數控機床絲杠的錯流內冷結構設計與（yǔ）研究
2021-7-7 來（lái）源： 廣西科技師範學院 職業技術教育學院 作者：李帥（shuài） 郭言國
摘要（yào）：機床進給用絲杠需要進行（háng）降溫以提高加工精度，文中分析了絲杠空心內冷結構降溫存在的不足，並設計（jì）了一種錯流內冷結構對絲（sī）杠降溫。通過對絲杠（gàng）的壓杆穩定性（xìng）和係統剛度（dù）驗算，確所設計的內冷結（jié）構符合工作要求。然後對比分析實心（xīn）、空心、錯流內冷絲杠（gàng）的降溫（wēn）效果，最後得出錯流式內冷結構絲杠降溫（wēn）效果最為（wéi）明顯的結論。
關鍵詞（cí）：機床；加工精（jīng）度；絲杠；降溫
0 引 言
高速、高精數（shù）控加工機床已成為世界主流，而我國高端（duān）機床國產（chǎn）率還處於較低水平。據調查，從2014—2019年我國高端（duān）數控機床國產化（huà）率僅上升4%，如圖1所示。如圖2所示，我國高端數控機床進展緩（huǎn）慢的主要原因是機床精度和（hé）穩定性差，其（qí）次是故障頻發，然後是耐用度低。作為數控機床進給部件，絲杠由於受到溫升（shēng）影（yǐng）響（xiǎng）而發生膨脹，導致進給（gěi）量發生偏移，最（zuì）終（zhōng）零件精度也會受到影響。所以將（jiāng）絲杠進行合（hé）理恰當的降溫在（zài）一定程度上可以改善（shàn）機床的加（jiā）工精度。
1、絲（sī）杠（gàng）空心內冷結構分析（xī）
如圖3所（suǒ）示，絲杠（gàng）空心式內（nèi）冷結構是現在內冷卻的普（pǔ）遍做法，具體做法是：首先將絲杠做成中空型式，然後放入導管至（zhì）絲杠另一端（duān），最後通入（rù）冷卻液。冷卻液從導管（guǎn）入口開始流入（rù），經導管流至管底（dǐ）後，開始與絲杠內徑接觸，然後（hòu）反向流回，最後（hòu）流出絲杠。
然而，絲杠空心內冷結構的設計存在著如下幾個問題：1）降溫效果不明顯。絲杠（gàng）主要發熱源是在螺紋表麵處，並不在絲杠軸（zhóu）心（xīn）處，想對絲杠軸心進行冷卻而達到讓整個絲（sī）杠（gàng）降溫，並不是最（zuì）科學的（de）降溫方（fāng）法。2）冷卻液與絲杠接觸時間過短。冷卻液從導管入口（kǒu）進入，但並未杠相接觸，等到冷卻液回程時（shí）才開始與絲杠接觸（chù），這樣會導致冷卻液利（lì）用不充分，降溫效果差、效率低。3）絲（sī）杠徑向溫度分（fèn）布不均勻。冷卻液在絲杠內並（bìng）未均勻分布，而是（shì）集（jí）中在絲杠軸心處，這樣就造（zào）成了絲杠表麵（miàn）溫度過熱，軸心溫度過冷，容易受到熱脹冷（lěng）縮的影響。4）設計不夠簡化。空心式（shì）內冷結構還需要設計（jì）一個冷卻（què）液導管，如（rú）果導管（guǎn）過長的話，還（hái）需要考慮導管本身的（de）支撐問題，所以比較麻煩。綜合以上原因，空心式內冷結構對於絲杠（gàng）降溫來說，並不（bú）是最科學有效的辦法。
2、絲杠錯流內冷結構的設計
如圖4所示，錯流式內冷結構省去了冷（lěng）卻液導管，用內流（liú）道替代。進水、回水分別有各自的路線，分工明確，一體化設計。冷卻（què）液首先從（cóng）入口流入，沿著內流道流（liú）至絲杠（gàng）另一端，然後分別進入A、B、C、D四（sì）個回流流道，冷卻液分（fèn）別沿著A、B、C、D流道流回，最後從（cóng）冷卻液出口（kǒu）流出。冷卻液（yè）從右至左，然後再從左至右的過程中帶走絲杠內部熱量，達到降溫的效果。
2.1 參考尺寸設定
