高速加工中滚珠丝杠进给系统的性能分析

高速加工技术是现代先进制造技术之一，是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。高速加工技术已经逐渐发展成为一门综合性的系统工程技术，并得到了广泛的应用。高速机床的快速发展，进给系统速度的提高是实现高速的主要组成部分之一，虽然人们对直线电机并联虚拟轴机床进行了探索和研究，以实现高速进给，但由于其成本高，技术不完善，还没有被广泛接受。因此，高速滚珠丝杠螺母驱动系统仍然是高速进给驱动系统的主导，因此，开发高速滚珠丝杠螺母副是实现高速切削的关键技术之一。

随着转速的提高，滚珠丝杠的温升和热变形会增大。温升和热变形对定位精度影响很大。根据热学问题的分析方法和相应的正确对策，整理出热学问题的主要原因和相关因素。滚珠丝杠产生的发热量等于摩擦力矩和滚珠丝杠转速的乘积，发热量包含强制冷却，但是，散热之间的平衡决定了温度的上升。

丝杠螺母副在高速旋转下发热问题会更加严重。影响机床传动精度的相关实验表明，丝杠螺母副的发热量主要取决于摩擦力矩和转速。当转速增加时，丝杠螺母副产生的热量无法实时散发，导致温度升高，滚珠丝杠轴变形。

滚珠丝杠螺母副驱动系统的刚度较低，受到系统共振临界速度的限制。滚珠丝杠螺母副组成的振动系统的临界转速与丝杠轴的材料、支承形式、支承距离、丝杠轴的底径等因素有关。提高螺旋轴的速度不是一个简单的问题。

当滚珠的旋转速度加快时，反复的冲击力会削弱滚珠丝杠的滚珠循环系统的结构，往往导致循环系统中的滚珠导轨容易因冲击疲劳而断裂。除了加强滚珠导轨的强度设计，还可以修改循环路径，滚珠丝杠的DN值可以提高70%。此外，在评价高速循环系统的路径和新滚道面的设计时，除了路径曲率的连续性外，还应考虑滚珠高速旋转的离心力效应，并对滚道面形状进行修正。为了减小离心力，可以采用两种方法：减小球的直径；使用轻质球。

高速旋转时，滚珠丝杠螺母副的噪声源主要是滚道表面粗糙度、滚道表面形状、转速、滚珠形状和相互碰撞。这些因素取决于滚珠丝杠螺母副的加工工艺。滚动表面的状态影响滚珠丝杠的振动和噪声。由于循环滚道的不连续部分，会出现类似滚动轴承损坏的噪音和振动(滚珠通过时的振动)。所以滚动面和循环滚道要有高精度的设计和制造技术，也就是高质量的滚珠丝杠。要减少振动力的产生，只有尖端技术才能作为基本解决方案。而且DN值和球大小也是重要因素。加大导程降低转速是降低噪音的方法之一，但是加大导程会影响球数和螺母长度，所以可以通过多线程多转来克服。另外还要考虑滚珠丝杠转动时的共振现象，这与两端的固定方式有关。对于高速运行条件，宜采用固定-固定方式安装。空心轴的设计不仅具有散热的功能，还可以利用轴内的液体来减少震动，同时危险速度提高27%。

高速旋转容易因离心力造成润滑不足，高速进给伴随高加减速也会使螺旋滚道表面润滑油膜变形，造成润滑不均匀。根据测试，当角加速度为1500rad/s2时，滚珠可能由滚动变为滑动，即容易破坏油膜厚度的稳定性，导致润滑不均匀，造成磨损增加，温度升高。转速较高时，润滑油膜不易建立，必须采用特殊的润滑方式。强制循环润滑法可以仿照高速轴承。为了减少摩擦，应使用低粘度油作为润滑油。此时润滑性会下降，需要添加能改善润滑油的添加剂，如消泡剂等。

在高速机床的发展中，要求滚珠丝杠螺母副在一定程度上实现高速进给，以满足高速机床的要求。采取一系列的技术措施也可以克服高速带来的一些缺点。但有些问题仍然难以克服。因此，在开发高速滚珠丝杠螺母副的同时，还应重视其他进给驱动系统的研发，如直线电机进给驱动系统、基于并联结构的高速进给系统等。可根据不同情况选择不同的进给驱动系统。