大型機(jī)床滾珠絲杠副溫升與降溫研究.docxVIP

1、2021年9月第49卷第18期機(jī)床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSDOI:10.3969/jissn1001-3881202118012本文引用格式：李帥，羅韜.大型機(jī)床滾珠絲杠副溫升與降溫研究J.機(jī)床與液壓.2021,49(18):62-66LIShuai,LUOTaoStudyontemperatureriseandtemperaturedropofballscrewpairoflargemachinetoolJMa-chineTool&Hydraulics,2021,49(18):62-66大型機(jī)床滾珠絲杠副溫升與降溫研究李帥，羅韜(廣西科技師范學(xué)院職業(yè)

2、技術(shù)教育學(xué)院，廣西來賓546199)摘要：針對(duì)滾珠絲杠副溫升問題，分析絲杠溫升主要來源，建立熱力學(xué)理論模型。以某加工中心進(jìn)給用滾珠絲杠副為研究對(duì)象，分析幺幺杠螺母副溫升變化情況以及導(dǎo)致變化的原因。滾珠絲杠副在加工中心強(qiáng)切削的工況下，絲杠因熱膨脹所引的軸向起位移約為18”m。設(shè)計(jì)螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)絲杠，通過有限元分析比較絲杠空心式與螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的降溫效果。結(jié)果表明：絲杠表面溫度不是越低越好，而是越均勻越好；螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)比空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)徑向溫度分布更均衡，整體降溫效果更加明顯。關(guān)鍵詞：滾珠稅杠副；內(nèi)冷結(jié)構(gòu)；溫升中圖分類號(hào)：TH132StudyonTemperatureRiseandTemperat

3、ureDropofBallScrewPairofLargeMachineTooLIShuai,LUOTao(SchoolofProfessionalTechnologyandEducation,GuangxiScience&TechnologyNormalUniversity,LaibinGuangxi546199,China)AbitracI:Aimingatthetemperatureriseofballscrewpair,themainsourcesofthetemperatureriseofballscrewwereanalyzed,andthethermodynamicthe

4、oreticalmodelwasestablishedTakingtheballscrewpairusedforfeedinamachiningcenterastheresearchobject,thetemperatureriseofscrewnutsetandthereasonsleadingtothechangewereanalyzedTheaxialdisplacementoftheballscrewcausedbythermalexpansionwasabout18"m,whenthemachiningcenterwasinstrongcuttingconditionThe

5、spiralinternalcoolingstructurescrewwasdesigned,andthecoolingeffectsofhollowandspiralinternalcoolingstructurewerecomparedthroughfiniteelementanalysisTheresultsshowthattheleadscrewsurfacetemperatureisnotthelowerthebetter,butthemoreuniformthebetter;theradialtemperaturedistributionofspiralinternalcoolin

6、gstructureismorebalancedthanthatofhollowinternalcoolingstructure,andtheoverallcoolingeffectismoreobviousKeywords:Ballscrewpair;Internalcoolingstructure;Temperaturerise收稿日期：2020-06-15基金項(xiàng)日：廣西科技師范學(xué)院青年科研項(xiàng)日資助(GXKS2020QN028);廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)日(2020KY23021)作者簡(jiǎn)介：李帥(1988),男，碩士，主要研究方向?yàn)榫芘c超精密加工。E-mail:1415480

7、774qqcom。0前言為響應(yīng)國家提出的“中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)機(jī)床高效率生產(chǎn)、高精度加工，滾珠絲杠副作為高速驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給部件，其傳動(dòng)精度就顯得尤為重要。滾珠絲杠副傳動(dòng)效率高達(dá)90%98%，不僅有利于主機(jī)的小型化，而且具備摩擦力矩小、工作壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動(dòng)可逆、不能自鎖等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造等領(lǐng)域。然而，機(jī)床在長(zhǎng)時(shí)間加工過程中，滾珠絲杠副溫度會(huì)逐漸升高，從而產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，引起軸向位移變化。這樣的位移變化會(huì)經(jīng)工作臺(tái)反映到工件的加工位置上，從而影響工件的加工精度。因此，研究滾珠絲杠副的溫升問題很有必要。1絲杠溫升的原因如圖1所示，滾珠絲杠副的溫升由螺母與

