1、2021年9月第49卷第18期機床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSDOI:10.3969/jissn1001-3881202118012本文引用格式：李帥，羅韜.大型機床滾珠絲杠副溫升與降溫研究J.機床與液壓.2021,49(18):62-66LIShuai,LUOTaoStudyontemperatureriseandtemperaturedropofballscrewpairoflargemachinetoolJMa-chineTool&Hydraulics,2021,49(18):62-66大型機床滾珠絲杠副溫升與降溫研究李帥，羅韜(廣西科技師范學院職業

2、技術教育學院，廣西來賓546199)摘要：針對滾珠絲杠副溫升問題，分析絲杠溫升主要來源，建立熱力學理論模型。以某加工中心進給用滾珠絲杠副為研究對象，分析幺幺杠螺母副溫升變化情況以及導致變化的原因。滾珠絲杠副在加工中心強切削的工況下，絲杠因熱膨脹所引的軸向起位移約為18”m。設計螺旋式內冷結構絲杠，通過有限元分析比較絲杠空心式與螺旋式內冷結構的降溫效果。結果表明：絲杠表面溫度不是越低越好，而是越均勻越好；螺旋式內冷結構比空心式內冷結構徑向溫度分布更均衡，整體降溫效果更加明顯。關鍵詞：滾珠稅杠副；內冷結構；溫升中圖分類號：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基金項日：廣西科技師范學院青年科研項日資助(GXKS2020QN028);廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項日(2020KY23021)作者簡介：李帥(1988),男，碩士，主要研究方向為精密與超精密加工。E-mail:1415480

7、774qqcom。0前言為響應國家提出的“中國制造2025”強國戰略，實現機床高效率生產、高精度加工，滾珠絲杠副作為高速驅動的進給部件，其傳動精度就顯得尤為重要。滾珠絲杠副傳動效率高達90%98%，不僅有利于主機的小型化，而且具備摩擦力矩小、工作壽命長、運轉平穩、傳動可逆、不能自鎖等優點，因而被廣泛應用在數控機床、加工中心、柔性制造等領域。然而，機床在長時間加工過程中，滾珠絲杠副溫度會逐漸升高，從而產生熱膨脹現象，引起軸向位移變化。這樣的位移變化會經工作臺反映到工件的加工位置上，從而影響工件的加工精度。因此，研究滾珠絲杠副的溫升問題很有必要。1絲杠溫升的原因如圖1所示，滾珠絲杠副的溫升由螺母與

8、滾珠、滾珠與滾珠、滾珠與絲杠發生持續滾動摩擦引起。摩擦產生的熱源小部分與空氣進行熱交換，其余部分持續導入絲杠與螺母內部，使其溫度升高。滾珠絲杠副摩擦力大小主要與自身承受的載荷大小有密切關系。絲杠所承受的載荷越大，產生的摩擦轉矩越大，產熱量就越多，溫升就越高，反之則越低。其次，絲杠溫升與螺母溫升有關。與絲杠相比，螺母比熱容小、體積小、溫升快，從而造成了絲杠與螺母之間存在溫度差，螺母將高溫平衡給絲杠，導致絲杠溫度升高。絲杠溫升也與兩端軸承溫升有關。兩端軸承預緊力越大，則溫升越高，兩端軸承將高溫平衡給了絲杠。除此之外,絲杠溫升還與機床系統傳熱因素，如電機發熱、導軌摩擦生熱等；環境對流熱因素，如天氣變

9、化、通風情況、風扇風量等；熱輻射因素，如陽光照杠溫升也與兩端軸承溫升有關。兩端軸承預緊力越大，則溫升越高，兩端軸承將高溫平衡給了絲杠。除此之外,絲杠溫升還與機床系統傳熱因素，如電機發熱、導軌摩擦生熱等；環境對流熱因素，如天氣變化、通風情況、風扇風量等；熱輻射因素，如陽光照射、燈光照明、供暖設施等有關。絲杠熱源主要來源如圖2所示。液珠蝶母絲杠圖1滾珠絲桿示意克服摩擦轉矩產熱式中：已為軸向載荷，N;Ph為滾珠絲杠導程，m。T,為無軸向載荷時，驅動預緊滾珠絲杠的阻力矩，其表達式如下：FPT=-(1-q2)r2ir|I式中：Fp為滾珠絲杠副的預緊力，No根據天日和仁研究的理論，滾珠絲杠副溫升表達式0=

