， 滚珠丝杠副在精度和性能上才有所提高。1940 年美国首先将滚珠丝杠 副用于汽车转向装置上，才使其正式商品化，这是滚珠丝杠在应用上的 巨大，其逐渐取代了传统的艾克姆螺杆（ACME）。

　　丝杠种类众多，滚动丝杠优势明显。按其摩擦特性，丝杠可分为滑动丝 杠、滚动丝杠和静压丝杠三类：

　　1）滑动丝杠：螺纹常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹和三角形 螺纹等，其中梯形螺纹由于工艺性更好（能够用高效率的方法进行加工）， 较三角形等其他种类更为主流。滑动丝杠广泛用于普通级机床的进给传 动、分度机构和一般机械的丝杆传动等。从优缺点看，滑动丝杠结构简 单，加工方便，具备价格成本优势，具备自锁能力，但滑动丝杠摩擦力 较大，传动效率通常较滚动更低，一般为 30-40%，磨损快，定位精度和 轴向刚度较差。

　　滚珠丝杠：主要由螺杆（螺纹轴）、螺母、滚珠、滚珠回流管、预 压片、防尘片等部分组成。滚珠丝杠的工作原理是，当输入旋转运 动或线性运动的力传递到螺纹轴时，滚珠滚动在螺纹轴与螺母 之间的导槽上，由于滚珠的滚动摩擦系数较小，摩擦损失也相对较 小，因此滚珠的转动效率较高，为了防止滚珠从螺母的另一端跑出 来并循环利用滚珠，滚珠在丝杆上滚过数圈后，通过回程引导装置 （例如回流管）又逐个返回到丝杆与螺母之间的滚道，构成一个闭 合的循环回路。通过滚珠的滚动，输入的运动力可以平稳传递到螺 母，从而实现线性或旋转运动。这其中，防尘片是用来防止外部污 染物进入螺母内部。除上述结构外，由于负载需要作高精度的直线 运动，通常滚珠丝杆机构必须与直线导轨或直线轴承等直线导向部 件同时使用。滚珠丝杆机构用于驱动负载前后运动，而直线导向部 件则对负载提供直线导向作用。

　　行星滚柱丝杠：原理类似滚珠丝杠，滚子代替滚珠用作螺母和丝杠 之间的载荷传递元件，滚子通常带有螺纹。结构上看，标准式行星 滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成。 其在主螺纹丝杠周围布置了 6 到 12 个螺纹滚柱丝杠，滚柱螺母内 使用的是小螺纹滚柱与主丝杠相互啮合，这时的螺母结构类似行星 齿轮箱。为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与 螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是 为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转 时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方面会沿着丝杠轴线方向作 直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通 过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着 相同的轴向移动速度。

　　对比应用广泛的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备一定优势。相比于滚珠丝 杠，行星滚柱丝杠具备 ：a） 滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱 同时参与啮合，接触点多，在给定的体积内，比滚珠丝杠拥有更多立足 点，在给定额定载荷下，滚柱丝杠可以更紧凑，因此其在相同直径下较 滚珠丝杠承载能力提高 6 倍、相同负载下节省 1／3 空间、寿命提高 14 倍、工作环境温度范围提高 2 倍；b）与滚珠丝杠传动效率相当，润滑 良好的情况下效率可达 90％；c）滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此 加速、旋转和减速的能力更强；d）采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小；e） 可在恶劣 环境下使用；f）拆卸方便。