8、滾珠、滾珠與滾珠、滾珠與絲杠發(fā)生持續(xù)滾動(dòng)摩擦引起。摩擦產(chǎn)生的熱源小部分與空氣進(jìn)行熱交換，其余部分持續(xù)導(dǎo)入絲杠與螺母內(nèi)部，使其溫度升高。滾珠絲杠副摩擦力大小主要與自身承受的載荷大小有密切關(guān)系。絲杠所承受的載荷越大，產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩越大，產(chǎn)熱量就越多，溫升就越高，反之則越低。其次，絲杠溫升與螺母溫升有關(guān)。與絲杠相比，螺母比熱容小、體積小、溫升快，從而造成了絲杠與螺母之間存在溫度差，螺母將高溫平衡給絲杠，導(dǎo)致絲杠溫度升高。絲杠溫升也與兩端軸承溫升有關(guān)。兩端軸承預(yù)緊力越大，則溫升越高，兩端軸承將高溫平衡給了絲杠。除此之外,絲杠溫升還與機(jī)床系統(tǒng)傳熱因素，如電機(jī)發(fā)熱、導(dǎo)軌摩擦生熱等；環(huán)境對(duì)流熱因素，如天氣變

9、化、通風(fēng)情況、風(fēng)扇風(fēng)量等；熱輻射因素，如陽光照杠溫升也與兩端軸承溫升有關(guān)。兩端軸承預(yù)緊力越大，則溫升越高，兩端軸承將高溫平衡給了絲杠。除此之外,絲杠溫升還與機(jī)床系統(tǒng)傳熱因素，如電機(jī)發(fā)熱、導(dǎo)軌摩擦生熱等；環(huán)境對(duì)流熱因素，如天氣變化、通風(fēng)情況、風(fēng)扇風(fēng)量等；熱輻射因素，如陽光照射、燈光照明、供暖設(shè)施等有關(guān)。絲杠熱源主要來源如圖2所示。液珠蝶母絲杠圖1滾珠絲桿示意克服摩擦轉(zhuǎn)矩產(chǎn)熱式中：已為軸向載荷，N;Ph為滾珠絲杠導(dǎo)程，m。T,為無軸向載荷時(shí)，驅(qū)動(dòng)預(yù)緊滾珠絲杠的阻力矩，其表達(dá)式如下：FPT=-(1-q2)r2ir|I式中：Fp為滾珠絲杠副的預(yù)緊力，No根據(jù)天日和仁研究的理論，滾珠絲杠副溫升表達(dá)式0=

10、c8(1Qe-6/(Cu)t)(6)絲杠溫升主要來源一螺母產(chǎn)熱兩端軸承產(chǎn)熱其他環(huán)境因素式中：6為單位時(shí)間內(nèi)單位溫差的放熱量，kJ/(h-K);Cm為比熱容，kJJ(kg-K);【為時(shí)間，h022受熱變形模型滾珠絲桿副在載荷或其他因素，如溫度變化、軸承座位移、材質(zhì)收縮的作用下會(huì)發(fā)生位移和變形。為了保證滾珠絲杠副的剛度要求、結(jié)構(gòu)尺寸、安裝精度，必須了解絲杠的位移情況。實(shí)心絲杠因受熱而發(fā)生軸向變形，其表達(dá)式如下：8AL皿4-52統(tǒng)杠熱力學(xué)模型建立21髀薰睡著費(fèi)備備母滾道內(nèi)持續(xù)地滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生了較高的摩擦熱，如果熱量不能及時(shí)散出，就會(huì)導(dǎo)AL=空心絲杠因受熱而發(fā)生軸向變形，其表達(dá)式如下：旦L城At(f)r

11、dr(7)4-5材料受熱膨服，導(dǎo)致凡何形絲杠與螺母配合時(shí)，由于滾珠與滾道摩擦生熱，同時(shí)螺母又阻礙了熱量散發(fā)，導(dǎo)致了螺母內(nèi)部的絲杠部分軸段溫升加劇。而螺母外部絲杠由于自身的螺紋形狀具有散熱片的功能，會(huì)加快散熱。因此，造成了螺母內(nèi)部絲杠部分的溫升比螺母外部絲杠溫升高。根據(jù)TENJITUS提出的理論，滾珠幺幺杠副發(fā)熱量與自身轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)矩成正比。產(chǎn)熱量表達(dá)式如下：Q=012nT(1)式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)熱量，kJ/h;012為合金鋼的比熱容系數(shù)，單位為kJJ(kg-K)；n為絲杠的轉(zhuǎn)速，r/min;T。為滾珠稅杠副的總摩擦轉(zhuǎn)矩，N-m?？偰Σ赁D(zhuǎn)矩T。由摩擦力矩L和阻力矩T,組成,表達(dá)式如下：To

