大型机床滚珠丝杠副温升与降温研究.docx

1、2021年9月第49卷第18期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSDOI:10.3969/jissn1001-3881202118012本文引用格式：李帅，罗韬.大型机床滚珠丝杠副温升与降温研究J.机床与液压.2021,49(18):62-66LIShuai,LUOTaoStudyontemperatureriseandtemperaturedropofballscrewpairoflargemachinetoolJMa-chineTool&Hydraulics,2021,49(18):62-66大型机床滚珠丝杠副温升与降温研究李帅，罗韬(广西科技师范学院职业

2、技术教育学院，广西来宾546199)摘要：针对滚珠丝杠副温升问题，分析丝杠温升主要来源，建立热力学理论模型。以某加工中心进给用滚珠丝杠副为研究对象，分析幺幺杠螺母副温升变化情况以及导致变化的原因。滚珠丝杠副在加工中心强切削的工况下，丝杠因热膨胀所引的轴向起位移约为18”m。设计螺旋式内冷结构丝杠，通过有限元分析比较丝杠空心式与螺旋式内冷结构的降温效果。结果表明：丝杠表面温度不是越低越好，而是越均匀越好；螺旋式内冷结构比空心式内冷结构径向温度分布更均衡，整体降温效果更加明显。关键词：滚珠税杠副；内冷结构；温升中图分类号：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基金项日：广西科技师范学院青年科研项日资助(GXKS2020QN028);广西高校中青年教师科研基础能力提升项日(2020KY23021)作者简介：李帅(1988),男，硕士，主要研究方向为精密与超精密加工。E-mail:1415480

7、774qqcom。0前言为响应国家提出的“中国制造2025”强国战略，实现机床高效率生产、高精度加工，滚珠丝杠副作为高速驱动的进给部件，其传动精度就显得尤为重要。滚珠丝杠副传动效率高达90%98%，不仅有利于主机的小型化，而且具备摩擦力矩小、工作寿命长、运转平稳、传动可逆、不能自锁等优点，因而被广泛应用在数控机床、加工中心、柔性制造等领域。然而，机床在长时间加工过程中，滚珠丝杠副温度会逐渐升高，从而产生热膨胀现象，引起轴向位移变化。这样的位移变化会经工作台反映到工件的加工位置上，从而影响工件的加工精度。因此，研究滚珠丝杠副的温升问题很有必要。1丝杠温升的原因如图1所示，滚珠丝杠副的温升由螺母与

8、滚珠、滚珠与滚珠、滚珠与丝杠发生持续滚动摩擦引起。摩擦产生的热源小部分与空气进行热交换，其余部分持续导入丝杠与螺母内部，使其温度升高。滚珠丝杠副摩擦力大小主要与自身承受的载荷大小有密切关系。丝杠所承受的载荷越大，产生的摩擦转矩越大，产热量就越多，温升就越高，反之则越低。其次，丝杠温升与螺母温升有关。与丝杠相比，螺母比热容小、体积小、温升快，从而造成了丝杠与螺母之间存在温度差，螺母将高温平衡给丝杠，导致丝杠温度升高。丝杠温升也与两端轴承温升有关。两端轴承预紧力越大，则温升越高，两端轴承将高温平衡给了丝杠。除此之外,丝杠温升还与机床系统传热因素，如电机发热、导轨摩擦生热等；环境对流热因素，如天气变

9、化、通风情况、风扇风量等；热辐射因素，如阳光照杠温升也与两端轴承温升有关。两端轴承预紧力越大，则温升越高，两端轴承将高温平衡给了丝杠。除此之外,丝杠温升还与机床系统传热因素，如电机发热、导轨摩擦生热等；环境对流热因素，如天气变化、通风情况、风扇风量等；热辐射因素，如阳光照射、灯光照明、供暖设施等有关。丝杠热源主要来源如图2所示。液珠蝶母丝杠图1滚珠丝杆示意克服摩擦转矩产热式中：已为轴向载荷，N;Ph为滚珠丝杠导程，m。T,为无轴向载荷时，驱动预紧滚珠丝杠的阻力矩，其表达式如下：FPT=-(1-q2)r2ir|I式中：Fp为滚珠丝杠副的预紧力，No根据天日和仁研究的理论，滚珠丝杠副温升表达式0=

