滾珠絲杠熱變形分析對策

 滾珠絲杠是機械設備的關鍵部件，廣泛應用于數控機床、專用設備、自動化生產線等。應用于滾珠絲杠的設備具有高速、高精度和頻繁往復運動的特點。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，從而降低設備的精度，從而降低產品的精度。因此，對于滾珠絲杠的熱變形，我們必須有對策和預防措施。

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

 其次，要合理選型，增加滾珠絲杠副的導程，也增加了滾珠絲杠副的螺旋角。在設備運行速度不變的情況下，可以降低螺桿轉速，直接減少滾珠絲杠副的發(fā)熱。根據精度要求，應盡量減少絲杠螺母和支撐軸承的預緊力，以降低摩擦系數。

 有正確的安裝方式設計，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。機械設計時，通常根據容許軸向載荷和容許轉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。從容許轉速考慮，“固定-自由”的安裝方式容許轉速最小，“固定-固定”的安裝方式容許轉速最大。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。

 散熱設計，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制冷卻。自然冷卻適用于輕負載，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，一般采用“無固定”或“固定支撐”的安裝方式。強制冷卻分為風冷和水冷。風冷散熱適用于高速、重載、高精度和對滾珠絲杠熱變形要求嚴格的場合。采用風冷散熱時，一般適合采用“固定支撐”和“固定固定”的方式。風冷散熱一般通過平行于絲杠安裝風刀并在絲杠處吹氣來實現。在發(fā)熱量過大，風冷不能有效散熱的極端情況下，可以采用水冷設計。水冷散熱是用冷卻管通入螺桿的空心孔內，將冷卻液泵入冷卻管內。液體返回冷卻箱冷卻，再送回冷卻管循環(huán)使用。

 全閉環(huán)控制設計，與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制的突出特點是控制系統(tǒng)對被控對象的輸出（如螺桿轉速、定位精度等和其他控制量）誤差會實時反饋給控制系統(tǒng)，修正后輸出，形成一個或多個閉環(huán)。由于采用精密絲杠和伺服電機組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，無法補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，結合電氣軟件的全閉環(huán)控制，用于數控機床、半導體設備、各種高精度生產線等工況，根據對操作誤差值的測量反饋。補償，定位精度可達微米級以上。光柵尺傳感器以高精度著稱，0~2m范圍內的性價比優(yōu)勢明顯。如果測量長度超過5m，生產難度大，成本高。磁柵尺傳感器以耐水、油、塵等污染和振動著稱，遠距離可達30m，成本相對較低，2m以上性價比明顯。

 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生良好的潤滑，有利于降低摩擦系數，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。潤滑脂一般應滿足低摩擦、高油膜強度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、高防銹性和高穩(wěn)定性。具體選用潤滑脂應根據實際工況選擇。例如，高速運動部件應使用低扭矩、低發(fā)熱的潤滑脂；真空環(huán)境應使用氟基真空潤滑脂；潔凈室應使用發(fā)塵量少的油脂。

 最后對加工裝配質量進行嚴格控制，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。在科研和生產要素高度全球化和高度發(fā)達的今天，科研院所和負責機械設備研發(fā)生產的企業(yè)在使用時都將滾珠絲杠和絲杠支架作為標準件。優(yōu)秀的機械設備離不開主設備生產車間的精益制造，一般負責滾珠絲杠的機架及周邊零件的加工和滾珠絲杠的組裝。

 加工組裝過程中應注意以下三點。(1)框架及相關加工精度的控制：主螺絲座安裝處平面度的控制符合設計要求，相關零件的公差符合設計要求。（2）絲杠開箱時的成品保護：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計要求和絲杠裝配精度的參考值在滾珠絲杠的裝配過程中。

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