经济性地改善滚珠丝杠的热延伸

郑 卫

(南京高传四开数控装备制造有限公司，江苏 南京211151)

滚珠丝杠是数控机床进给系统的主要传动部件，承担机床的切削进给，它的动态性能直接影响整机的运行状态和精度。在高速滚珠丝杆副传动中，由于接触区域(丝杠和螺母与钢珠)摩擦产生大量的热，这些热量又无法及时散发，会使滚珠丝杠的温度升高，导致丝杠产生热延伸，使每个2π 的节距不一致，降低了热补的效果;改变了工件和刀具相对原点的位置，影响了机床的加工精度和工件品质一致性。因此研究滚珠丝杠的温升和热变形，采取措施控制温升，对提高机床的精度有着重要意义。

1 滚珠丝杠副的温升与延伸关系

高速的滚珠丝杠副在传递扭矩时，丝杠和螺母与钢球的摩擦产生大量的热，导致丝杠的延伸。延伸量与温度变化的关系:

式中:ΔL 为丝杠受热后轴线方向长度变化量;ρ 为线膨胀系数(12 ×10-6℃);L0为未受热原丝杠有效长度;Δt 为丝杠的温度变化量。

也就是说，丝杠的温度(在20～110 ℃范围内)每上升1 ℃时丝杠每1 m 伸长12 μm。从式(1)中可以看出控制丝杠热延伸的最好方法是采取对策有效地控制温度上升。

滚珠丝杠和螺母与钢珠摩擦产生的热Q(kJ/h)与摩擦力矩T(N·m)和滚珠丝杠转速n(r/min)成正比，公式如下:

滚珠丝杠副摩擦力矩，公式如下:

其中:Z 为钢珠数;β(rad)为丝杠弹道的螺旋升角;Tg(Nm)为几何滑移摩擦力矩;Te(Nm)为摩擦阻力矩。

2 滚珠丝杠冷却形式(见图1)

空气冷却装置当压缩空气从小型空气放大器中部接入后，通过一个0.05～0.1 μm 的小间隙后高速喷出，由流体力学中科思达效应原理，另一侧即吸气口产生负压，约10～25 倍左右的环境空气被吸入，并与原始压缩空气一起从出气口喷出，喷向丝杠螺母副摩擦表面，吹风量可根据要求，调整压缩空气的进给量和采用不同规格的空气放大器。

如果要达到更好的效果，也可将输出的压缩空气经过冷却再输入空气放大器。此结构只需将压缩空气管随电线、油管一起放入拖链，再将体积很小空气放大器通过支架固定在工作台底面(螺母两侧)就可以做到随动，对丝杠螺母副摩擦表面进行吹风冷却。

3 选用

选用空气放大器冷却形式具有以下特点:(1)只利用压缩空气，出口处空气流量能比进口处空气流量大25 倍，低噪音、可靠。(2)原理、调整和操作简单，易实现。(3)使用寿命长，成本低，基本免维护。

4 结语

通过大量实验和应用，利用激光干涉仪测得的两种状态数据进行比较，滚珠丝杠的热延伸量可减小近50%，这对各类数控机床的滚珠丝杠因温升而引起的轴向延伸的改善解决，探索出一个简单、可操作和行之有效的方法。

［1］刘永平，陈桢，芮执元.高速滚珠丝杠副气液二元冷却系统设计与仿真［J］.中国机械工程，2013(1):95 -98.

［2］芮执元，张传辉，郭俊锋.基于有限元法的中空冷却滚珠丝杠温升及热变形研究［J］.机械设计，2011(12):17 -20.