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(yù)拉伸在實(shí)際工作過(guò)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(huì)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(zhǎng)的影響。因 此分析滾珠絲杠系統(tǒng)熱伸長(zhǎng)變形對(duì)減少熱變形具有指導(dǎo)意義。由于滾珠絲杠系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)發(fā)熱使得滾珠絲杠熱膨脹，從而加大絲杠的導(dǎo)程， 影響定位精度和傳動(dòng)，需要對(duì)其進(jìn)行熱補(bǔ)償。通常采用的補(bǔ)償方法為滾珠絲杠預(yù)拉 伸。為了提高橫梁系統(tǒng)的定位精度以及機(jī)床在工作過(guò)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(shí)，利用絲杠兩端支承軸承組，對(duì)其進(jìn)行預(yù)拉伸[55]。在此工況條件下，產(chǎn)生的熱位移量和預(yù)拉伸量恰好抵消。但裝配時(shí)預(yù)拉伸力過(guò) 大，會(huì)使溫升較大使得預(yù)拉伸量也會(huì)相應(yīng)變大，增加軸承的軸向載荷，減少軸承使 用壽命，會(huì)降低絲杠的使用壽命；若裝配時(shí)預(yù)拉伸力過(guò)小，使得滾珠絲杠軸的熱變 形量大于滾珠絲杠軸的預(yù)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(gè)合適的預(yù)拉伸力。一般而言，滾珠絲杠的預(yù)拉伸量應(yīng)當(dāng)略大于滾珠絲杠螺 母副溫升引起的熱變形量[56]。本文設(shè)定滾珠絲杠的預(yù)拉伸量為20|im。當(dāng)應(yīng)力不超 過(guò)材料的比例極限時(shí)，軸在軸向力作用下軸向的拉伸量可按公式（4-17)進(jìn)行計(jì)算， 進(jìn)而可以求得滾珠絲杠的軸向預(yù)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(yù)拉伸力應(yīng)取2376N~3600N，這樣可以讓絲杠留有合適的預(yù)拉 伸量。在實(shí)際工況中，預(yù)拉伸量和絲杠的熱伸長(zhǎng)量相抵消，從而減少熱變形以及實(shí) 現(xiàn)預(yù)期的定位精度。另外，要合理的選擇滾珠螺母副的預(yù)緊力。若滾珠螺母副的預(yù) 緊力過(guò)小，影響Y軸的定位精度；若滾珠螺母副的預(yù)緊力過(guò)大，導(dǎo)致滾珠螺母副發(fā) 熱量嚴(yán)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(rùn)滑劑。支承軸承的潤(rùn)滑脂和滾珠螺母副的潤(rùn)滑油應(yīng)根據(jù)實(shí) 際工況下的載荷進(jìn)行選擇。過(guò)大的運(yùn)動(dòng)粘度的潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂都將增大滾珠絲杠系 統(tǒng)溫升，而過(guò)高的溫升又會(huì)引起軸承潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑冷卻性能劣化；對(duì)于潤(rùn)滑油應(yīng)當(dāng) 定期更換，并通過(guò)在潤(rùn)滑油系統(tǒng)中安裝冷卻器來(lái)控制潤(rùn)滑油的溫度，從而減少滾珠 絲杠的溫升。加大滾珠絲杠的導(dǎo)程來(lái)降低運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)公式可知滾珠絲杠的進(jìn)給速度等于 導(dǎo)程與轉(zhuǎn)速的乘積，若轉(zhuǎn)速不變，擴(kuò)大導(dǎo)程，滾珠絲杠同樣可以以較低的轉(zhuǎn)速達(dá)到 較高的進(jìn)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(guò)程中，過(guò)大的導(dǎo)程加大了加工誤差，導(dǎo)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(dǎo)程的滾珠絲杠。(2)增強(qiáng)滾珠絲杠系統(tǒng)的散熱施加強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)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(rùn)滑油或空氣冷卻；建立恒溫車間實(shí)現(xiàn)季節(jié)性調(diào)溫；或者 對(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)冷或者油冷卻方式，從而減小機(jī)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(rùn)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(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償使用光柵尺進(jìn)行誤差補(bǔ)償；采用循環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的測(cè)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(bǔ)償模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償計(jì)算，并回饋到精工系 統(tǒng)，經(jīng)過(guò)精工系統(tǒng)分析處理后，使控制器發(fā)出相應(yīng)控制指令以補(bǔ)償相應(yīng)的熱誤差， 最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床的精確定位，消除絲杠熱伸長(zhǎng)的影響[58]。4.6本章小結(jié)本章對(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)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(guò)計(jì)算得出各個(gè)發(fā)熱部件的發(fā)熱量，和對(duì)流換熱系數(shù)。通過(guò)有限元建模 分析得到滾珠絲杠系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布云圖。然后，對(duì)滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)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(gè)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。