滾珠絲杠熱變形分析對策

滾珠絲杠是機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、專用設(shè)備、自動化生產(chǎn)線等。應(yīng)用于滾珠絲杠的設(shè)備具有高速、高精度和頻繁往復(fù)運(yùn)動的特點(diǎn)。滾珠絲杠的摩擦生熱和周圍熱源的影響等諸多因素都會引起其自身的熱變形，從而降低設(shè)備的精度，從而降低產(chǎn)品的精度。因此，對于滾珠絲杠的熱變形，我們必須有對策和預(yù)防措施。

首先要對熱源進(jìn)行隔離，外部熱源較多的設(shè)備要考慮采用隔離設(shè)計(jì)，解決外部熱源引起的機(jī)架變形和滾珠絲杠的熱變形問題從源頭上。與設(shè)備主體結(jié)構(gòu)分離的熱源，如加熱元件、電機(jī)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和電氣裝置等，最好與設(shè)備主體結(jié)構(gòu)分離，設(shè)計(jì)為獨(dú)立單元。對于不能分離的單元，從結(jié)構(gòu)和潤滑方面考慮減少發(fā)熱，采用隔熱材料進(jìn)行隔熱。特殊場合需要設(shè)計(jì)風(fēng)冷、水冷等強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)。

其次，要合理選型，增加滾珠絲杠副的導(dǎo)程，也增加了滾珠絲杠副的螺旋角。在設(shè)備運(yùn)行速度不變的情況下，可以降低螺桿轉(zhuǎn)速，直接減少滾珠絲杠副的發(fā)熱。根據(jù)精度要求，應(yīng)盡量減少絲杠螺母和支撐軸承的預(yù)緊力，以降低摩擦系數(shù)。

有正確的安裝方式設(shè)計(jì)，滾珠絲杠最常用的安裝方式有“固定-自由、固定-支撐、固定-固定”3種。機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)容許軸向載荷和容許轉(zhuǎn)速來選擇合理的安裝方式。從軸向容許載荷考慮，“固定-自由”的安裝方式容許軸向載荷最小，“固定-固定”的安裝方式容許軸向載荷最大。從容許轉(zhuǎn)速考慮，“固定-自由”的安裝方式容許轉(zhuǎn)速最小，“固定-固定”的安裝方式容許轉(zhuǎn)速最大。從絲杠受熱變形的角度考慮，“固定-固定”發(fā)熱量大且對絲杠受熱變形吸收小，另外兩種安裝方式都能自由伸縮吸收掉滾珠絲杠副的熱變形。從傳動精度的角度考慮，3種安裝方式都會隨絲杠熱變形而降低。

散熱設(shè)計(jì)，熱量會引起滾珠絲杠的溫升和熱變形，而散熱是減少熱量影響，減少滾珠絲杠熱變形的有效途徑措施。散熱分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。自然冷卻適用于輕負(fù)載，對速度和精度要求不高，對滾珠絲杠的熱變形要求不高。采用自然冷卻時(shí)，一般采用“無固定”或“固定支撐”的安裝方式。強(qiáng)制冷卻分為風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷散熱適用于高速、重載、高精度和對滾珠絲杠熱變形要求嚴(yán)格的場合。采用風(fēng)冷散熱時(shí)，一般適合采用“固定支撐”和“固定固定”的方式。風(fēng)冷散熱一般通過平行于絲杠安裝風(fēng)刀并在絲杠處吹氣來實(shí)現(xiàn)。在發(fā)熱量過大，風(fēng)冷不能有效散熱的極端情況下，可以采用水冷設(shè)計(jì)。水冷散熱是用冷卻管通入螺桿的空心孔內(nèi)，將冷卻液泵入冷卻管內(nèi)。液體返回冷卻箱冷卻，再送回冷卻管循環(huán)使用。

全閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制的突出特點(diǎn)是控制系統(tǒng)對被控對象的輸出（如螺桿轉(zhuǎn)速、定位精度等和其他控制量）誤差會實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，修正后輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。由于采用精密絲杠和伺服電機(jī)組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，無法補(bǔ)償由絲杠制造誤差和熱變形誤差引起的精度誤差。絲桿加磁尺傳感器或光柵尺傳感器等新型自動化元件，結(jié)合電氣軟件的全閉環(huán)控制，用于數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體設(shè)備、各種高精度生產(chǎn)線等工況，根據(jù)對操作誤差值的測量反饋。補(bǔ)償，定位精度可達(dá)微米級以上。光柵尺傳感器以高精度著稱，0~2m范圍內(nèi)的性價(jià)比優(yōu)勢明顯。如果測量長度超過5m，生產(chǎn)難度大，成本高。磁柵尺傳感器以耐水、油、塵等污染和振動著稱，遠(yuǎn)距離可達(dá)30m，成本相對較低，2m以上性價(jià)比明顯。

合理充分的潤滑對于滾珠絲杠副來說，選擇合理的潤滑劑非常重要。選擇合理的潤滑劑可以使其產(chǎn)生良好的潤滑，有利于降低摩擦系數(shù)，減少發(fā)熱，延長使用壽命。滾珠絲杠潤滑通常采用油脂潤滑。常用的潤滑脂分為鋰基潤滑脂和尿素基潤滑脂兩大類。潤滑脂一般應(yīng)滿足低摩擦、高油膜強(qiáng)度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、高防銹性和高穩(wěn)定性。具體選用潤滑脂應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況選擇。例如，高速運(yùn)動部件應(yīng)使用低扭矩、低發(fā)熱的潤滑脂；真空環(huán)境應(yīng)使用氟基真空潤滑脂；潔凈室應(yīng)使用發(fā)塵量少的油脂。

最后對加工裝配質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，做好滾珠絲杠的加工裝配是減少附加載荷、減少滾珠絲杠發(fā)熱的有效措施。在科研和生產(chǎn)要素高度全球化和高度發(fā)達(dá)的今天，科研院所和負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)在使用時(shí)都將滾珠絲杠和絲杠支架作為標(biāo)準(zhǔn)件。優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)備離不開主設(shè)備生產(chǎn)車間的精益制造，一般負(fù)責(zé)滾珠絲杠的機(jī)架及周邊零件的加工和滾珠絲杠的組裝。

加工組裝過程中應(yīng)注意以下三點(diǎn)。(1)框架及相關(guān)加工精度的控制：主螺絲座安裝處平面度的控制符合設(shè)計(jì)要求，相關(guān)零件的公差符合設(shè)計(jì)要求。（2）絲杠開箱時(shí)的成品保護(hù)：注意螺母和端螺紋不要碰傷，拆下螺母，手動將螺母從有效螺紋的一端旋轉(zhuǎn)到另一端，感受是否有阻力是否一致，是否有明顯彎曲。注意不要將螺母擰出有效螺紋，擦去表面的防銹油，并涂上潤滑油。(3)裝配誤差控制：保證絲杠軸的偏心距、螺母的傾角、軸端徑向和軸向跳動符合圖紙的設(shè)計(jì)要求和絲杠裝配精度的參考值在滾珠絲杠的裝配過程中。

解決熱變形的關(guān)鍵是控制滾珠絲杠的發(fā)熱和良好的散熱設(shè)計(jì)。需要從設(shè)計(jì)、選型、裝配、潤滑和維護(hù)等方面綜合考慮，以保證其精度。

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