10、c8(1Qe-6/(Cu)t)(6)絲杠溫升主要來源一螺母產熱兩端軸承產熱其他環境因素式中：6為單位時間內單位溫差的放熱量，kJ/(h-K);Cm為比熱容，kJJ(kg-K);【為時間，h022受熱變形模型滾珠絲桿副在載荷或其他因素，如溫度變化、軸承座位移、材質收縮的作用下會發生位移和變形。為了保證滾珠絲杠副的剛度要求、結構尺寸、安裝精度，必須了解絲杠的位移情況。實心絲杠因受熱而發生軸向變形，其表達式如下：8AL皿4-52統杠熱力學模型建立21髀薰睡著費備備母滾道內持續地滾動摩擦產生了較高的摩擦熱，如果熱量不能及時散出，就會導AL=空心絲杠因受熱而發生軸向變形，其表達式如下：旦L城At(f)r

11、dr(7)4-5材料受熱膨服，導致凡何形絲杠與螺母配合時，由于滾珠與滾道摩擦生熱，同時螺母又阻礙了熱量散發，導致了螺母內部的絲杠部分軸段溫升加劇。而螺母外部絲杠由于自身的螺紋形狀具有散熱片的功能，會加快散熱。因此，造成了螺母內部絲杠部分的溫升比螺母外部絲杠溫升高。根據TENJITUS提出的理論，滾珠幺幺杠副發熱量與自身轉速、摩擦轉矩成正比。產熱量表達式如下：Q=012nT(1)式中：Q為單位時間內的產熱量，kJ/h;012為合金鋼的比熱容系數，單位為kJJ(kg-K)；n為絲杠的轉速，r/min;T。為滾珠稅杠副的總摩擦轉矩，N-m。總摩擦轉矩T。由摩擦力矩L和阻力矩T,組成,表達式如下：To

12、=L+T,其中，摩擦力矩E表達式如下:Tf=Ta(1-q)式中：效率n=095;產生的軸向負載扭矩式中：效率n=095;產生的軸向負載扭矩L是用來克服摩擦力和切削力(N-m),表達式如下：(4)(8)mmoALh=d：-dL/!(f)fdr其中：入為絲杠膨脹系數，為13花/乏；L為絲杠長度，mm;Ai為距離絲杠軸心處的溫度變化量,°C;為絲杠半徑，mm;由為絲杠中空部分直徑，mm;d°為絲杠外徑，3實例分析31滾珠絲杠副參數確定如圖3所示，以山東某公司加工中心進給用外循環插管凸出式系列大型重載ZCT型滾珠絲杠副為例，其支承軸承型號為760306DF,主要技術參數如表1所示。

13、工作臺重力W|=5000N,待加工工件與夾具總重力W2=3000N,滾珠絲杠副摩擦因數H=01,工作參數如表2所示。參數參數值絲杠軸徑/mm125絲杠導程/mm24基本額定動載荷C./N24815基本額定靜載荷Coa/N66300絲杠支撐軸間距/mm1320絲杠平均轉速/（r-min'1）230工作時間/h24表1滾珠絲杠副主要技術參數底2加工中心主要技術參數切削方式軸向切削力FxJN徑向切削力f,N工作時間占比/%絲杠轉速nt/(r-min1)軸向載荷"N強切削2000120010602920普通切削100050030801850精切削500200501001320快速進給

14、00101500800°0510152()25時間/h圖4絲杠、螺母溫升變化曲線矩，也就是滾珠分別與絲杠、螺母以及相鄰滾珠發生圖5滾珠絲杠副模型縮短了滾珠使用壽命。圖6滾珠與絲杠螺件摩擦生熱情況截面圖圖7滾珠與絲杠螺母摩擦生熱原理32結果分析實驗結果如圖4所示，可知：絲杠與螺母溫升趨于平穩狀態后，溫度將不再上升。根據式（6）可知，滾珠絲杠副溫升趨于穩定狀態時所用的時間與自身放熱量成反比關系。絲杠螺母副趨于穩定狀態時，所用的時間越多，放熱量越少，反之放熱量越多。當絲.杠與螺母的溫升趨于平穩狀態時，溫升值分別為71、117°C,螺母溫升比絲杠溫升高。此外，由于螺母實時處于循環工