　　行星滚柱丝杠种类较多，反向 PRS 可实现电机和 PRS 的融合设计。为 了适应不同的应用环境及安装条件，行星滚柱丝杠（PRS）结构形式也 在不断发展，根据结构组成及运动关系的不同，其可以分为标准式行星 滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚 柱丝杠、轴承环式行星滚柱丝杠。a）标准式：丝杠、螺母为三角形多 头螺纹，丝杠为主动件，螺母为输出构件。它能够实现较大行程，是目 前应用最广泛的类型；b）反向式：工作原理与标准式一样，区别在于 其没有内齿圈，将螺母作为主动件，由丝杠直线输出，滚柱和丝杠之间 没有相对轴向位移，因此，滚柱螺纹和丝杠螺纹长度一致。这种结构的 最大优点是可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，可替 代传统液压、气压伺服作动系统，主要用于中小负载、小行程和高速的 应用场景，缺点是需要加工较长的螺母内螺纹以保证丝杠行程，因此对 螺母的内螺纹加工提出了更高的要求；c）循环式：增加了参与啮合的螺 纹数量，因此具有较高的刚度和较大的承载能力，主要应用于要求高刚 度、高承载、高精度的场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域。其缺 点在于凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题；d）差动式：可以 获得更小的导程，适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合，但在 在重载情况下，容易产生磨损，导致精度丧失，可靠性降低等问题；e） 轴承环式：推力圆柱滚子轴承大大提高了其承载能力，增大了传动效率， 其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。

　　3）静压丝杠：静压丝杠由丝杠和螺母组成，丝杠为外螺纹，螺母为内 螺纹。由于螺母与丝杠之间的摩擦力较大，需要较大的力才能使螺母运 动，为了减小摩擦力，静压丝杠引入了液体静压原理。在静压丝杠中， 液体静压力会均匀作用在螺纹的每一个点上，将外力均匀地传递给螺纹 和丝杠。这样即使在高负载情况下，螺纹和丝杠之间的摩擦力也能得到 有效的减小，从而降低了推动螺母所需的力，并提高了传动效率。静压 丝杠的摩擦力和速度成正比，低速时几乎为零，且静压丝杠极佳的减震 性能完全消除了滚动丝杠具有的振动和噪音。因此，静压丝杠更适合于 需要较高进给推力以及具有频繁振动负载的场合。

　　螺距决定丝杠精度，机床引发的渐进线误差是关键。评价丝杠零件的精 度指标主要有螺距、中径、牙形角以及表面粗糙度等，而其中螺距精度 是最重要的一项指标。丝杠加工精度以螺距误差为主要标准，螺距误差 主要有渐进性误差（累积误差）、周期性误差和偶然误差，其中渐进性 误差将对其定位精度起决定性作用。周期性误差是一个多项谐波误差的 合成，该误差将严重影响其传动精度，而偶然误差是在丝杠加工过程中 由于一些偶然因素引起的误差。此外，按照误差源的变化规律可将丝杠 螺距误差分为静态误差、动态误差和随机误差。静态误差是由机床本身 的几何误差和传动误差造成的；动态误差是机床在运转时产生的误差， 它是随加工工艺系统以及加工条件等变化而变化；随机误差主要包括室温及油温变化，外界振动等干扰因素引起的误差。

　　衡量丝杠产品的精度标准种类繁多，从机加工方式看，磨削精度最高。 丝杠产品精度的专用衡量标准（等级指标）有很多种，包括 ISO 标准（国 际标准化组织发布的标准）、DIN 标准（德国工业标准化委员会制定）、 JIS 标准（日本产业标准化委员会制定，C0-C10）、GB 标准（我国国家 标准制定，P1-P10）等等，其中日韩、中国等一般用 JIS 标准，分 为 C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10 七个等级，数字越小，精度越高， 一般来说，普通机械采用 C7，C10 级，数控设备采用 C5，C3 级甚至更 高，欧洲国家的标准采用的是 IT 公差等级（IT01，IT0， IT1-IT18）， 国内的标准精度等级则分为 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10。从机加工 的加工方式来看，按 IT 标准公差等级评判，磨削是精度最高的加工方式， 其精度可达 IT8~IT5 甚至更高，表面粗糙度一般磨削为 1.25~0.16μm。 此外，车削加工精度较磨削稍逊色，等级一般为 IT8~IT7，表面粗糙度 为 1.6~0.8μm。

　　螺纹磨削：通过使用旋转的砂轮在滚珠丝杠的表面研磨出精细的凸 台，达到高精度的运动效果。螺纹磨削工序有粗磨螺纹、螺纹底沟 磨削和精磨螺纹等，这些工序均在丝杠淬火至硬度达 58～62HRC 后用螺纹磨床磨削。该工艺具有高精度、高性能等特点，但是，基 于螺纹磨削切削用量的限制，并且在磨削过程中要不断地修整砂轮 和校直丝杠，因此工时较长，加工效率较低，需要高技能操作员进 行操作。一般而言，在传统的丝杠加工中，二十余道工序，螺纹磨 削时间占整个工艺流程的 2/3。

