高速滚珠丝杠副气液二元冷却系统设计与仿真-中国机械工程

殼L =毩L0殼t
(1)
式中,殼L 为变形量;L0 为原丝杠 长 度;殼t为 温 升;毩 为 线 膨
胀系数。
从 式 (1)可 以 看 出 ,控 制 丝 杠 热 伸 长 的 最 好 方
高 速 滚 珠 丝 杠 副 气 液 二 元 冷 却 系 统 设 计 与 仿 真 ——— 刘 永 平 暋 陈 暋 祯 暋 芮 执 元
高速滚珠丝杠副气液二元冷却系统设计与仿真
刘永平暋陈暋祯暋芮执元
兰 州 理 工 大 学 ,兰 州 ,730050
摘 要 :针 对 高 速 滚 珠 丝 杠 进 给 系 统 由 于 摩 擦 发 热 而 导 致 丝 杠 产 生 热 变 形 误 差 的 问 题 ,提 出 一 种 高 速 滚珠丝杠副整体循环冷却和重点发热区域局部冷却的气液二元冷却方法,用 于 抑 制 机 床 因 高 速 运 转 产 生热变形而导致传动刚度和加工精度的变化。通过对不同冷却方式下 滚 珠 丝 杠 副 温 度 场 的 变 化,以 及 不 同 冷 却 速 度 情 况 下 滚 珠 丝 杠 热 变 形 的 仿 真 分 析 ,验 证 了 气 液 二 元 冷 却 系 统 的 可 行 性 。
关 键 词 :滚 珠 丝 杠 ;进 给 系 统 ;气 液 二 元 冷 却 ;科 恩 达 效 应 ;热 变 形 中 图 分 类 号 :TG502暋 暋 暋 暋 暋 暋DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2013.01.019
DesignandSimulationofGas-liquidBinaryCoolingSystemforHigh-speedBallScrew Units LiuYongping暋ChenZhen暋RuiZhiyuan
1暋滚珠丝杠副发热量与热变形关系
高速滚珠丝杠进给系统的主要热源有:滚珠丝
杠和螺母的摩擦发热、丝杠两端滚动轴ຫໍສະໝຸດ Baidu的摩擦发
热、丝杠端部驱动电机的功率损耗发热[4]。
由于影响机床加工精度的热变形主要是轴线
方向的热 变 形,因 此 不 考 虑 丝 杠 径 向 方 向 的 热 变
形,伸长量和温度的改变关系如下[1,6]:
收 稿 日 期 :2012—06—18 基金项目:国家科技重大专项(2009ZX04001-15);国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (51265023)
动,因而局部区域产生的热量也相对较多。对丝杠 进行全行程 冷 却,只 能 整 体 降 低 丝 杠 的 平 均 温 升, 并不能对运动摩擦相对频繁的局部产生的温升进 行控制[5]。
Lanzhou UniversityofTechnology,Lanzhou,730050 Abstract:Aimedatthermaldeformationerrorscausedbyfrictioninhollow high-speedball screwfeedingsystem,anewgas-liquidbinarycooling methodforthehigh-speedballscrewunits wasproposedbyadoptingtotalcirculatingcoolingandlocalcoolingonkeyheatingarea,whichcanre灢 strainthedrivestiffnessandmachiningaccuracychangescausedbythermaldeformationinthehighspeedrunning.Throughsimulation method,thechangesoftemperaturefieldinballscrewunitsun灢 derdifferentcooling methodsandthethermaldeformationinballscrew underdifferentcoolingspeed wereanalyzed.Itisprovedthatthegas-liquidbinarycoolingsystemforhigh-speedballscrewunits isfeasible. Keywords:ballscrew;feedingsystem;gas-liquidbinarycooling;Coandaeffect;thermalde灢 formation
针对上述问题,本文提出一种高速滚珠丝杠副 气液二元冷却系统,即采用将冷却油通入空心丝杠 内部进行强制循环冷却,和冷却气流对丝杠螺母副 重点发热区域进行局部冷却相结合的气液二元冷 却方式,抑制因机床高速运转带来的丝杠热膨胀导 致刚度和 精 度 发 生 变 化,并 通 过 监 测 中 空 丝 杠 入 口、出口处冷却介质的温度变化量和气体循环流量 间接控制滚珠丝杠的温升,解决丝杠的发热问题。
0暋引言
滚珠丝杠副是高档数控机床进给系统的主要 传动部件。在高速滚珠丝杠副传动系统中,由于接 触区域(丝 杠 螺 母、轴 承 等)产 生 大 量 的 热,导 致 丝 杠产生热变形误差,从而影响机床加工精度并导致 进 给 系 统 传 动 刚 度 降 低[1]。 因 此 ,如 何 抑 制 或 降 低 滚珠丝杠副的热变形,对提高机床加工精度具有重 要意义。
目前,国内外普遍采用将冷却油通入空心丝杠 进行强制循环冷却的办法来抑制滚珠丝杠的发热 问题,这种全丝杠冷却方法在一定程度上带走了由 于丝 杠 与 螺 母 副 之 间 摩 擦 而 产 生 的 热 量。Kim 等[2]应用有限元方法研究了施 加 轴 向 预 载 荷 的 滚 珠丝杠在不同转速和运行时间下的温度分布规律; Wu等[3]研究 了 滚 珠 丝 杠 进 给 系 统 的 温 度 变 化 和 热变形情况,并用有限元法对滚珠丝杠的热特性进 行了仿真分析;夏 军 勇 等[4]以 传 热 学 理 论 为 基 础, 研究了滚珠丝杠受周期变化的多热源影响而产生 的温度响应及其变化特性。但是,机床在实际加工 过程中,丝杠螺母副并不是在整个丝杠长度上进行 摩擦运动,而 往 往 是 在 某 些 局 部 区 域 频 繁 相 对 运