15、作狀態，因此與絲杠相比，其溫升值高。一方面，絲杠比12|7熱容大、體積大，在單位'；/7也:時間單位溫差內所釋放的6（廠熱量大，因此溫升較小；現/螺母溫升另一方面，絲杠具備很多螺紋，這些螺紋具備散熱片的功能，可以為絲杠本身散熱，因此與螺母相比，絲杠溫升較低。建立滾珠絲杠副模型如圖5所示。圖6所示為滾珠絲杠副在承受工作臺、工件以及夾具共8000N載荷，并且自身平均轉速為230r/min、平均軸向載荷為17225N的工況下的摩擦生熱分析結果。在滾珠接觸面與法線呈±45°的方向上，溫升比較明顯。這是因為加工工件的工藝路線是從右向左進行的，工件所受的軸向切削力經工作臺傳遞給

16、螺母法蘭，螺母法蘭受到自右向左的軸向載荷所導致的。另外，如圖7所示，滾珠絲杠螺紋槽最低處與最高處并未與滾珠直接接觸，這是因為槽底、槽頂部位可以存放一些潤滑油以及滾珠表面污垢，所以絲杠螺紋槽底、槽頂溫升相對較低。滾珠絲杠副熱源主要來自克服自身摩擦轉的滾動摩擦。一方面，絲杠螺紋表面局部溫度過高，會影響傳動精度；另一方面，過量的軸向載荷會將滾珠表面壓潰，加快滾珠表面金相組織發生相變，引起局部氧化脫碳，造成滾珠磨損，使滾珠絲杠副噪聲增大，也滾珠絲杠副受熱不均發生位移，如圖8所示，可知此時工作臺的位移量約為18Rm,這會直接反映到工作臺上的工件加工位置。導致區域I與區域II位移量不同的原因有2個：（1）

17、銖刀的走刀路線是從右向左開始的，由于作用力的影響，工件受X軸正向切削力并傳給工作臺，工作臺將軸向力傳給螺母，螺母將軸向力傳給滾珠，滾珠將軸向力傳給絲杠，絲杠右側區域I所受的軸向載荷大于左側區域II,所以導致絲杠右邊的位移量比左邊位移量大；（2）如圖9所示，螺母左邊設有法蘭結構，法蘭結構是螺母承受軸向載荷的主要部分，而右邊沒有法蘭結構，所以螺母左端面受力面積大于右端面受力面積，因此螺母左端面部分絲杠軸心受力小于右端面部分絲杠軸心受力，從而導致了螺母右邊絲杠變形量大于螺母左邊絲杠變形量。母左端面受力面積大于右端面受力面積，因此螺母左端面部分絲杠軸心受力小于右端面部分絲杠軸心受力，從而導致了螺母右邊

18、絲杠變形量大于螺母左邊絲杠變形量。圖8滾珠絲杠副受熱不均發生的位移導管并未與絲杠接觸，只有回程時才開始與絲杠接觸，所以停留在絲杠內的時間較短，不能充分帶走絲杠熱量,冷卻液利用不充分；（3）絲杠徑向溫度分布不均勻，容易造成熱脹冷縮；（4）給絲杠冷卻需要另外設計一個冷卻液導管，這樣還需要考慮導管自身的支撐問題，比較麻煩。溫度re31.66428.54425.42422.30419.18416.06412.9449.824066.704073.584080.464096-2.65589圖11絲杠與滾珠摩擦生熱截面溫度42螺旋式內冷結構螺旋式內冷結構如圖12所示。冷卻液從入口進卜一軸向載荷圖9螺母法蘭

19、部分受軸向載荷示意入，經由內流道到達冷卻液緩沖區，然后分別進入A、B、C、D入口，經由A、B、C、D流道在絲杠內做螺旋運動流回，最后從A、B、C、D出口流出。圖12中同時給出了A流道流走路線，流道B、C、D流走原理與A相同。A入口與軸承配合處4絲杠降溫對策41空心內冷結構給絲杠強制降溫一般是將絲杠設計成中空結構，然后通入冷卻液使其溫度降低。如圖10所示，冷卻液從入口進入，經冷卻液導管流至絲杠另-端，然后反向流回絲杠中空管道，最后從出口流出。冷卻液一來一回冷卻液緩沖室BX口C入出口呻口與軸承內流道出口P罪D出口_Jl/?iunih/1fill<utu!QOOI_>flAjAtAj/T

