数控机床滚珠丝杠温度对工作影响

滚珠丝杠系统具有传动效率高、定位精度高、使用寿命长等优点而得到广泛应用。由于运动过程中滚珠丝杠与螺母、轴承间的摩擦而产生热量，并且随着转速的提高而导致温度上升，使得其轴向热变形增加，同时由于其处于进给系统传动链的末级，它的传动误差将直接导致加工中心的定位精度下降，为此研究滚珠丝杠系统的热特性，对提高加工中心的加工精度具有重要的意义。

机床在工作中受到摩擦、运动等多种热源的影响，这些热源产生的热量通过各种不同的方式传递给机床，导致机床零部件产生膨胀变形，影响工件与刀具之间的相对位移，使得机床产生误差，造成加工精度的下降。

机床中的热源，一般可分为内部热源和外部热源两大类。内部热源包括以下四个方面：

（１）动力源的发热，例如电动机、油泵等动力源。由于内部摩擦等原因，导致其在运动过程中能量的损耗并转换成热量。通过传动件、压力油、空气等介质，这些热量被传递到机床上形成热源。

（２）运动副的摩擦热，例如轴承副、滚珠丝杠副、齿轮副、导轨副、离合器等。由于运动时摩擦生热，使得这些运动件产生的热量通过润滑油传递到机床上形成热源。

（３）其他零部件的发热，例如活塞副、电气柜、液压操纵箱、各种阀件等。由于频繁启用，这些零部件会有不同程度的发热，通过相关介质传递到机床上形成热源。

（４）切削热。在切削过程中产生的热量，通过热传导，这些热量被分配到刀具、工件和切屑上形成热源。外部热源指环境温度的变化和各种热辐射。环境温度的变化包括取暖装置的启用、阳光的照射、季节的变化等；热辐射包括阳光、照明、人体体温等产生的辐射。这些都会造成机床各部位受热不均匀，从而引起变形。

将空心滚珠丝杠与空气的对流载荷施加在空心滚珠丝杠系统的所有外表面节点上，对流载荷为恒定值；将空心滚珠丝杠与冷却液的对流载荷施加在丝杠中空孔和冷却液入口处的所有内表面节点上，对流载荷也为恒定值；删掉丝杠表面上与螺母及轴承接触处的空气对流载荷，分别将产生的热流密度施加在该位置处，热流密度也为恒定值。然后进行加载求解，得到该空心滚珠丝杠系统的瞬态温度场。

滚珠丝杠系统中整个螺母的温度最高，约为60.8℃，温升为40.8℃；左右轴承的温度次之，约为43℃，温升为23℃；空心滚珠丝杠除去与螺母和轴承接触部分的温度较高，大约30℃，其余部分的温升不超过4℃。

将计算得到的温度场作为热载荷，按照两端固定的支撑方式来施加约束，在滚珠丝杠与前、后轴承接触处施加Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的位移约束，进行热．结构耦合场分析，求得空心滚珠丝杠系统的综合热变形。空心滚珠丝杠系统整体的热变形较大，热变形最大处位于螺母上，使得螺母沿轴向伸长同时沿径向膨胀，最大热变形达到52.3um。滚珠丝杠的热变形较小，由于受到螺母传导的热量的影响，最大变形发生在靠近螺母两端处，大约为12um。为滚珠丝杠系统轴向热变形。滚珠丝杠系统的热变形仍然以轴向变形为主，轴向最大热变形达到50.1um。

在现代高速切削机床中，切削热引起的热变形所占的比例越来越小。其他零部件发热引起的变形与动力源发热及运动副摩擦热引起的变形相比，也同样处于次要地位。所以内部热源中以动力源发热及运动副摩擦热为主。