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(guò)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(wèn)題提供了一種方法，通過(guò)對(duì)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(duì)滾珠絲杠溫升的影響。最后，對(duì)空心和實(shí)心滾珠絲杠的變形進(jìn)行了對(duì)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(zhǎng)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(lái)降低滾珠絲杠的溫度。

國(guó)外對(duì)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(guó)對(duì)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(shuō)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(shuō)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(duì) 其溫度變化也比較穩(wěn)定。對(duì)于機(jī)床來(lái)說(shuō)，不用擔(dān)心增加軸向載荷使溫升過(guò)快。

通過(guò)對(duì)空心和實(shí)心滾珠絲杠，傳熱的對(duì)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)。總的來(lái)說(shuō)，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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