12、=L+T,其中，摩擦力矩E表達(dá)式如下:Tf=Ta(1-q)式中：效率n=095;產(chǎn)生的軸向負(fù)載扭矩式中：效率n=095;產(chǎn)生的軸向負(fù)載扭矩L是用來克服摩擦力和切削力(N-m),表達(dá)式如下：(4)(8)mmoALh=d：-dL/!(f)fdr其中：入為絲杠膨脹系數(shù)，為13花/乏；L為絲杠長(zhǎng)度，mm;Ai為距離絲杠軸心處的溫度變化量,°C;為絲杠半徑，mm;由為絲杠中空部分直徑，mm;d°為絲杠外徑，3實(shí)例分析31滾珠絲杠副參數(shù)確定如圖3所示，以山東某公司加工中心進(jìn)給用外循環(huán)插管凸出式系列大型重載ZCT型滾珠絲杠副為例，其支承軸承型號(hào)為760306DF,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

13、工作臺(tái)重力W|=5000N,待加工工件與夾具總重力W2=3000N,滾珠絲杠副摩擦因數(shù)H=01,工作參數(shù)如表2所示。參數(shù)參數(shù)值絲杠軸徑/mm125絲杠導(dǎo)程/mm24基本額定動(dòng)載荷C./N24815基本額定靜載荷Coa/N66300絲杠支撐軸間距/mm1320絲杠平均轉(zhuǎn)速/（r-min'1）230工作時(shí)間/h24表1滾珠絲杠副主要技術(shù)參數(shù)底2加工中心主要技術(shù)參數(shù)切削方式軸向切削力FxJN徑向切削力f,N工作時(shí)間占比/%絲杠轉(zhuǎn)速nt/(r-min1)軸向載荷"N強(qiáng)切削2000120010602920普通切削100050030801850精切削500200501001320快速進(jìn)給

14、00101500800°0510152()25時(shí)間/h圖4絲杠、螺母溫升變化曲線矩，也就是滾珠分別與絲杠、螺母以及相鄰滾珠發(fā)生圖5滾珠絲杠副模型縮短了滾珠使用壽命。圖6滾珠與絲杠螺件摩擦生熱情況截面圖圖7滾珠與絲杠螺母摩擦生熱原理32結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可知：絲杠與螺母溫升趨于平穩(wěn)狀態(tài)后，溫度將不再上升。根據(jù)式（6）可知，滾珠絲杠副溫升趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所用的時(shí)間與自身放熱量成反比關(guān)系。絲杠螺母副趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，所用的時(shí)間越多，放熱量越少，反之放熱量越多。當(dāng)絲.杠與螺母的溫升趨于平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，溫升值分別為71、117°C,螺母溫升比絲杠溫升高。此外，由于螺母實(shí)時(shí)處于循環(huán)工

15、作狀態(tài)，因此與絲杠相比，其溫升值高。一方面，絲杠比12|7熱容大、體積大，在單位'；/7也:時(shí)間單位溫差內(nèi)所釋放的6（廠熱量大，因此溫升較??；現(xiàn)/螺母溫升另一方面，絲杠具備很多螺紋，這些螺紋具備散熱片的功能，可以為絲杠本身散熱，因此與螺母相比，絲杠溫升較低。建立滾珠絲杠副模型如圖5所示。圖6所示為滾珠絲杠副在承受工作臺(tái)、工件以及夾具共8000N載荷，并且自身平均轉(zhuǎn)速為230r/min、平均軸向載荷為17225N的工況下的摩擦生熱分析結(jié)果。在滾珠接觸面與法線呈±45°的方向上，溫升比較明顯。這是因?yàn)榧庸すぜ墓に嚶肪€是從右向左進(jìn)行的，工件所受的軸向切削力經(jīng)工作臺(tái)傳遞給

16、螺母法蘭，螺母法蘭受到自右向左的軸向載荷所導(dǎo)致的。另外，如圖7所示，滾珠絲杠螺紋槽最低處與最高處并未與滾珠直接接觸，這是因?yàn)椴鄣住⒉垌敳课豢梢源娣乓恍?rùn)滑油以及滾珠表面污垢，所以絲杠螺紋槽底、槽頂溫升相對(duì)較低。滾珠絲杠副熱源主要來自克服自身摩擦轉(zhuǎn)的滾動(dòng)摩擦。一方面，絲杠螺紋表面局部溫度過高，會(huì)影響傳動(dòng)精度；另一方面，過量的軸向載荷會(huì)將滾珠表面壓潰，加快滾珠表面金相組織發(fā)生相變，引起局部氧化脫碳，造成滾珠磨損，使?jié)L珠絲杠副噪聲增大，也滾珠絲杠副受熱不均發(fā)生位移，如圖8所示，可知此時(shí)工作臺(tái)的位移量約為18Rm,這會(huì)直接反映到工作臺(tái)上的工件加工位置。導(dǎo)致區(qū)域I與區(qū)域II位移量不同的原因有2個(gè)：（1）