20、/A1!IVAVAVVMaAtAlAI)c出口D入口圖10絲杠空心式內冷卻結構然而，這種空心式內冷降溫結構有4個缺點:（1）絲杠主要發熱區域集中在螺紋表面，而不是在絲杠軸心處，圖11所示為加工中心在強切削工件時，絲杠與滾珠摩擦生熱情況，所以冷卻液流經絲杠軸心并不是對絲杠降溫最有效的方法；（2）冷卻液進入圖12螺旋式內冷卻結構以A流道為例，在保證絲杠剛度足夠的情況下，螺旋流道可以盡可能地靠近絲杠產熱區，以更加有效地進行降溫，同時也降低了絲杠徑向溫差，保證絲杠溫度均勻，緩解絲杠受熱不均所導致的徑向變形。為保證絲杠內冷卻液的流量，入水口流量一定要比出水口流量大o冷卻液緩沖室的作用是防止當冷卻液撞擊到

21、絲杠左端之后，所產生的回流趨勢影響冷卻液流勢，同時也緩解左端軸承副所產生的熱量對絲杠的影響。43空心/螺旋式內冷結構降溫實驗對比空心式與螺旋式絲杠規格均為125244。內徑分別為4)50、(|)40mmo螺旋式內冷結構各螺旋孔直徑為()125mm,略大于滾珠直徑。冷卻液溫度均為20°C,流量為3"min,黏度為0419X10-3Pa-s,比熱容為2052kJ/(kg-K),導熱系數為0147W(m-K)0如圖13所示為空心式內冷結構與螺旋式內冷結構降溫效果對比。(a)空心式內冷結構降溫效果不同。前者在絲杠非產熱區送水、回水，造成絲杠徑向溫度分布不均，后者在絲杠非產熱區送水，

22、在靠近產熱區回水，縮小了徑向溫差，更加科學合理。絲杠的溫度不是越低越好，而是整體溫度分布越均勻越好。參考文獻：1 王先奎.金屬制造工藝學M北京:機械工業出版社，2019.2 LIULQ.WANGZXAvariablevoltageMPPTcontrolmethodforphotovoltaicgenerationsystemJ.WSEASTransactionsonCircuitsandSystems,2009,8(4):335_349.3 天日和仁.滾珠稅杠的發熱對策及環保技術J世界制(b)螺旋式內冷結構降溫效果圖132種結構降溫效果對比從實驗結果來看，顏色帶分布區域越大，則代表溫度分布越不

23、均勻。反之，則代表越均勻。由圖13可知:螺旋式內冷結構的降溫效果比空心式內冷結構更加明顯;空心式內冷結構內部流道單一，這樣會使絲杠內部熱量由溫度高的區域向溫度低的區域轉移，但是熱量轉移路線很單一，都是從螺紋表面向絲杠軸心過渡，致使整個稅杠內部出現鮮明的溫度帶分布，造成了稅杠徑向溫度分布不均的情況；螺旋式內冷結構內部流道方向并不單一，稅杠內部熱量從高溫區域向低溫區域轉移的路線不是固定的，而是朝向各螺旋流道移動，在未與進水流道接觸前，先與螺旋流道接觸，這樣有利于減小絲杠徑向溫差，溫度分布會更加均勻；螺旋式內冷結構徑向溫度分布要優于空心式內冷結構，絲杠的螺紋表面溫度也有所降低。這是因為內螺旋流道均勻

24、地分布在絲杠內部的四周，使得絲杠內部溫度可以相互平衡，最終達到均衡狀態。5結論滾珠絲杠副工作時，螺母比絲杠的溫升快，當溫度達到平穩時將不再上升。滾珠絲杠副的產熱區域發生在螺紋表面而不在幺幺杠軸心處，所以采用空心式內冷結構對絲杠降溫時并沒有充分利用絲杠本身的結構。而采用螺旋式內冷結構可以進一步靠近絲杠產熱區，對絲杠降溫的同時也保證了絲杠本身徑向溫度的均勻性，減小了溫差過大造成的熱脹冷縮。空心式內冷結構與螺旋式內冷結構進水方式相同，但回水方式造技術與裝備市場,2004(3):67-69韓軍，張玲聰，李明亞.螺母副摩擦熱對高速空心/實心滾珠4絲杠熱特性影響分析J機床與液壓，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