由於要（yào）預（yù）留（liú）出（chū）絲杠內冷（lěng）結（jié）構空間，所以絲杠的直徑不（bú）宜過小，至少在100mm以上。4個回流流道的直徑（jìng）要略大於滾珠直（zhí）徑。另外，為保證足夠的流量，冷卻（què）液進水口（kǒu）一定要大於出水口，絲杠設計參數如表1所示。
2.2 絲杠的穩定性分析
如圖5所示，絲杠內冷結構的危險部位在回流流道的入口處。當機床加工零件時（shí），絲杠會承受一定的軸向載（zǎi）荷，此時絲（sī）杠內冷（lěng）結構也會受到一（yī）定影響，首先最有可能受到衝擊的就是回流流道入口，所以要對回流流道（dào）入口進行壓杆穩定性分析。
2.2.1 抗彎強度驗算（suàn）
絲杠安裝方（fāng）式為左端固定、右端遊動的形（xíng）式。當機床在強切削工況下，絲（sī）杠所受的軸向載荷約為3000 N（如圖6），此時絲杠最大位移量約為2.4 mm，發生在右端遊動軸承處，此（cǐ）後隨著絲杠（gàng）長度增（zēng）加，絲杠受軸向載荷的影響開始減輕。
絲杠內（nèi）冷結構回流流（liú）道（dào）入口處受軸向載荷情況如圖7所示。根據圖7（a）可知，內冷結構（gòu）回流流道入口處所受的應力（lì）最大約（yuē）為（wéi）0.59 MPa，而根據預拉伸力表達式：
絲杠（gàng）抗拉強度驗算公式為：
依據式（1）、式（shì）（2），絲杠（gàng）內冷結構的許用拉應力約為4.97 MPa，小（xiǎo）於抗拉強度為470～640 MPa的硬質合金鋼的許用拉應（yīng）力，所以設計的絲杠內（nèi）冷（lěng）結構的抗拉強度是滿足自身工作要求的。而根據圖7（b）所示，在相同的（de）工況（kuàng）下，將內冷結（jié）構回（huí）流流道入口由原先的圓形改為橢圓（yuán）形，那麽回流流道入口所承受的（de）應力最大約為0.45 MPa，結構穩定性要優（yōu）於圓形回流流道入口結構，比圓形結構更加耐用，所能承受的軸（zhóu）向載荷也更大。在機床驅動電動機功率為12 k W、轉速為300 r/min的強切削工況下，回流流道入口處受到的（de）扭轉情況如圖8所（suǒ）示。絲（sī）杠內冷（lěng）結構回流流道入口處所受到的轉矩影響很微弱（ruò），對其本身（shēn）結構並（bìng）不構成影響，可以保（bǎo）持（chí）正常工作。
2.2.2 剛度驗算
絲杠的係統剛度是隨著與其配（pèi）合的螺母位置變化而變化的。當螺母位於絲杠兩端時，絲杠係（xì）統剛度最大（dà），而螺母在絲（sī）杠中間時，絲杠剛度則最小。根據滾珠絲杠拉壓剛度驗算表達（dá）式（shì）：
其（qí）中：Ra為絲杠螺母（mǔ）副的拉壓剛度，N/μm；L′為螺母中點到兩端軸承支點的距（jù）離，mm；L為絲杠兩軸承之間的距離，mm；d2為絲（sī）杠螺紋底徑，mm。兩軸承支（zhī）撐點之間的距離L=1320 mm，絲（sī）杠螺紋底徑d2=115 mm。根 據式（3），當 螺 母 處（chù） 於 絲（sī）杠 中 間 位 置時，絲杠的拉壓（yā）剛度（dù）最小，數（shù）值為6612.5 N/μm，當螺母處於絲杠兩（liǎng）端極限位置時，絲杠拉壓剛（gāng）度最大，數值為15 519.4 N/μm。而兩端支承軸承采用的是角接觸球軸承，安裝（zhuāng）方式為一端固定，另（lìng）一端遊動。剛度根據軸承組合剛度表達式確定：
根據式（4）得出預緊後絲杠兩（liǎng）端軸承組合（hé）剛度為670N/μm。而預（yù）緊之後的滾（gǔn）珠（zhū）與滾道的接（jiē）觸剛度根（gēn）據滾珠絲杠副滾珠與滾道接觸（chù）剛（gāng）度驗算（suàn）表達式確定：
