龍門加工中心橫梁系統(tǒng)中改善滾珠絲杠系統(tǒng)熱態(tài)特性的主要措施
善滾珠絲杠系統(tǒng)熱態(tài)特性的主要措施4.5.1滾珠絲杠的預拉伸在實際工作過程中，橫梁系統(tǒng)的定位精度不僅僅受到滾珠絲杠制造精度的直接 影響，而且也會受到由于滾珠絲杠高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫升而引起的熱伸長的影響。因 此分析滾珠絲杠系統(tǒng)熱伸長變形對減少熱變形具有指導意義。由于滾珠絲杠系統(tǒng)工作時會發(fā)熱使得滾珠絲杠熱膨脹，從而加大絲杠的導程， 影響定位精度和傳動，需要對其進行熱補償。通常采用的補償方法為滾珠絲杠預拉 伸。為了提高橫梁系統(tǒng)的定位精度以及機床在工作過程中保持其定位精度，在絲杠 溫升一定的前提下安裝絲杠時，利用絲杠兩端支承軸承組，對其進行預拉伸[55]。在此工況條件下，產(chǎn)生的熱位移量和預拉伸量恰好抵消。但裝配時預拉伸力過 大，會使溫升較大使得預拉伸量也會相應變大，增加軸承的軸向載荷，減少軸承使 用壽命，會降低絲杠的使用壽命；若裝配時預拉伸力過小，使得滾珠絲杠軸的熱變 形量大于滾珠絲杠軸的預拉伸量，滾珠絲杠系統(tǒng)熱誤差和制造誤差增大。因此需要 選擇一個合適的預拉伸力。一般而言，滾珠絲杠的預拉伸量應當略大于滾珠絲杠螺 母副溫升引起的熱變形量[56]。本文設定滾珠絲杠的預拉伸量為20|im。當應力不超 過材料的比例極限時，軸在軸向力作用下軸向的拉伸量可按公式（4-17)進行計算， 進而可以求得滾珠絲杠的軸向預拉伸力。第四章橫梁系統(tǒng)中滾珠絲杠熱特性研究因此滾珠絲杠的預拉伸力應取2376N~3600N，這樣可以讓絲杠留有合適的預拉 伸量。在實際工況中，預拉伸量和絲杠的熱伸長量相抵消，從而減少熱變形以及實 現(xiàn)預期的定位精度。另外，要合理的選擇滾珠螺母副的預緊力。若滾珠螺母副的預 緊力過小，影響Y軸的定位精度；若滾珠螺母副的預緊力過大，導致滾珠螺母副發(fā) 熱量嚴重，熱變形增加，將直接影響橫梁系統(tǒng)的定位精度。4.5.2常用的改善滾珠絲杠系統(tǒng)熱變形的方法(1)減少滾珠絲杠系統(tǒng)熱源的發(fā)熱量。選擇正確且適量的潤滑劑。支承軸承的潤滑脂和滾珠螺母副的潤滑油應根據(jù)實 際工況下的載荷進行選擇。過大的運動粘度的潤滑油和潤滑脂都將增大滾珠絲杠系 統(tǒng)溫升，而過高的溫升又會引起軸承潤滑脂的潤滑冷卻性能劣化；對于潤滑油應當 定期更換，并通過在潤滑油系統(tǒng)中安裝冷卻器來控制潤滑油的溫度，從而減少滾珠 絲杠的溫升。加大滾珠絲杠的導程來降低運行轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)公式可知滾珠絲杠的進給速度等于 導程與轉(zhuǎn)速的乘積，若轉(zhuǎn)速不變，擴大導程，滾珠絲杠同樣可以以較低的轉(zhuǎn)速達到 較高的進給速度，減少摩擦發(fā)熱的產(chǎn)生從而減少了溫升，抑制熱變形的增加。但是， 滾珠絲杠在加工過程中，過大的導程加大了加工誤差，導程精度得不到保證。因此， 在保證加工精度的情況下，選擇較大導程的滾珠絲杠。(2)增強滾珠絲杠系統(tǒng)的散熱施加強制冷卻。包括：采用滾珠絲杠螺母和軸承套筒螺旋槽冷卻熱交換系統(tǒng)，進行強制冷卻，從而減少主要發(fā)熱部件的摩擦熱，從而降低溫升，抑制滾珠絲杠系 統(tǒng)熱位移。絲杠軸外緣以潤滑油或空氣冷卻；建立恒溫車間實現(xiàn)季節(jié)性調(diào)溫；或者 對滾珠絲杠系統(tǒng)進行風冷或者油冷卻方式，從而減小機床受外部環(huán)境溫度的影響； 還可采用型腔式的冷卻結(jié)構(gòu)冷卻軸承和軸承座，延緩潤滑油的劣化，減小軸承座的 熱變形，從而提高滾珠絲杠系統(tǒng)的熱態(tài)幾何精度[57]。(3)對滾珠絲杠系統(tǒng)進行熱誤差補償使用光柵尺進行誤差補償；采用循環(huán)控制系統(tǒng)，實時的測量滾珠絲杠系統(tǒng)產(chǎn)生 的熱誤差，然后根據(jù)己經(jīng)建立的誤差補償模型進行誤差補償計算，并回饋到精工系 統(tǒng)，經(jīng)過精工系統(tǒng)分析處理后，使控制器發(fā)出相應控制指令以補償相應的熱誤差， 最終實現(xiàn)機床的精確定位，消除絲杠熱伸長的影響[58]。4.6本章小結(jié)本章對滾珠絲杠系統(tǒng)進行熱態(tài)特性分析以及熱變形分析。首先，分析滾珠絲杠 的熱源，通過計算得出各個發(fā)熱部件的發(fā)熱量，和對流換熱系數(shù)。通過有限元建模 分析得到滾珠絲杠系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖。然后，對滾珠絲杠系統(tǒng)進行熱一結(jié) 構(gòu)耦合分析，得到滾珠絲杠系統(tǒng)在熱載荷的影響下滾珠絲杠系統(tǒng)的總熱變形和X、Y、Z三個方向上的熱變形分布情況。最后，分析影響滾珠絲杠系統(tǒng)熱變形的主要因 素，并提出改善滾珠絲杠系統(tǒng)熱態(tài)特性的主要措施。