滾珠絲杠熱變形分析對策

 滾珠絲杠是機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、專用設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線等。應(yīng)用于滾珠絲杠的設(shè)備具有高速、高精度和頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。滾珠絲杠的摩擦生熱和周圍熱源的影響等諸多因素都會(huì)引起其自身的熱變形，從而降低設(shè)備的精度，從而降低產(chǎn)品的精度。因此，對于滾珠絲杠的熱變形，我們必須有對策和預(yù)防措施。

 首先要對熱源進(jìn)行隔離，外部熱源較多的設(shè)備要考慮采用隔離設(shè)計(jì)，解決外部熱源引起的機(jī)架變形和滾珠絲杠的熱變形問題從源頭上。與設(shè)備主體結(jié)構(gòu)分離的熱源，如加熱元件、電機(jī)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和電氣裝置等，最好與設(shè)備主體結(jié)構(gòu)分離，設(shè)計(jì)為獨(dú)立單元。對于不能分離的單元，從結(jié)構(gòu)和潤滑方面考慮減少發(fā)熱，采用隔熱材料進(jìn)行隔熱。特殊場合需要設(shè)計(jì)風(fēng)冷、水冷等強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)。

 其次，要合理選型，增加滾珠絲杠副的導(dǎo)程，也增加了滾珠絲杠副的螺旋角。在設(shè)備運(yùn)行速度不變的情況下，可以降低螺桿轉(zhuǎn)速，直接減少滾珠絲杠副的發(fā)熱。根據(jù)精度要求，應(yīng)盡量減少絲杠螺母和支撐軸承的預(yù)緊力，以降低摩擦系數(shù)。

 有正確的安裝方式設(shè)計(jì)，滾珠絲杠最常用的安裝方式有“固定-自由、固定-支撐、固定-固定”3種。機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)容許軸向載荷和容許轉(zhuǎn)速來選擇合理的安裝方式。從軸向容許載荷考慮，“固定-自由”的安裝方式容許軸向載荷最小，“固定-固定”的安裝方式容許軸向載荷最大。從容許轉(zhuǎn)速考慮，“固定-自由”的安裝方式容許轉(zhuǎn)速最小，“固定-固定”的安裝方式容許轉(zhuǎn)速最大。從絲杠受熱變形的角度考慮，“固定-固定”發(fā)熱量大且對絲杠受熱變形吸收小，另外兩種安裝方式都能自由伸縮吸收掉滾珠絲杠副的熱變形。從傳動(dòng)精度的角度考慮，3種安裝方式都會(huì)隨絲杠熱變形而降低。

 散熱設(shè)計(jì)，熱量會(huì)引起滾珠絲杠的溫升和熱變形，而散熱是減少熱量影響，減少滾珠絲杠熱變形的有效途徑措施。散熱分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。自然冷卻適用于輕負(fù)載，對速度和精度要求不高，對滾珠絲杠的熱變形要求不高。采用自然冷卻時(shí)，一般采用“無固定”或“固定支撐”的安裝方式。強(qiáng)制冷卻分為風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷散熱適用于高速、重載、高精度和對滾珠絲杠熱變形要求嚴(yán)格的場合。采用風(fēng)冷散熱時(shí)，一般適合采用“固定支撐”和“固定固定”的方式。風(fēng)冷散熱一般通過平行于絲杠安裝風(fēng)刀并在絲杠處吹氣來實(shí)現(xiàn)。在發(fā)熱量過大，風(fēng)冷不能有效散熱的極端情況下，可以采用水冷設(shè)計(jì)。水冷散熱是用冷卻管通入螺桿的空心孔內(nèi)，將冷卻液泵入冷卻管內(nèi)。液體返回冷卻箱冷卻，再送回冷卻管循環(huán)使用。

 全閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制的突出特點(diǎn)是控制系統(tǒng)對被控對象的輸出（如螺桿轉(zhuǎn)速、定位精度等和其他控制量）誤差會(huì)實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，修正后輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。由于采用精密絲杠和伺服電機(jī)組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，無法補(bǔ)償由絲杠制造誤差和熱變形誤差引起的精度誤差。絲桿加磁尺傳感器或光柵尺傳感器等新型自動(dòng)化元件，結(jié)合電氣軟件的全閉環(huán)控制，用于數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體設(shè)備、各種高精度生產(chǎn)線等工況，根據(jù)對操作誤差值的測量反饋。補(bǔ)償，定位精度可達(dá)微米級(jí)以上。光柵尺傳感器以高精度著稱，0~2m范圍內(nèi)的性價(jià)比優(yōu)勢明顯。如果測量長度超過5m，生產(chǎn)難度大，成本高。磁柵尺傳感器以耐水、油、塵等污染和振動(dòng)著稱，遠(yuǎn)距離可達(dá)30m，成本相對較低，2m以上性價(jià)比明顯。

 合理充分的潤滑對于滾珠絲杠副來說，選擇合理的潤滑劑非常重要。選擇合理的潤滑劑可以使其產(chǎn)生良好的潤滑，有利于降低摩擦系數(shù)，減少發(fā)熱，延長使用壽命。滾珠絲杠潤滑通常采用油脂潤滑。常用的潤滑脂分為鋰基潤滑脂和尿素基潤滑脂兩大類。潤滑脂一般應(yīng)滿足低摩擦、高油膜強(qiáng)度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、高防銹性和高穩(wěn)定性。具體選用潤滑脂應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況選擇。例如，高速運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)使用低扭矩、低發(fā)熱的潤滑脂；真空環(huán)境應(yīng)使用氟基真空潤滑脂；潔凈室應(yīng)使用發(fā)塵量少的油脂。

 最后對加工裝配質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，做好滾珠絲杠的加工裝配是減少附加載荷、減少滾珠絲杠發(fā)熱的有效措施。在科研和生產(chǎn)要素高度全球化和高度發(fā)達(dá)的今天，科研院所和負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)在使用時(shí)都將滾珠絲杠和絲杠支架作為標(biāo)準(zhǔn)件。優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)備離不開主設(shè)備生產(chǎn)車間的精益制造，一般負(fù)責(zé)滾珠絲杠的機(jī)架及周邊零件的加工和滾珠絲杠的組裝。

 加工組裝過程中應(yīng)注意以下三點(diǎn)。(1)框架及相關(guān)加工精度的控制：主螺絲座安裝處平面度的控制符合設(shè)計(jì)要求，相關(guān)零件的公差符合設(shè)計(jì)要求。（2）絲杠開箱時(shí)的成品保護(hù)：注意螺母和端螺紋不要碰傷，拆下螺母，手動(dòng)將螺母從有效螺紋的一端旋轉(zhuǎn)到另一端，感受是否有阻力是否一致，是否有明顯彎曲。注意不要將螺母擰出有效螺紋，擦去表面的防銹油，并涂上潤滑油。(3)裝配誤差控制：保證絲杠軸的偏心距、螺母的傾角、軸端徑向和軸向跳動(dòng)符合圖紙的設(shè)計(jì)要求和絲杠裝配精度的參考值在滾珠絲杠的裝配過程中。

 解決熱變形的關(guān)鍵是控制滾珠絲杠的發(fā)熱和良好的散熱設(shè)計(jì)。需要從設(shè)計(jì)、選型、裝配、潤滑和維護(hù)等方面綜合考慮，以保證其精度。