高速加工中滾珠絲杠進給系統(tǒng)的性能分析

高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進制造技術(shù)之一，是市場經(jīng)濟全球化和各種先進技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。高速加工技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門綜合性的系統(tǒng)工程技術(shù)，并得到了廣泛的應(yīng)用。高速機床的快速發(fā)展，進給系統(tǒng)速度的提高是實現(xiàn)高速的主要組成部分之一，雖然人們對直線電機并聯(lián)虛擬軸機床進行了探索和研究，以實現(xiàn)高速進給，但由于其成本高，技術(shù)不完善，還沒有被廣泛接受。因此，高速滾珠絲杠螺母驅(qū)動系統(tǒng)仍然是高速進給驅(qū)動系統(tǒng)的主導(dǎo)，因此，開發(fā)高速滾珠絲杠螺母副是實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著轉(zhuǎn)速的提高，滾珠絲杠的溫升和熱變形會增大。溫升和熱變形對定位精度影響很大。根據(jù)熱學(xué)問題的分析方法和相應(yīng)的正確對策，整理出熱學(xué)問題的主要原因和相關(guān)因素。滾珠絲杠產(chǎn)生的發(fā)熱量等于摩擦力矩和滾珠絲杠轉(zhuǎn)速的乘積，發(fā)熱量包含強制冷卻，但是，散熱之間的平衡決定了溫度的上升。

絲杠螺母副在高速旋轉(zhuǎn)下發(fā)熱問題會更加嚴重。影響機床傳動精度的相關(guān)實驗表明，絲杠螺母副的發(fā)熱量主要取決于摩擦力矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，絲杠螺母副產(chǎn)生的熱量無法實時散發(fā)，導(dǎo)致溫度升高，滾珠絲杠軸變形。

滾珠絲杠螺母副驅(qū)動系統(tǒng)的剛度較低，受到系統(tǒng)共振臨界速度的限制。滾珠絲杠螺母副組成的振動系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與絲杠軸的材料、支承形式、支承距離、絲杠軸的底徑等因素有關(guān)。提高螺旋軸的速度不是一個簡單的問題。

當(dāng)滾珠的旋轉(zhuǎn)速度加快時，反復(fù)的沖擊力會削弱滾珠絲杠的滾珠循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，往往導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)中的滾珠導(dǎo)軌容易因沖擊疲勞而斷裂。除了加強滾珠導(dǎo)軌的強度設(shè)計，還可以修改循環(huán)路徑，滾珠絲杠的DN值可以提高70%。此外，在評價高速循環(huán)系統(tǒng)的路徑和新滾道面的設(shè)計時，除了路徑曲率的連續(xù)性外，還應(yīng)考慮滾珠高速旋轉(zhuǎn)的離心力效應(yīng)，并對滾道面形狀進行修正。為了減小離心力，可以采用兩種方法：減小球的直徑；使用輕質(zhì)球。

高速旋轉(zhuǎn)時，滾珠絲杠螺母副的噪聲源主要是滾道表面粗糙度、滾道表面形狀、轉(zhuǎn)速、滾珠形狀和相互碰撞。這些因素取決于滾珠絲杠螺母副的加工工藝。滾動表面的狀態(tài)影響滾珠絲杠的振動和噪聲。由于循環(huán)滾道的不連續(xù)部分，會出現(xiàn)類似滾動軸承損壞的噪音和振動(滾珠通過時的振動)。所以滾動面和循環(huán)滾道要有高精度的設(shè)計和制造技術(shù)，也就是高質(zhì)量的滾珠絲杠。要減少振動力的產(chǎn)生，只有尖端技術(shù)才能作為基本解決方案。而且DN值和球大小也是重要因素。加大導(dǎo)程降低轉(zhuǎn)速是降低噪音的方法之一，但是加大導(dǎo)程會影響球數(shù)和螺母長度，所以可以通過多線程多轉(zhuǎn)來克服。另外還要考慮滾珠絲杠轉(zhuǎn)動時的共振現(xiàn)象，這與兩端的固定方式有關(guān)。對于高速運行條件，宜采用固定-固定方式安裝。空心軸的設(shè)計不僅具有散熱的功能，還可以利用軸內(nèi)的液體來減少震動，同時危險速度提高27%。

高速旋轉(zhuǎn)容易因離心力造成潤滑不足，高速進給伴隨高加減速也會使螺旋滾道表面潤滑油膜變形，造成潤滑不均勻。根據(jù)測試，當(dāng)角加速度為1500rad/s2時，滾珠可能由滾動變?yōu)榛瑒?，即容易破壞油膜厚度的穩(wěn)定性，導(dǎo)致潤滑不均勻，造成磨損增加，溫度升高。轉(zhuǎn)速較高時，潤滑油膜不易建立，必須采用特殊的潤滑方式。強制循環(huán)潤滑法可以仿照高速軸承。為了減少摩擦，應(yīng)使用低粘度油作為潤滑油。此時潤滑性會下降，需要添加能改善潤滑油的添加劑，如消泡劑等。

在高速機床的發(fā)展中，要求滾珠絲杠螺母副在一定程度上實現(xiàn)高速進給，以滿足高速機床的要求。采取一系列的技術(shù)措施也可以克服高速帶來的一些缺點。但有些問題仍然難以克服。因此，在開發(fā)高速滾珠絲杠螺母副的同時，還應(yīng)重視其他進給驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)，如直線電機進給驅(qū)動系統(tǒng)、基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進給系統(tǒng)等。可根據(jù)不同情況選擇不同的進給驅(qū)動系統(tǒng)。