不同工况下高速空心滚珠丝杠的热特性研究*

曹巨江，李龙刚，刘言松，孙建功

(陕西科技大学机电工程学院，西安 710021)

0 引言

滚珠丝杠螺母副作为数控机床进给驱动系统的主要功能部件，对于数控机床向高速化方向发展起着非常重要的作用。但是滚珠丝杠在高速下长时间运行将会导致丝杠温度的上升，使其产生轴向热位移，直接导致机床进给轴的定位精度下降。目前对于高速滚珠丝杠副多采用空心滚珠丝杠副强制冷却、滚珠丝杠副螺母和支承轴承冷却、预压转换滚珠丝杠副、实时补偿热变形等先进技术来取得较好的温升效果，最大限度抑制滚珠丝杠的热位移［1］。其中抑制热变形最有效的方式是对滚珠丝杠副进给系统进行强制冷却［2］。本文以某高速精密机床X轴使用的高速空心滚珠丝杠为研究对象，分别在ANSYS中对不同转速和不同冷却液流量下的温度场和热变形进行分析，分析结果可为空心滚珠丝杠的热设计提供参考。

1 温度场数学模型及边界条件的确定

空心滚珠丝杠的主要热源是轴承的旋转摩擦生热和螺母的移动摩擦生热。丝杠与外界的热交换主要包括丝杠与中空孔内冷却液的强制对流换热和丝杠与周围空气之间的旋转对流换热。

由于空心滚珠丝杠工作过程中导热系数为常数，无内热源且载荷为轴对称形式，所以其圆柱坐标系下的导热微分方程为［3］:

x、y、z——空间笛卡尔坐标;

τ——时间坐标;

t——物体的温度。

其初始条件为:

本文中取滚珠丝杠与工作环境的初始温度均为20℃。……