經濟性地改善滾珠絲杠的熱延伸

鄭 衛

(南京高傳四開數控裝備制造有限公司，江蘇 南京211151)

滾珠絲杠是數控機床進給系統的主要傳動部件，承擔機床的切削進給，它的動態性能直接影響整機的運行狀態和精度。在高速滾珠絲桿副傳動中，由于接觸區域(絲杠和螺母與鋼珠)摩擦產生大量的熱，這些熱量又無法及時散發，會使滾珠絲杠的溫度升高，導致絲杠產生熱延伸，使每個2π 的節距不一致，降低了熱補的效果;改變了工件和刀具相對原點的位置，影響了機床的加工精度和工件品質一致性。因此研究滾珠絲杠的溫升和熱變形，采取措施控制溫升，對提高機床的精度有著重要意義。

1 滾珠絲杠副的溫升與延伸關系

高速的滾珠絲杠副在傳遞扭矩時，絲杠和螺母與鋼球的摩擦產生大量的熱，導致絲杠的延伸。延伸量與溫度變化的關系:

式中:ΔL 為絲杠受熱后軸線方向長度變化量;ρ 為線膨脹系數(12 ×10-6℃);L0為未受熱原絲杠有效長度;Δt 為絲杠的溫度變化量。

也就是說，絲杠的溫度(在20～110 ℃范圍內)每上升1 ℃時絲杠每1 m 伸長12 μm。從式(1)中可以看出控制絲杠熱延伸的最好方法是采取對策有效地控制溫度上升。

滾珠絲杠和螺母與鋼珠摩擦產生的熱Q(kJ/h)與摩擦力矩T(N·m)和滾珠絲杠轉速n(r/min)成正比，公式如下:

滾珠絲杠副摩擦力矩，公式如下:

其中:Z 為鋼珠數;β(rad)為絲杠彈道的螺旋升角;Tg(Nm)為幾何滑移摩擦力矩;Te(Nm)為摩擦阻力矩。

2 滾珠絲杠冷卻形式(見圖1)

空氣冷卻裝置當壓縮空氣從小型空氣放大器中部接入后，通過一個0.05～0.1 μm 的小間隙后高速噴出，由流體力學中科思達效應原理，另一側即吸氣口產生負壓，約10～25 倍左右的環境空氣被吸入，并與原始壓縮空氣一起從出氣口噴出，噴向絲杠螺母副摩擦表面，吹風量可根據要求，調整壓縮空氣的進給量和采用不同規格的空氣放大器。

如果要達到更好的效果，也可將輸出的壓縮空氣經過冷卻再輸入空氣放大器。此結構只需將壓縮空氣管隨電線、油管一起放入拖鏈，再將體積很小空氣放大器通過支架固定在工作臺底面(螺母兩側)就可以做到隨動，對絲杠螺母副摩擦表面進行吹風冷卻。

3 選用

選用空氣放大器冷卻形式具有以下特點:(1)只利用壓縮空氣，出口處空氣流量能比進口處空氣流量大25 倍，低噪音、可靠。(2)原理、調整和操作簡單，易實現。(3)使用壽命長，成本低，基本免維護。

4 結語

通過大量實驗和應用，利用激光干涉儀測得的兩種狀態數據進行比較，滾珠絲杠的熱延伸量可減小近50%，這對各類數控機床的滾珠絲杠因溫升而引起的軸向延伸的改善解決，探索出一個簡單、可操作和行之有效的方法。

［1］劉永平，陳楨，芮執元.高速滾珠絲杠副氣液二元冷卻系統設計與仿真［J］.中國機械工程，2013(1):95 -98.

［2］芮執元，張傳輝，郭俊鋒.基于有限元法的中空冷卻滾珠絲杠溫升及熱變形研究［J］.機械設計，2011(12):17 -20.