高速空心滚珠丝杠伺服进给系统的热特性研究

摘要

数控机床正朝着高速高精度的方向发展，机床加工过程中机床的非加工时间占了整个加工时间一半以上，为了提高机床的加工效率，提高进给速度也成了机床发展的一个及其重要的方面。随着滚珠丝杠进给速度的提高，滚珠丝杠螺母和轴承副之间产生的热量不断增加，滚珠丝杠的温升会增大其热变形，从而会降低滚珠丝杠的传动精度，最终使得机床的加工精度降低。因此伺服进给系统在高速进给时滚珠丝杠温升的不可控成了机床高速发展的瓶颈。针对这一问题，提出将实心滚珠丝杠加工成空心及将实心螺母加工成实心螺母，并向空心滚珠丝杠和空心螺母内通入冷却介质的方法来抑制温升，从而抑制了滚珠丝杠的热变形。空心滚珠丝杠和空心螺母的提出对机床高速发展的意义重大。
　　论文首先介绍了伺服进给系统的工作原理，论述了机床伺服进给系统空心滚珠丝杠热特性研究的背景和意义，并对空心滚珠丝杠热特性在国内和国外的研究情况进行了说明。
　　其次，对滚珠丝杠轴承副和螺母副的摩擦生热量及热边界条件进行理论计算。以NSK公司的H40-12空心滚珠丝杠为例，通过计算得到了与H40-12刚度相同的实心滚珠丝杠的外径为38.2mm。运用Solidworks软件建立同刚度的空心/实心滚珠丝杠的轴承副三维模型、螺母副三维模型、空心螺母三维模型及伺服进给系统三维模型，分别将三维模型导入到ANSYS Workbench瞬态热分析模块（Transient Thermal）中，然后将计算得到的滚珠丝杠轴承副的摩擦热和不同工况下的热边界条件加载到空心/实心滚珠丝杠轴承副各部位进行瞬态热分析，然后再将分析结果导入到静态分析模块（Static Structure）中，分别对各个模型的受力变形，热变形及热-结构耦合变形进行分析，通过以上分析得：空心滚珠丝杠热变形小于实心滚珠丝杠热变形，而且通过通入冷却介质，滚珠丝杠的温升得到了控制；空心/实心滚珠丝杠变形形式近似相同；空心滚珠丝杠轴承副和螺母副温升受轴向载荷和转速的变化影响很小及通入冷却介质的最优流速为1m/s。运用ANSYS CFX对空心螺母通入冷却介质之后不同流速下的腔体内流态和冷却效果进行分析，揭示了空心螺母腔体内不同冷却介质和不同流速下流体的流动和变化规律，并得出了冷却介质采用专用冷却油且流速为0.5m/s为最优。通过分析不同开孔的空心滚珠丝杠受力变形、传热及热-结构耦合变形，确定了当滚珠丝杠外径为40mm时最优的内孔直径为12mm。综合以
　　上分析发现采用空心滚珠丝杠和空心螺母的伺服进给系统在提高定位精度和控制温升的方面具有优越性，为高速高载机床的发展提供了理论基础和实践依据。

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1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 确定降低温度的方案

1.4 课题研究主要内容

2 空心/实心滚珠丝杠建模及理论研究

2.1 课题相关三维建模

2.2 滚珠丝杠轴承副和螺母副摩擦生热理论计算

2.3 滚珠丝杠副传热理论计算

2.4 空心/实心滚珠丝杠进行热变形理论分析

2.5 滚珠丝杠热-结构耦合变形理论计算

2.6 本章小结

3 空心/实心滚珠丝杠轴承副热特性研究

3.1 滚珠丝杠轴承副传热分析

3.2 滚珠丝杠轴承副受力变形分析

3.3 滚珠丝杠轴承副受热变形分析

3.4 滚珠丝杠轴承副热-结构耦合变形分析

3.5 不同工况对空心/实心滚珠丝杠温度影响分析

3.6 本章小结

4 空心/实心滚珠丝杠螺母副热特性研究

4.1 空心/实心滚珠丝杠传热分析

4.2 空心/实心滚珠丝杠受力变形分析

4.3 滚珠丝杠受热变形分析

4.4 滚珠丝杠热-结构耦合分析

4.5 内孔大小对空心滚珠丝杠热特性影响分析

4.6 空心冷却螺母热特性分析

4.7 本章小结

5 应用空心/实心滚珠丝杠的机床伺服进给系统热特性的对比研究

5.1 伺服进给系统传热分析

5.2 伺服进给系统变形分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