2017年5月23日 實(shí)心滾珠絲杠在不同轉(zhuǎn)速下溫度分布及熱變形仿真|加工中心 3.2實(shí)心滾珠絲杠在不同轉(zhuǎn)速下溫度分布及熱變形仿真首先，本文仿真了實(shí)心滾珠絲杠在不同的轉(zhuǎn)速下的溫度分布及熱位移，從而找到滾珠絲杠在高速進(jìn)給條件下的溫度分布及熱位移的規(guī)律。實(shí)心滾珠絲杠的熱特性研宄為空心絲杠的研宄提供對(duì)比數(shù)據(jù)。仿真分析的過(guò)程是按照仿真的順序進(jìn)行的，即先進(jìn)行溫度分布的研宄包括溫度分布曲線、溫度分布云圖、最高溫度值等；然后對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)中的應(yīng)力、應(yīng)變及熱變形研宄;最后對(duì)比分析空心滾珠絲杠與實(shí)心滾珠絲杠的不同，得出結(jié)論。下面是仿真分析的過(guò)程及結(jié)論：在仿真中，分別取了多組速度數(shù)據(jù)（滾珠絲杠進(jìn)給速度10m/min、15m/min、20m/min、30m/min、40m/min、60m/min、90m/min、120m/min)主要是為了探究在大的速度變化范圍內(nèi)溫度分布的趨勢(shì)，并研宄實(shí)心滾珠絲杠溫度分布隨進(jìn)給速度的增大而變化的規(guī)律。從圖中說(shuō)明：（1)隨著絲杠轉(zhuǎn)速的提高，絲杠中軸線上的溫度逐漸升高，即絲杠的整體溫度逐漸升高。（2)在螺母處的溫度較絲杠的其他部分高出很多，說(shuō)明螺母處的發(fā)熱是主要的熱源。而兩端支撐軸承作為次要的熱源，其發(fā)熱量很小。從轉(zhuǎn)速60m/min時(shí)的溫度分布圖像3.3、圖像3.4也可看出這一點(diǎn)。因此，針對(duì)螺母處的局部重點(diǎn)冷卻是非常有必要的，為此本文提出空心滾珠絲杠冷卻與空心螺母冷卻相結(jié)合的冷卻方式抑制滾珠絲杠的軸向熱伸長(zhǎng)。隨著滾珠絲杠進(jìn)給速度的線性增加，滾珠絲杠產(chǎn)生的熱量通過(guò)理論公式呈線性關(guān)系。因此，滾珠絲杠的散熱過(guò)程及變化規(guī)律是研究的重點(diǎn)。因此，從上面仿真的數(shù)據(jù)中提取進(jìn)給速度分別是15m/min、30m/min、60m/min、120m/min的倍增的部分?jǐn)?shù)據(jù)，如圖3.5部分?jǐn)?shù)據(jù)組成的中心軸線上的溫度分布。從圖中說(shuō)明：（1)從整體上看轉(zhuǎn)速每增加一倍，絲杠的中軸線上的溫度幾乎是增加一倍，預(yù)計(jì)其散熱量也會(huì)增加一倍，同時(shí)熱變形量預(yù)計(jì)也會(huì)線性增加，這對(duì)于提高滾珠絲杠的進(jìn)給速度非常不利。（2)當(dāng)機(jī)床的進(jìn)給速度較高時(shí)，螺母處的溫度太高有可能會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油失效或是絲杠膨脹卡死，這是在滾珠絲杠高速進(jìn)給時(shí)不允許出現(xiàn)的。（3)經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)階段我國(guó)精工機(jī)床普遍的高速切削速度在1〇m/min左右，最高處螺母處的溫升為40°C,估算平均溫升在4°C—7°C,其對(duì)應(yīng)的熱變形量0.06mm。如果采用空心滾珠絲杠將熱變形量降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)于目前提高我國(guó)精工機(jī)床的定位精度有重要的意義。圖3.6—圖3.9是進(jìn)給速度60m/min時(shí)的不同的方向的熱位移云圖及總熱位移云圖。