10、c8(1Qe-6/(Cu)t)(6)丝杠温升主要来源一螺母产热两端轴承产热其他环境因素式中：6为单位时间内单位温差的放热量，kJ/(h-K);Cm为比热容，kJJ(kg-K);【为时间，h022受热变形模型滚珠丝杆副在载荷或其他因素，如温度变化、轴承座位移、材质收缩的作用下会发生位移和变形。为了保证滚珠丝杠副的刚度要求、结构尺寸、安装精度，必须了解丝杠的位移情况。实心丝杠因受热而发生轴向变形，其表达式如下：8AL皿4-52统杠热力学模型建立21髀薰睡着费备备母滚道内持续地滚动摩擦产生了较高的摩擦热，如果热量不能及时散出，就会导AL=空心丝杠因受热而发生轴向变形，其表达式如下：旦L城At(f)r

11、dr(7)4-5材料受热膨服，导致凡何形丝杠与螺母配合时，由于滚珠与滚道摩擦生热，同时螺母又阻碍了热量散发，导致了螺母内部的丝杠部分轴段温升加剧。而螺母外部丝杠由于自身的螺纹形状具有散热片的功能，会加快散热。因此，造成了螺母内部丝杠部分的温升比螺母外部丝杠温升高。根据TENJITUS提出的理论，滚珠幺幺杠副发热量与自身转速、摩擦转矩成正比。产热量表达式如下：Q=012nT(1)式中：Q为单位时间内的产热量，kJ/h;012为合金钢的比热容系数，单位为kJJ(kg-K)；n为丝杠的转速，r/min;T。为滚珠税杠副的总摩擦转矩，N-m。总摩擦转矩T。由摩擦力矩L和阻力矩T,组成,表达式如下：To

12、=L+T,其中，摩擦力矩E表达式如下:Tf=Ta(1-q)式中：效率n=095;产生的轴向负载扭矩式中：效率n=095;产生的轴向负载扭矩L是用来克服摩擦力和切削力(N-m),表达式如下：(4)(8)mmoALh=d：-dL/!(f)fdr其中：入为丝杠膨胀系数，为13花/乏；L为丝杠长度，mm;Ai为距离丝杠轴心处的温度变化量,°C;为丝杠半径，mm;由为丝杠中空部分直径，mm;d°为丝杠外径，3实例分析31滚珠丝杠副参数确定如图3所示，以山东某公司加工中心进给用外循环插管凸出式系列大型重载ZCT型滚珠丝杠副为例，其支承轴承型号为760306DF,主要技术参数如表1所示。

13、工作台重力W|=5000N,待加工工件与夹具总重力W2=3000N,滚珠丝杠副摩擦因数H=01,工作参数如表2所示。参数参数值丝杠轴径/mm125丝杠导程/mm24基本额定动载荷C./N24815基本额定静载荷Coa/N66300丝杠支撑轴间距/mm1320丝杠平均转速/（r-min'1）230工作时间/h24表1滚珠丝杠副主要技术参数底2加工中心主要技术参数切削方式轴向切削力FxJN径向切削力f,N工作时间占比/%丝杠转速nt/(r-min1)轴向载荷"N强切削2000120010602920普通切削100050030801850精切削500200501001320快速进给

14、00101500800°0510152()25时间/h图4丝杠、螺母温升变化曲线矩，也就是滚珠分别与丝杠、螺母以及相邻滚珠发生图5滚珠丝杠副模型缩短了滚珠使用寿命。图6滚珠与丝杠螺件摩擦生热情况截面图图7滚珠与丝杠螺母摩擦生热原理32结果分析实验结果如图4所示，可知：丝杠与螺母温升趋于平稳状态后，温度将不再上升。根据式（6）可知，滚珠丝杠副温升趋于稳定状态时所用的时间与自身放热量成反比关系。丝杠螺母副趋于稳定状态时，所用的时间越多，放热量越少，反之放热量越多。当丝.杠与螺母的温升趋于平稳状态时，温升值分别为71、117°C,螺母温升比丝杠温升高。此外，由于螺母实时处于循环工