　　高速硬车：即以车代磨，通过旋转工件并用刀具切削工件表面来形 成所需的形状，使用设备为车床。由于磨削工艺会产生大量的切削 热，造成滚珠丝杠螺纹滚道部分退火，导致硬度下降，并且大量的 切削热量带来冷却润滑用的切削油的挥发，对环境造成污染，因此， 螺纹滚道硬车削作为一种新型螺纹滚道加工工艺出现，其方案最大 优势是加工效率高，绿色环保，并且避免因切削热引起的丝杠硬度 降低而引起的可靠性差问题的发生。丝杠螺纹滚道车削是连续的成 型切削，其轴向进给量根据螺距的不同而变化，会带来巨大的切削 力，从而要求刀具具备良好的强度、硬度和耐磨性的同时，还应具备良好的韧性。基于此，丝杠滚道硬车削采用立方氮化硼 CBN 或 PCBN 刀具材料。

　　旋风铣削：刀盘带动刀具作高速旋转运动，工件缓慢轴向进入，刀 具径向深入切削，使用设备为旋风铣床。原理上看，工件利用刀盘 上的多把均匀对称的高强度成型铣刀，借助于刀盘旋转轴线与工件 轴线存在的偏心距依次参与切削，且两轴线夹角为螺纹的螺旋角。 旋风铣削加工时，刀盘与工件同向旋转完成顺铣，工件每旋转一周， 刀盘沿着工件轴线移动一个螺纹导程的距离，从而实现整个螺纹滚 道的加工。旋风硬铣削相比于传统切削方式，减少了切削产生的热 量，提高切削速度，提高生产率，降低加工成本，与磨削相比，加 工效率是其 3~5 倍，与传统切削相比，刀具使用寿命提高 70%。

　　滚轧（冷轧）成形：以金属塑性变形理论为基础的丝杠滚轧成形技 术是高效、低耗、宜人化清洁生产的典范。其特点是：材料利用率 高、产品机械强度高（抗拉强度提高 20%～30%，疲劳强度提高 20%～40%，抗剪强度提高 5%）、使用寿命长、丝杠螺纹的尺寸和 导程精度具有较高的同一性、互换性、生产周期短和制造成本低等， 缺点是精度不甚理想。

　　行星滚柱丝杠和滚珠丝杠需要更高的加工精度要求。对于滚珠丝杆而言， 按 JIS 标准，轧制加工方式下，滚珠丝杠能实现的普遍精度是 C7（± 50um/300mm）以上，而磨削加工下的滚珠丝杠的最高精度可以达到 C0 级。而对于行星滚柱丝杠而言，其所要求的螺距误差更小，根据《行星 滚柱丝杠传动精度分析与设计》中所设计的螺纹副误差公差标准看，C3 级别下的误差为 5μm（300mm 螺纹长度内），对比于 THK 的产品，其 冷轧制滚珠丝杠精度在 C7 级别，C3 级别下的误差也较行星滚柱丝杠略 高。对于梯形丝杠而言，THK 滚轧梯形丝杠精度为±0.15mm/300mm， 切削轴梯形丝杠精度为±0.05mm/300mm，较滚珠丝杠和行星滚柱丝杠精度更低。

　　数控机床、机器人和汽车是丝杠主要下游需求。丝杠上游主要包括丝杆、 螺母、滚珠等核心零部件供应，以及钢材为主的原材料。材料端看，丝 杠采用的钢材特性差异大，特种合金调质钢成为高端市场材料端的技术 壁垒。国内标准行星滚柱丝杠采用的是马氏体不锈钢，满足一般强度、 硬度和耐磨性等要求，但是高硬度和抗腐蚀较难满足，国外合金调制钢 为原材料，具备较好的疲劳极限和抗多次冲击能力。下游。