滚珠丝杠热变形分析对策

 滚珠丝杠是机械设备的关键部件，广泛应用于数控机床、专用设备、自动化生产线等。应用于滚珠丝杠的设备具有高速、高精度和频繁往复运动的特点。滚珠丝杠的摩擦生热和周围热源的影响等诸多因素都会引起其自身的热变形，从而降低设备的精度，从而降低产品的精度。因此，对于滚珠丝杠的热变形，我们必须有对策和预防措施。

 首先要对热源进行隔离，外部热源较多的设备要考虑采用隔离设计，解决外部热源引起的机架变形和滚珠丝杠的热变形问题从源头上。与设备主体结构分离的热源，如加热元件、电机、液压系统、冷却系统、润滑系统和电气装置等，最好与设备主体结构分离，设计为独立单元。对于不能分离的单元，从结构和润滑方面考虑减少发热，采用隔热材料进行隔热。特殊场合需要设计风冷、水冷等强制冷却系统。

 其次，要合理选型，增加滚珠丝杠副的导程，也增加了滚珠丝杠副的螺旋角。在设备运行速度不变的情况下，可以降低螺杆转速，直接减少滚珠丝杠副的发热。根据精度要求，应尽量减少丝杠螺母和支撑轴承的预紧力，以降低摩擦系数。

 有正确的安装方式设计，滚珠丝杠最常用的安装方式有“固定-自由、固定-支撑、固定-固定”3种。机械设计时，通常根据容许轴向载荷和容许转速来选择合理的安装方式。从轴向容许载荷考虑，“固定-自由”的安装方式容许轴向载荷最小，“固定-固定”的安装方式容许轴向载荷最大。从容许转速考虑，“固定-自由”的安装方式容许转速最小，“固定-固定”的安装方式容许转速最大。从丝杠受热变形的角度考虑，“固定-固定”发热量大且对丝杠受热变形吸收小，另外两种安装方式都能自由伸缩吸收掉滚珠丝杠副的热变形。从传动精度的角度考虑，3种安装方式都会随丝杠热变形而降低。

 散热设计，热量会引起滚珠丝杠的温升和热变形，而散热是减少热量影响，减少滚珠丝杠热变形的有效途径措施。散热分为自然冷却和强制冷却。自然冷却适用于轻负载，对速度和精度要求不高，对滚珠丝杠的热变形要求不高。采用自然冷却时，一般采用“无固定”或“固定支撑”的安装方式。强制冷却分为风冷和水冷。风冷散热适用于高速、重载、高精度和对滚珠丝杠热变形要求严格的场合。采用风冷散热时，一般适合采用“固定支撑”和“固定固定”的方式。风冷散热一般通过平行于丝杠安装风刀并在丝杠处吹气来实现。在发热量过大，风冷不能有效散热的极端情况下，可以采用水冷设计。水冷散热是用冷却管通入螺杆的空心孔内，将冷却液泵入冷却管内。液体返回冷却箱冷却，再送回冷却管循环使用。

 全闭环控制设计，与开环控制相比，闭环控制的突出特点是控制系统对被控对象的输出（如螺杆转速、定位精度等和其他控制量）误差会实时反馈给控制系统，修正后输出，形成一个或多个闭环。由于采用精密丝杠和伺服电机组成的半闭环控制系统，无法补偿由丝杠制造误差和热变形误差引起的精度误差。丝杆加磁尺传感器或光栅尺传感器等新型自动化元件，结合电气软件的全闭环控制，用于数控机床、半导体设备、各种高精度生产线等工况，根据对操作误差值的测量反馈。补偿，定位精度可达微米级以上。光栅尺传感器以高精度着称，0~2m范围内的性价比优势明显。如果测量长度超过5m，生产难度大，成本高。磁栅尺传感器以耐水、油、尘等污染和振动着称，远距离可达30m，成本相对较低，2m以上性价比明显。

 合理充分的润滑对于滚珠丝杠副来说，选择合理的润滑剂非常重要。选择合理的润滑剂可以使其产生良好的润滑，有利于降低摩擦系数，减少发热，延长使用寿命。滚珠丝杠润滑通常采用油脂润滑。常用的润滑脂分为锂基润滑脂和尿素基润滑脂两大类。润滑脂一般应满足低摩擦、高油膜强度、高耐磨性、高热稳定性、耐腐蚀、高防锈性和高稳定性。具体选用润滑脂应根据实际工况选择。例如，高速运动部件应使用低扭矩、低发热的润滑脂；真空环境应使用氟基真空润滑脂；洁净室应使用发尘量少的油脂。

 最后对加工装配质量进行严格控制，做好滚珠丝杠的加工装配是减少附加载荷、减少滚珠丝杠发热的有效措施。在科研和生产要素高度全球化和高度发达的今天，科研院所和负责机械设备研发生产的企业在使用时都将滚珠丝杠和丝杠支架作为标准件。优秀的机械设备离不开主设备生产车间的精益制造，一般负责滚珠丝杠的机架及周边零件的加工和滚珠丝杠的组装。

 加工组装过程中应注意以下三点。(1)框架及相关加工精度的控制：主螺丝座安装处平面度的控制符合设计要求，相关零件的公差符合设计要求。（2）丝杠开箱时的成品保护：注意螺母和端螺纹不要碰伤，拆下螺母，手动将螺母从有效螺纹的一端旋转到另一端，感受是否有阻力是否一致，是否有明显弯曲。注意不要将螺母拧出有效螺纹，擦去表面的防锈油，并涂上润滑油。(3)装配误差控制：保证丝杠轴的偏心距、螺母的倾角、轴端径向和轴向跳动符合图纸的设计要求和丝杠装配精度的参考值在滚珠丝杠的装配过程中。

 解决热变形的关键是控制滚珠丝杠的发热和良好的散热设计。需要从设计、选型、装配、润滑和维护等方面综合考虑，以保证其精度。