15、作状态，因此与丝杠相比，其温升值高。一方面，丝杠比12|7热容大、体积大，在单位'；/7也:时间单位温差内所释放的6（厂热量大，因此温升较小；现/螺母温升另一方面，丝杠具备很多螺纹，这些螺纹具备散热片的功能，可以为丝杠本身散热，因此与螺母相比，丝杠温升较低。建立滚珠丝杠副模型如图5所示。图6所示为滚珠丝杠副在承受工作台、工件以及夹具共8000N载荷，并且自身平均转速为230r/min、平均轴向载荷为17225N的工况下的摩擦生热分析结果。在滚珠接触面与法线呈±45°的方向上，温升比较明显。这是因为加工工件的工艺路线是从右向左进行的，工件所受的轴向切削力经工作台传递给

16、螺母法兰，螺母法兰受到自右向左的轴向载荷所导致的。另外，如图7所示，滚珠丝杠螺纹槽最低处与最高处并未与滚珠直接接触，这是因为槽底、槽顶部位可以存放一些润滑油以及滚珠表面污垢，所以丝杠螺纹槽底、槽顶温升相对较低。滚珠丝杠副热源主要来自克服自身摩擦转的滚动摩擦。一方面，丝杠螺纹表面局部温度过高，会影响传动精度；另一方面，过量的轴向载荷会将滚珠表面压溃，加快滚珠表面金相组织发生相变，引起局部氧化脱碳，造成滚珠磨损，使滚珠丝杠副噪声增大，也滚珠丝杠副受热不均发生位移，如图8所示，可知此时工作台的位移量约为18Rm,这会直接反映到工作台上的工件加工位置。导致区域I与区域II位移量不同的原因有2个：（1）

17、铢刀的走刀路线是从右向左开始的，由于作用力的影响，工件受X轴正向切削力并传给工作台，工作台将轴向力传给螺母，螺母将轴向力传给滚珠，滚珠将轴向力传给丝杠，丝杠右侧区域I所受的轴向载荷大于左侧区域II,所以导致丝杠右边的位移量比左边位移量大；（2）如图9所示，螺母左边设有法兰结构，法兰结构是螺母承受轴向载荷的主要部分，而右边没有法兰结构，所以螺母左端面受力面积大于右端面受力面积，因此螺母左端面部分丝杠轴心受力小于右端面部分丝杠轴心受力，从而导致了螺母右边丝杠变形量大于螺母左边丝杠变形量。母左端面受力面积大于右端面受力面积，因此螺母左端面部分丝杠轴心受力小于右端面部分丝杠轴心受力，从而导致了螺母右边

18、丝杠变形量大于螺母左边丝杠变形量。图8滚珠丝杠副受热不均发生的位移导管并未与丝杠接触，只有回程时才开始与丝杠接触，所以停留在丝杠内的时间较短，不能充分带走丝杠热量,冷却液利用不充分；（3）丝杠径向温度分布不均匀，容易造成热胀冷缩；（4）给丝杠冷却需要另外设计一个冷却液导管，这样还需要考虑导管自身的支撑问题，比较麻烦。温度re31.66428.54425.42422.30419.18416.06412.9449.824066.704073.584080.464096-2.65589图11丝杠与滚珠摩擦生热截面温度42螺旋式内冷结构螺旋式内冷结构如图12所示。冷却液从入口进卜一轴向载荷图9螺母法兰

19、部分受轴向载荷示意入，经由内流道到达冷却液缓冲区，然后分别进入A、B、C、D入口，经由A、B、C、D流道在丝杠内做螺旋运动流回，最后从A、B、C、D出口流出。图12中同时给出了A流道流走路线，流道B、C、D流走原理与A相同。A入口与轴承配合处4丝杠降温对策41空心内冷结构给丝杠强制降温一般是将丝杠设计成中空结构，然后通入冷却液使其温度降低。如图10所示，冷却液从入口进入，经冷却液导管流至丝杠另-端，然后反向流回丝杠中空管道，最后从出口流出。冷却液一来一回冷却液缓冲室BX口C入出口呻口与轴承内流道出口P罪D出口_Jl/?iunih/1fill<utu!QOOI_>flAjAtAj/T

