高速實(shí)心和空心滾珠絲杠螺母的熱特性分析

作為滾珠絲杠機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的重要組成部分，螺母副摩擦熱引起的滾珠絲杠熱變形降低了伺服進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。在機(jī)床高速發(fā)展的過程中，滾珠絲杠熱變形成為其發(fā)展的瓶頸。帶冷卻油的空心滾珠絲杠為解決這一問題提供了一種方法，通過對螺母副摩擦熱和熱邊界條件的理論計(jì)算，分析了滾珠絲杠溫升與載荷、溫升與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)而分析了冷卻油流量對滾珠絲杠溫升的影響。最后，對空心和實(shí)心滾珠絲杠的變形進(jìn)行了對比分析，分析表明，空心滾珠絲杠的溫升受負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響較小。增加冷卻油的流量增強(qiáng)了螺桿的冷卻效果，但有限；空心螺桿有效地減少了螺母副的摩擦熱和熱變形。

作為滾珠絲杠機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件，其進(jìn)給速度直接影響機(jī)床的加工效率。然而，提高滾珠絲杠的進(jìn)給速度會(huì)增加滾珠絲杠和螺母產(chǎn)生的摩擦熱，當(dāng)熱量傳遞并積聚在滾珠絲杠上時(shí)，會(huì)增加滾珠絲杠的熱變形，熱變形不僅降低了滾珠絲杠的定位精度，還降低了機(jī)床的加工精度，從而形成惡性循環(huán)。因此，滾珠絲杠的熱變形已成為其發(fā)展的瓶頸，隨著加工技術(shù)的發(fā)展，細(xì)長孔的加工技術(shù)逐漸成熟，于是提出了向空心滾珠絲杠中引入冷卻油的冷卻方法來降低滾珠絲杠的溫度。

國外對空心滾珠絲杠的研究較早，實(shí)驗(yàn)證明，帶冷卻油的空心滾珠絲杠比帶誤差補(bǔ)償?shù)臐L珠絲杠定位精度高。甚至一些生產(chǎn)滾珠絲杠的公司也把空心滾珠絲杠作為新系列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)；我國對空心滾珠絲杠的研究起步較晚，采用高速滾珠絲杠整體循環(huán)冷卻、重點(diǎn)加熱區(qū)域局部冷卻的氣液二元冷卻方式，抑制高速運(yùn)轉(zhuǎn)引起的機(jī)床熱變形引起的傳動(dòng)剛度和加工精度的變化。

滾珠絲杠的預(yù)緊力會(huì)使螺母副產(chǎn)生摩擦熱，螺母副的摩擦熱是滾珠絲杠副摩擦熱的熱源之一。當(dāng)空心滾珠絲杠和實(shí)心滾珠絲杠軸向剛度相等，且空心或?qū)嵭臐L珠絲杠在相同載荷下的變形量相等時(shí)，認(rèn)為在熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中，空心或?qū)嵭臐L珠絲杠變形量的差異是由溫度的不同引起的。

當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，滾珠絲杠的溫度隨著軸向載荷的增加而增加，軸向載荷每增加500，實(shí)心滾珠絲杠的溫度增加5.4，空心滾珠絲杠的溫度增加1.5，說明實(shí)心滾珠絲杠的溫度變化受軸向載荷的影響更大。比較空心和實(shí)心滾珠絲杠，之間的溫差可以看出，軸向載荷越大，空心滾珠絲杠和實(shí)心滾珠，之間的溫差越大，這表明空心滾珠絲杠更適合于重載荷。

當(dāng)軸向載荷相同時(shí)，滾珠絲杠的溫度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速每增加500r/min，固體滾珠絲杠的溫度增加2.3，空心滾珠絲杠的溫度增加1.3，說明固體滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化

綜上所述，可以看出，空心滾珠絲杠不僅適用于高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速(高速進(jìn)給)的工況，而且對 其溫度變化也比較穩(wěn)定。對于機(jī)床來說，不用擔(dān)心增加軸向載荷使溫升過快。

通過對空心和實(shí)心滾珠絲杠，傳熱的對比分析，發(fā)現(xiàn)在承受相同軸向力載荷時(shí)變形完全相同，空心滾珠絲杠的徑向熱變形在引入冷卻油后減小最為明顯。與實(shí)心滾珠絲杠，相比，它可以減小熱膨脹引起的滾珠絲杠與螺母之間的預(yù)緊力，抑制滾珠絲杠溫度引起的“溫升-熱變形增大-預(yù)緊力增大-溫升”的惡性循環(huán)?？偟膩碚f，帶冷卻油的空心滾珠絲杠在高速高負(fù)荷時(shí)比實(shí)心滾珠絲杠好。

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