從圖上的數(shù)據(jù)可以看出，滾珠絲杠在X軸、Y軸方向的熱位移為0.0001mm數(shù)量級(jí)的數(shù)值，在Z軸方向的熱位移為0.01mm數(shù)量級(jí)，Z軸方向與總的熱變形量在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，幾乎相等。說(shuō)明滾珠絲杠的軸向熱伸長(zhǎng)是主要的熱變形方向，較大的軸向熱伸長(zhǎng)嚴(yán)重影響高速滾珠絲杠的定位精度。圖3.10是滾珠絲杠的溫度應(yīng)變圖。******應(yīng)變?yōu)?.0047284mm/mm，從圖中可以反映溫度變化******的位置即溫度梯度******的位置是螺母所在的位置，因此對(duì)于螺母的重點(diǎn)冷卻是必要的。圖3.11是由圖3.6—圖3.9的數(shù)據(jù)生成的圖像，從圖3.11更能明顯的看出實(shí)心滾珠絲杠在Z軸的變形量幾乎與總的變形量重合。其他進(jìn)給速度下的熱變形圖像與進(jìn)給速度60m/min類似，做同樣的分析。從而說(shuō)明了滾珠絲杠的軸向熱伸長(zhǎng)是主要的熱變形。另外，在不同轉(zhuǎn)速下的滾珠絲杠的徑向熱變形量對(duì)于滾珠絲杠與螺母、支撐軸承的配合具有較大的影響；同時(shí)也會(huì)增大滾珠絲杠的預(yù)緊力，進(jìn)而發(fā)熱量增加，形成惡性循環(huán)。圖3.12是不同轉(zhuǎn)速下的絲杠徑向的熱變形圖。從圖上可以看出：(1)滾珠絲杠在高速進(jìn)給時(shí)，其徑向熱變形量隨著絲杠轉(zhuǎn)速的增大，徑向熱膨脹很大（0.01mm數(shù)量級(jí)上）。這會(huì)嚴(yán)重影響滾珠絲杠的預(yù)緊力大小，甚至影響到兩端軸承的裝配精度。(2)對(duì)比圖3.15滾珠絲杠軸向伸長(zhǎng)量，在絲杠兩端支撐軸承處，滾珠絲杠徑向的熱膨脹明顯。由此可知，軸承熱源對(duì)徑向的變形量的影響大于對(duì)絲杠軸向的熱伸長(zhǎng)量。由圖3.13可知：滾珠絲杠徑向熱膨脹量與滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速的成正比關(guān)系。圖3.14是圖3.2對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的滾珠絲杠熱位移圖，圖像是在除了溫度分布邊界外沒(méi)有任何的約束的條件下得出的。從圖中說(shuō)明：絲杠的熱伸長(zhǎng)量與絲杠軸線的溫度分布趨勢(shì)極其相似吻合。因?yàn)樵诼菽柑幤錅囟容^高，溫度梯度較大（從圖2.2、圖2.5絲杠的溫度分布圖可以看出），相應(yīng)的仿真出的熱變形曲線曲率的絕對(duì)值較大，即溫度梯度較大，熱變形量較大，即反映在圖上熱伸長(zhǎng)量最小的位置；而在遠(yuǎn)離螺母處溫度變化緩慢，溫度梯度小，熱伸長(zhǎng)量的變化也變得較為緩和。另外，從圖中也可看出隨著轉(zhuǎn)速的增大，滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)量變化很大（1mm數(shù)量級(jí)），說(shuō)明滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)問(wèn)題是伺服進(jìn)給系統(tǒng)在高速化過(guò)程中難以回避的問(wèn)題。圖3.15與圖3.16是圖3.14在不同坐標(biāo)系下的總的熱位移圖。圖3.14主要反映了滾珠絲杠自由熱伸長(zhǎng)的過(guò)程，其變化規(guī)律與絲杠的熱應(yīng)變規(guī)律是一致的；圖3.15與圖3.16反映了實(shí)心滾珠絲杠總的變形量的大小。圖3.15是滾珠絲杠總變形的圖像對(duì)比，其******值與最小值之差即為絲杠的熱變形量。從圖中可以看出：（1)隨著轉(zhuǎn)速的增加，熱變形量逐漸增加，其熱變形量在毫米數(shù)量級(jí)上，而一般的高速伺服進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度在0.01mm數(shù)量級(jí)上。