20、/A1!IVAVAVVMaAtAlAI)c出口D入口图10丝杠空心式内冷却结构然而，这种空心式内冷降温结构有4个缺点:（1）丝杠主要发热区域集中在螺纹表面，而不是在丝杠轴心处，图11所示为加工中心在强切削工件时，丝杠与滚珠摩擦生热情况，所以冷却液流经丝杠轴心并不是对丝杠降温最有效的方法；（2）冷却液进入图12螺旋式内冷却结构以A流道为例，在保证丝杠刚度足够的情况下，螺旋流道可以尽可能地靠近丝杠产热区，以更加有效地进行降温，同时也降低了丝杠径向温差，保证丝杠温度均匀，缓解丝杠受热不均所导致的径向变形。为保证丝杠内冷却液的流量，入水口流量一定要比出水口流量大o冷却液缓冲室的作用是防止当冷却液撞击到

21、丝杠左端之后，所产生的回流趋势影响冷却液流势，同时也缓解左端轴承副所产生的热量对丝杠的影响。43空心/螺旋式内冷结构降温实验对比空心式与螺旋式丝杠规格均为125244。内径分别为4)50、(|)40mmo螺旋式内冷结构各螺旋孔直径为()125mm,略大于滚珠直径。冷却液温度均为20°C,流量为3"min,黏度为0419X10-3Pa-s,比热容为2052kJ/(kg-K),导热系数为0147W(m-K)0如图13所示为空心式内冷结构与螺旋式内冷结构降温效果对比。(a)空心式内冷结构降温效果不同。前者在丝杠非产热区送水、回水，造成丝杠径向温度分布不均，后者在丝杠非产热区送水，

22、在靠近产热区回水，缩小了径向温差，更加科学合理。丝杠的温度不是越低越好，而是整体温度分布越均匀越好。参考文献：1 王先奎.金属制造工艺学M北京:机械工业出版社，2019.2 LIULQ.WANGZXAvariablevoltageMPPTcontrolmethodforphotovoltaicgenerationsystemJ.WSEASTransactionsonCircuitsandSystems,2009,8(4):335_349.3 天日和仁.滚珠税杠的发热对策及环保技术J世界制(b)螺旋式内冷结构降温效果图132种结构降温效果对比从实验结果来看，颜色带分布区域越大，则代表温度分布越不

23、均匀。反之，则代表越均匀。由图13可知:螺旋式内冷结构的降温效果比空心式内冷结构更加明显;空心式内冷结构内部流道单一，这样会使丝杠内部热量由温度高的区域向温度低的区域转移，但是热量转移路线很单一，都是从螺纹表面向丝杠轴心过渡，致使整个税杠内部出现鲜明的温度带分布，造成了税杠径向温度分布不均的情况；螺旋式内冷结构内部流道方向并不单一，税杠内部热量从高温区域向低温区域转移的路线不是固定的，而是朝向各螺旋流道移动，在未与进水流道接触前，先与螺旋流道接触，这样有利于减小丝杠径向温差，温度分布会更加均匀；螺旋式内冷结构径向温度分布要优于空心式内冷结构，丝杠的螺纹表面温度也有所降低。这是因为内螺旋流道均匀

24、地分布在丝杠内部的四周，使得丝杠内部温度可以相互平衡，最终达到均衡状态。5结论滚珠丝杠副工作时，螺母比丝杠的温升快，当温度达到平稳时将不再上升。滚珠丝杠副的产热区域发生在螺纹表面而不在幺幺杠轴心处，所以采用空心式内冷结构对丝杠降温时并没有充分利用丝杠本身的结构。而采用螺旋式内冷结构可以进一步靠近丝杠产热区，对丝杠降温的同时也保证了丝杠本身径向温度的均匀性，减小了温差过大造成的热胀冷缩。空心式内冷结构与螺旋式内冷结构进水方式相同，但回水方式造技术与装备市场,2004(3):67-69韩军，张玲聪，李明亚.螺母副摩擦热对高速空心/实心滚珠4丝杠热特性影响分析J机床与液压，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