式中：R"為軸向接觸剛度，N/μm；根據山東濟寧博特精（jīng）密絲杠製造（zào）有限公司G型反向器滾珠絲（sī）杠副（fù）樣（yàng）本，型號為2520-4，軸向（xiàng）接觸（chù）剛度為1800 N/μm。Fp為滾珠絲杠副（fù）預緊時的軸向載荷，N；根據（jù）滾珠（zhū）絲杠副預緊力公式：
3 、絲杠錯流內冷結構降溫效果分析
錯流式內冷結構具備以下幾個優點：1）降溫效果顯著。在絲杠內，因為各冷卻流道更靠近絲杠（gàng）產（chǎn）熱區域（yù），所以（yǐ）能更加有效地進行降溫。2）冷（lěng）卻液利用充分。冷卻液從絲杠入口進（jìn）入開始直到流出結束，一直保持（chí）與絲杠接觸，增加了與絲杠的接觸時間。3）均（jun1）勻降溫（wēn）。冷卻液在絲杠內（nèi）沿4個回流流道流回，使得絲杠溫（wēn）度分布更加均勻。4）結構簡單。無需冷卻液導管輔助送水，冷（lěng）卻液進入和流出都在絲杠自身內完成，且各自都有專門的（de）流道，一體化設計，分工明確。
從圖（tú）9中可以看出，無內冷結構絲（sī）杠平均溫度由20 ℃上升至37.8 ℃，而空心內冷結構絲杠（gàng）平（píng）均溫度由20 ℃上升（shēng）至29.5 ℃，錯流內冷結構絲杠平均溫度（dù）由20 ℃上（shàng）升至27.1 ℃。與（yǔ）無冷卻結（jié）構絲杠相比，錯流內冷結構絲（sī）杠平均溫度降低了10.7 ℃，溫度降低明顯（xiǎn）。與空心內冷結構絲杠相比，平均溫度降低了2.4 ℃。空心式內冷（lěng）結構絲杠要比無內冷結構絲杠降（jiàng）溫效果明顯，溫度降低約為8.3 ℃。如圖10所示，無內冷結構絲杠達到溫度（dù）平穩（wěn）用時較其（qí）餘兩種內（nèi）冷結構用時更長，用時為7 h，分別比空心、錯流內冷結構多用時3 h和4 h。錯流內冷（lěng）結構溫升加速用（yòng）時（shí）較其他兩種內冷結構用時最短，用（yòng）時為1 h，分別比無內冷、錯流內冷結構快2 h和1 h。同時，溫升放緩用時也相對較少，與空心（xīn）內冷結構持平，比無內冷（lěng）結構快2 h。由此可見，錯（cuò）流式內冷結構較無內冷、空心內冷結構相（xiàng）比會最先達到溫度平衡狀態。
4 、結語
本文首先對我國目（mù）前數控機床自主生產能力以及國產率進行了調查分析，得出中低端機床我國（guó）尚且可以自行生產，但高端機床仍然依賴於進口的結論。分（fèn）析了限製我國數控機床發（fā）展步伐的主要因素就是加工精度不足和穩定性較差。其次，通過在（zài）絲杠內部（bù）通入冷卻液進行強製降溫的方法，以減少受熱膨脹對幾（jǐ）何精度的影響，從（cóng）而達（dá）到提高工件加工精度（dù）的目的。針對絲杠傳統內冷結構的降溫特（tè）點與不（bú）足，提出了絲杠錯流式（shì）內冷結構（gòu）的設計方案，通過對絲杠錯（cuò）流內冷結構（gòu）的拉（lā）杆穩定性驗算和整體係統剛度驗算，驗（yàn）證了所設計的內冷結構是符合工作要求的。最後，通過對絲杠錯流（liú）內冷結構與空心式內冷結構及無（wú）內冷結構的降溫效果進行對比分析，得出絲杠錯（cuò）流式內冷結構的降溫（wēn）效（xiào）果要（yào）優於空心式（shì）和實心式內冷結構的結論。
投稿箱（xiāng）：
如果您有機（jī）床行業、企業相關新（xīn）聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機（jī）床行業、企業相關新（xīn）聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信（xìn）息