因此，滾珠絲杠在高速進(jìn)給時(shí)絲杠的軸向熱變形不可忽略的。圖2.16、圖3.17是圖3.15的部分?jǐn)?shù)據(jù)組成的圖像，從圖中可以看出轉(zhuǎn)速每增加一倍，其熱變形量幾乎增加一倍。說(shuō)明實(shí)心滾珠絲杠的熱位移量與轉(zhuǎn)速幾乎成正比關(guān)系。表3.4、圖3.18分別是理論計(jì)算與仿真結(jié)果的對(duì)比表、對(duì)比圖。從數(shù)據(jù)分析說(shuō)明：(1)滾珠絲杠在進(jìn)給速度l〇m/min—120m/min的范圍內(nèi)理論計(jì)算與仿真結(jié)果并不是完全的重合，有一定的誤差。本文認(rèn)為這是因?yàn)椋?、在低速進(jìn)給階段可能是由于參數(shù)的設(shè)置有少許的偏差；在高速進(jìn)給階段則是因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)給定初始值，隨著迭代次數(shù)的增加，相關(guān)的參數(shù)會(huì)出現(xiàn)隨溫度場(chǎng)的變化。2、從圖3.3、圖3.4中也可看出在靜態(tài)仿真時(shí)的弊端，即絲杠上與螺母接觸處的溫度有較大的溫升，不符合絲杠上溫度較為均勻的實(shí)際情況，從而成為理論推導(dǎo)與仿真不相吻合的一個(gè)重要因素。同理，在空心絲杠仿真結(jié)果與理論計(jì)算之間或許也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。(2)從圖3.18可以明顯地看出實(shí)心滾珠絲杠的熱位移與絲杠的進(jìn)給速度近似成正比關(guān)系。表3.4實(shí)心絲杠理論計(jì)算與軟件仿真對(duì)比滾珠絲杠的計(jì)算參數(shù)：工作臺(tái)和工件重500kgf,加速度lg,導(dǎo)程40mm,長(zhǎng)度1000mm,有效行程720mm,******進(jìn)給速度120m/min,要求壽命L=25000h(五年），引導(dǎo)面（滑動(dòng)）0.002,重復(fù)定位精度0.01。 轉(zhuǎn)速（r/min) 250 375 500 750 理論絲杠熱變形（mm) 0.48 0.72 0.92 1.44 仿真絲杠熱變形（mm) 0.567 0.8218 1.0758 1.5852 轉(zhuǎn)速（r/min) 1000 1500 1500 3000 理論絲杠熱變形（mm) 1.84 2.88 4.32 5.76 仿真絲杠熱變形（mm) 2.0945 3.2483 4.6383 5.1673 然而整體上來(lái)看，誤差在允許的范圍內(nèi)，不會(huì)影響絲杠軸向熱分析。從而實(shí)現(xiàn)了仿真結(jié)果對(duì)理論模型的驗(yàn)證，說(shuō)明本文簡(jiǎn)化的模型正確，證實(shí)了絲杠的軸向熱位移與溫升呈線性關(guān)系。針對(duì)上面實(shí)心滾珠絲杠在高速進(jìn)給過(guò)程中出現(xiàn)的熱膨脹量及熱伸長(zhǎng)量過(guò)大的問(wèn)題，本文提出采用中空滾珠絲杠、中空冷卻和螺母同時(shí)通入冷卻液的方法進(jìn)行絲杠的冷卻。本文采摘自“空心滾珠絲杠在精工機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用研究”，因?yàn)榫庉嬂щy導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無(wú)法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！ ? 上一篇 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析|加工中心下一篇 ? 國(guó)外滾珠絲杠熱特性的研宄現(xiàn)狀|加工中心