數(shù)控機床滾珠絲杠溫度對工作影響

滾珠絲杠系統(tǒng)具有傳動效率高、定位精度高、使用壽命長等優(yōu)點而得到廣泛應用。由于運動過程中滾珠絲杠與螺母、軸承間的摩擦而產(chǎn)生熱量，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高而導致溫度上升，使得其軸向熱變形增加，同時由于其處于進給系統(tǒng)傳動鏈的末級，它的傳動誤差將直接導致加工中心的定位精度下降，為此研究滾珠絲杠系統(tǒng)的熱特性，對提高加工中心的加工精度具有重要的意義。

機床在工作中受到摩擦、運動等多種熱源的影響，這些熱源產(chǎn)生的熱量通過各種不同的方式傳遞給機床，導致機床零部件產(chǎn)生膨脹變形，影響工件與刀具之間的相對位移，使得機床產(chǎn)生誤差，造成加工精度的下降。

機床中的熱源，一般可分為內(nèi)部熱源和外部熱源兩大類。內(nèi)部熱源包括以下四個方面：

（１）動力源的發(fā)熱，例如電動機、油泵等動力源。由于內(nèi)部摩擦等原因，導致其在運動過程中能量的損耗并轉(zhuǎn)換成熱量。通過傳動件、壓力油、空氣等介質(zhì)，這些熱量被傳遞到機床上形成熱源。

（２）運動副的摩擦熱，例如軸承副、滾珠絲杠副、齒輪副、導軌副、離合器等。由于運動時摩擦生熱，使得這些運動件產(chǎn)生的熱量通過潤滑油傳遞到機床上形成熱源。

（３）其他零部件的發(fā)熱，例如活塞副、電氣柜、液壓操縱箱、各種閥件等。由于頻繁啟用，這些零部件會有不同程度的發(fā)熱，通過相關介質(zhì)傳遞到機床上形成熱源。

（４）切削熱。在切削過程中產(chǎn)生的熱量，通過熱傳導，這些熱量被分配到刀具、工件和切屑上形成熱源。外部熱源指環(huán)境溫度的變化和各種熱輻射。環(huán)境溫度的變化包括取暖裝置的啟用、陽光的照射、季節(jié)的變化等；熱輻射包括陽光、照明、人體體溫等產(chǎn)生的輻射。這些都會造成機床各部位受熱不均勻，從而引起變形。

將空心滾珠絲杠與空氣的對流載荷施加在空心滾珠絲杠系統(tǒng)的所有外表面節(jié)點上，對流載荷為恒定值；將空心滾珠絲杠與冷卻液的對流載荷施加在絲杠中空孔和冷卻液入口處的所有內(nèi)表面節(jié)點上，對流載荷也為恒定值；刪掉絲杠表面上與螺母及軸承接觸處的空氣對流載荷，分別將產(chǎn)生的熱流密度施加在該位置處，熱流密度也為恒定值。然后進行加載求解，得到該空心滾珠絲杠系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場。

滾珠絲杠系統(tǒng)中整個螺母的溫度最高，約為60.8℃，溫升為40.8℃；左右軸承的溫度次之，約為43℃，溫升為23℃；空心滾珠絲杠除去與螺母和軸承接觸部分的溫度較高，大約30℃，其余部分的溫升不超過4℃。

將計算得到的溫度場作為熱載荷，按照兩端固定的支撐方式來施加約束，在滾珠絲杠與前、后軸承接觸處施加Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的位移約束，進行熱．結(jié)構(gòu)耦合場分析，求得空心滾珠絲杠系統(tǒng)的綜合熱變形。空心滾珠絲杠系統(tǒng)整體的熱變形較大，熱變形最大處位于螺母上，使得螺母沿軸向伸長同時沿徑向膨脹，最大熱變形達到52.3um。滾珠絲杠的熱變形較小，由于受到螺母傳導的熱量的影響，最大變形發(fā)生在靠近螺母兩端處，大約為12um。為滾珠絲杠系統(tǒng)軸向熱變形。滾珠絲杠系統(tǒng)的熱變形仍然以軸向變形為主，軸向最大熱變形達到50.1um。

在現(xiàn)代高速切削機床中，切削熱引起的熱變形所占的比例越來越小。其他零部件發(fā)熱引起的變形與動力源發(fā)熱及運動副摩擦熱引起的變形相比，也同樣處于次要地位。所以內(nèi)部熱源中以動力源發(fā)熱及運動副摩擦熱為主。

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