高速实心和空心滚珠丝杠螺母的热特性分析

高速实心和空心滚珠丝杠螺母的热特性分析

作为滚珠丝杠机床伺服进给系统的重要组成部分，螺母副摩擦热引起的滚珠丝杠热变形降低了伺服进给系统的定位精度。在机床高速发展的过程中，滚珠丝杠热变形成为其发展的瓶颈。带冷却油的空心滚珠丝杠为解决这一问题提供了一种方法，通过对螺母副摩擦热和热边界条件的理论计算，分析了滚珠丝杠温升与载荷、温升与转速的关系，进而分析了冷却油流量对滚珠丝杠温升的影响。最后，对空心和实心滚珠丝杠的变形进行了对比分析，分析表明，空心滚珠丝杠的温升受负荷和转速的影响较小。增加冷却油的流量增强了螺杆的冷却效果，但有限；空心螺杆有效地减少了螺母副的摩擦热和热变形。

作为滚珠丝杠机床伺服进给系统的主要执行部件，其进给速度直接影响机床的加工效率。然而，提高滚珠丝杠的进给速度会增加滚珠丝杠和螺母产生的摩擦热，当热量传递并积聚在滚珠丝杠上时，会增加滚珠丝杠的热变形，热变形不仅降低了滚珠丝杠的定位精度，还降低了机床的加工精度，从而形成恶性循环。因此，滚珠丝杠的热变形已成为其发展的瓶颈，随着加工技术的发展，细长孔的加工技术逐渐成熟，于是提出了向空心滚珠丝杠中引入冷却油的冷却方法来降低滚珠丝杠的温度。

国外对空心滚珠丝杠的研究较早，实验证明，带冷却油的空心滚珠丝杠比带误差补偿的滚珠丝杠定位精度高。甚至一些生产滚珠丝杠的公司也把空心滚珠丝杠作为新系列进行标准化生产；我国对空心滚珠丝杠的研究起步较晚，采用高速滚珠丝杠整体循环冷却、重点加热区域局部冷却的气液二元冷却方式，抑制高速运转引起的机床热变形引起的传动刚度和加工精度的变化。

滚珠丝杠的预紧力会使螺母副产生摩擦热，螺母副的摩擦热是滚珠丝杠副摩擦热的热源之一。当空心滚珠丝杠和实心滚珠丝杠轴向刚度相等，且空心或实心滚珠丝杠在相同载荷下的变形量相等时，认为在热-结构耦合分析中，空心或实心滚珠丝杠变形量的差异是由温度的不同引起的。

当转速相同时，滚珠丝杠的温度随着轴向载荷的增加而增加，轴向载荷每增加500，实心滚珠丝杠的温度增加5.4，空心滚珠丝杠的温度增加1.5，说明实心滚珠丝杠的温度变化受轴向载荷的影响更大。比较空心和实心滚珠丝杠，之间的温差可以看出，轴向载荷越大，空心滚珠丝杠和实心滚珠，之间的温差越大，这表明空心滚珠丝杠更适合于重载荷。

当轴向载荷相同时，滚珠丝杠的温度随着转速的增加而增加，转速每增加500r/min，固体滚珠丝杠的温度增加2.3，空心滚珠丝杠的温度增加1.3，说明固体滚珠丝杠的转速发生了变化

综上所述，可以看出，空心滚珠丝杠不仅适用于高负荷、高转速(高速进给)的工况，而且对 其温度变化也比较稳定。对于机床来说，不用担心增加轴向载荷使温升过快。

通过对空心和实心滚珠丝杠，传热的对比分析，发现在承受相同轴向力载荷时变形完全相同，空心滚珠丝杠的径向热变形在引入冷却油后减小最为明显。与实心滚珠丝杠，相比，它可以减小热膨胀引起的滚珠丝杠与螺母之间的预紧力，抑制滚珠丝杠温度引起的“温升-热变形增大-预紧力增大-温升”的恶性循环。总的来说，带冷却油的空心滚珠丝杠在高速高负荷时比实心滚珠丝杠好。