17、銖刀的走刀路線是從右向左開始的，由于作用力的影響，工件受X軸正向切削力并傳給工作臺(tái)，工作臺(tái)將軸向力傳給螺母，螺母將軸向力傳給滾珠，滾珠將軸向力傳給絲杠，絲杠右側(cè)區(qū)域I所受的軸向載荷大于左側(cè)區(qū)域II,所以導(dǎo)致絲杠右邊的位移量比左邊位移量大；（2）如圖9所示，螺母左邊設(shè)有法蘭結(jié)構(gòu)，法蘭結(jié)構(gòu)是螺母承受軸向載荷的主要部分，而右邊沒有法蘭結(jié)構(gòu)，所以螺母左端面受力面積大于右端面受力面積，因此螺母左端面部分絲杠軸心受力小于右端面部分絲杠軸心受力，從而導(dǎo)致了螺母右邊絲杠變形量大于螺母左邊絲杠變形量。母左端面受力面積大于右端面受力面積，因此螺母左端面部分絲杠軸心受力小于右端面部分絲杠軸心受力，從而導(dǎo)致了螺母右邊

18、絲杠變形量大于螺母左邊絲杠變形量。圖8滾珠絲杠副受熱不均發(fā)生的位移導(dǎo)管并未與絲杠接觸，只有回程時(shí)才開始與絲杠接觸，所以停留在絲杠內(nèi)的時(shí)間較短，不能充分帶走絲杠熱量,冷卻液利用不充分；（3）絲杠徑向溫度分布不均勻，容易造成熱脹冷縮；（4）給絲杠冷卻需要另外設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻液導(dǎo)管，這樣還需要考慮導(dǎo)管自身的支撐問題，比較麻煩。溫度re31.66428.54425.42422.30419.18416.06412.9449.824066.704073.584080.464096-2.65589圖11絲杠與滾珠摩擦生熱截面溫度42螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)如圖12所示。冷卻液從入口進(jìn)卜一軸向載荷圖9螺母法蘭

19、部分受軸向載荷示意入，經(jīng)由內(nèi)流道到達(dá)冷卻液緩沖區(qū)，然后分別進(jìn)入A、B、C、D入口，經(jīng)由A、B、C、D流道在絲杠內(nèi)做螺旋運(yùn)動(dòng)流回，最后從A、B、C、D出口流出。圖12中同時(shí)給出了A流道流走路線，流道B、C、D流走原理與A相同。A入口與軸承配合處4絲杠降溫對(duì)策41空心內(nèi)冷結(jié)構(gòu)給絲杠強(qiáng)制降溫一般是將絲杠設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，然后通入冷卻液使其溫度降低。如圖10所示，冷卻液從入口進(jìn)入，經(jīng)冷卻液導(dǎo)管流至絲杠另-端，然后反向流回絲杠中空管道，最后從出口流出。冷卻液一來一回冷卻液緩沖室BX口C入出口呻口與軸承內(nèi)流道出口P罪D出口_Jl/?iunih/1fill<utu!QOOI_>flAjAtAj/T

20、/A1!IVAVAVVMaAtAlAI)c出口D入口圖10絲杠空心式內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)然而，這種空心式內(nèi)冷降溫結(jié)構(gòu)有4個(gè)缺點(diǎn):（1）絲杠主要發(fā)熱區(qū)域集中在螺紋表面，而不是在絲杠軸心處，圖11所示為加工中心在強(qiáng)切削工件時(shí)，絲杠與滾珠摩擦生熱情況，所以冷卻液流經(jīng)絲杠軸心并不是對(duì)絲杠降溫最有效的方法；（2）冷卻液進(jìn)入圖12螺旋式內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)以A流道為例，在保證絲杠剛度足夠的情況下，螺旋流道可以盡可能地靠近絲杠產(chǎn)熱區(qū)，以更加有效地進(jìn)行降溫，同時(shí)也降低了絲杠徑向溫差，保證絲杠溫度均勻，緩解絲杠受熱不均所導(dǎo)致的徑向變形。為保證絲杠內(nèi)冷卻液的流量，入水口流量一定要比出水口流量大o冷卻液緩沖室的作用是防止當(dāng)冷卻液撞擊到

21、絲杠左端之后，所產(chǎn)生的回流趨勢(shì)影響冷卻液流勢(shì)，同時(shí)也緩解左端軸承副所產(chǎn)生的熱量對(duì)絲杠的影響。43空心/螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)降溫實(shí)驗(yàn)對(duì)比空心式與螺旋式絲杠規(guī)格均為125244。內(nèi)徑分別為4)50、(|)40mmo螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)各螺旋孔直徑為()125mm,略大于滾珠直徑。冷卻液溫度均為20°C,流量為3"min,黏度為0419X10-3Pa-s,比熱容為2052kJ/(kg-K),導(dǎo)熱系數(shù)為0147W(m-K)0如圖13所示為空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)與螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)降溫效果對(duì)比。(a)空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)降溫效果不同。前者在絲杠非產(chǎn)熱區(qū)送水、回水，造成絲杠徑向溫度分布不均，后者在絲杠非產(chǎn)熱區(qū)送水，

22、在靠近產(chǎn)熱區(qū)回水，縮小了徑向溫差，更加科學(xué)合理。絲杠的溫度不是越低越好，而是整體溫度分布越均勻越好。參考文獻(xiàn)：1 王先奎.金屬制造工藝學(xué)M北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2019.2 LIULQ.WANGZXAvariablevoltageMPPTcontrolmethodforphotovoltaicgenerationsystemJ.WSEASTransactionsonCircuitsandSystems,2009,8(4):335_349.3 天日和仁.滾珠稅杠的發(fā)熱對(duì)策及環(huán)保技術(shù)J世界制(b)螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)降溫效果圖132種結(jié)構(gòu)降溫效果對(duì)比從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，顏色帶分布區(qū)域越大，則代表溫度分布越不

23、均勻。反之，則代表越均勻。由圖13可知:螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的降溫效果比空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)更加明顯;空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)內(nèi)部流道單一，這樣會(huì)使絲杠內(nèi)部熱量由溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域轉(zhuǎn)移，但是熱量轉(zhuǎn)移路線很單一，都是從螺紋表面向絲杠軸心過渡，致使整個(gè)稅杠內(nèi)部出現(xiàn)鮮明的溫度帶分布，造成了稅杠徑向溫度分布不均的情況；螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)內(nèi)部流道方向并不單一，稅杠內(nèi)部熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移的路線不是固定的，而是朝向各螺旋流道移動(dòng)，在未與進(jìn)水流道接觸前，先與螺旋流道接觸，這樣有利于減小絲杠徑向溫差，溫度分布會(huì)更加均勻；螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)徑向溫度分布要優(yōu)于空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，絲杠的螺紋表面溫度也有所降低。這是因?yàn)閮?nèi)螺旋流道均勻

24、地分布在絲杠內(nèi)部的四周，使得絲杠內(nèi)部溫度可以相互平衡，最終達(dá)到均衡狀態(tài)。5結(jié)論滾珠絲杠副工作時(shí)，螺母比絲杠的溫升快，當(dāng)溫度達(dá)到平穩(wěn)時(shí)將不再上升。滾珠絲杠副的產(chǎn)熱區(qū)域發(fā)生在螺紋表面而不在幺幺杠軸心處，所以采用空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)對(duì)絲杠降溫時(shí)并沒有充分利用絲杠本身的結(jié)構(gòu)。而采用螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步靠近絲杠產(chǎn)熱區(qū)，對(duì)絲杠降溫的同時(shí)也保證了絲杠本身徑向溫度的均勻性，減小了溫差過大造成的熱脹冷縮。空心式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)與螺旋式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)進(jìn)水方式相同，但回水方式造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2004(3):67-69韓軍，張玲聰，李明亞.螺母副摩擦熱對(duì)高速空心/實(shí)心滾珠4絲杠熱特性影響分析J機(jī)床與液壓，2016.44(9):14

25、0-146HANJ,ZHANGLC.LIMYInfluenceanalysisofthermaIcharacteristicsofhigh-speedhollow/solidballscrewcausedbynutpairfrictionheatJMachineTool&Hydraulics,2016.44(9):140-146XUZ乙CHOIC,LIANGLJ,etal.Studyonanovelther-malerrorcompensationsystemforhigh-precisionballscrewfeeddrive(2ndreport:experimentalverification)JInter-nationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,2015,16(10):2