加工中心絲杠冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計與試驗

□ 李太松

通用技術(shù)沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

滾珠絲杠副作為高速加工中心進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件,由于工作時間長,克服摩擦轉(zhuǎn)矩做功會產(chǎn)生大量熱量。這些熱量如不能及時散發(fā),就會導(dǎo)致絲杠發(fā)熱膨脹,將直接影響機床的運行狀態(tài)和精度。絲杠的溫升直接影響到熱伸長變形,有研究結(jié)論1 m長的絲杠每溫升1 K熱伸長大約為0.012 mm,所以不斷降低溫升影響一直是高精度機床設(shè)計制造追求的目標(biāo)之一。通過絲杠預(yù)拉伸、閉環(huán)控制等方式,在一定情況下能夠起到很好的補償效果,但要同時兼顧快移不小于60 m/min高速度、定位不大于0.008 mm高精度的現(xiàn)代高速高精加工中心技術(shù)要求,僅僅補償是不夠的,在根本上還是要解決加工中心絲杠生熱和迅速散熱的問題。

為實現(xiàn)迅速散熱的目的,采用油或水循環(huán)冷卻是非常有效的一種手段。但循環(huán)冷卻液吸收的熱量不僅來源于螺母副的摩擦生熱,也來源于絲杠其它結(jié)構(gòu),在多數(shù)情況下螺母產(chǎn)生的熱量不能被冷卻液完全帶走,殘余熱量造成滾珠絲杠副自身溫度升高。

絲杠具體冷卻方式可以分為兩大類,一種是絲杠中空內(nèi)冷方式,另一種是螺母冷卻方式。前者根據(jù)進(jìn)出冷卻油結(jié)構(gòu)的不同可進(jìn)一步分為兩端出油和一端出油兩種方式。

絲杠中空內(nèi)冷方式通過絲杠中心孔通入油或水來冷卻,冷卻范圍覆蓋螺母行程和兩端支承軸承位置,可以高效控制溫升,抑制絲杠熱伸長,從而達(dá)到保證加工中心定位精度的目的。另一方面,中空絲杠的質(zhì)量輕,轉(zhuǎn)動慣量小,使電機驅(qū)動扭矩要求降低,有利于實現(xiàn)高速快移。

螺母冷卻方式比較中空絲杠冷卻方式,在結(jié)構(gòu)上更為簡單。有文獻(xiàn)顯示,螺母發(fā)熱占絲杠總發(fā)熱量的60%～80%,兩端支承軸承發(fā)熱量占比約為30%。所以螺母冷卻也是一種較為經(jīng)濟實用的冷卻方式,被國內(nèi)外很多機床結(jié)構(gòu)采用。

2 絲杠副熱源分析

2.1 發(fā)熱源分析

滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)主要由伺服電機、聯(lián)軸節(jié)、前電機座、滾珠絲杠副、工作臺及后軸承座等部件組成。系統(tǒng)中可能導(dǎo)致熱變形誤差的主要熱源來自螺母的移動摩擦生熱和軸承旋轉(zhuǎn)摩擦生熱,此外,伺服電機軸散熱傳導(dǎo),以及聯(lián)軸節(jié)摩擦生熱在高速進(jìn)給工況下也不可忽視。標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副傳熱如圖1所示。

▲圖1 標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副傳熱

2.2 熱傳導(dǎo)原理分析

根據(jù)絲杠傳熱模型,采用中空絲杠結(jié)構(gòu),在通入冷卻液后,熱量在絲杠、內(nèi)外冷卻液、空氣之間傳遞。熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反,會產(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象。當(dāng)生熱和散熱達(dá)到平衡時,滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,這時的溫度場不隨時間而改變。同理,螺母冷卻結(jié)構(gòu)對內(nèi)部滾珠進(jìn)行冷卻,實現(xiàn)絲杠周邊熱傳遞至熱平衡,從而達(dá)到控制溫升的目的。

3 冷卻方式具體結(jié)構(gòu)設(shè)計

采取不同的冷卻方式,受到三個因素的影響。第一個是冷卻效果,良好的冷卻效果是采用的前提。第二個是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和維護(hù)性。第三個是經(jīng)濟性。這些因素都是設(shè)計者需要考慮的范疇。在實際應(yīng)用中,經(jīng)濟有效的冷卻結(jié)構(gòu)是推廣的必要條件。

3.1 一端進(jìn)油一端出油

這種方式普遍在10年前的日本加工中心機床上出現(xiàn),冷卻油從油冷機輸出,一般從軸承座端輸入絲杠中心孔,流經(jīng)整個絲杠行程后帶走熱量,最后從絲杠電機座端的油管返回油冷機。除了由油冷機對油溫的控制之外,絲杠的軸承座端、電機座端的密封要求也較高,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,出油口位置經(jīng)歷從聯(lián)軸節(jié)位置到絲杠近端側(cè)孔轉(zhuǎn)變,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。一端進(jìn)油一端出油冷卻結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 一端進(jìn)油一端出油冷卻結(jié)構(gòu)

絲杠的電機座端、軸承座端旋轉(zhuǎn)密封都由骨架油封完成,軸承座端進(jìn)油口部位封油端蓋加O形圈密封。電機座端出油孔除了骨架油封外,還增設(shè)了封油環(huán),從而減小出油口油壓的沖擊,增強了密封效果。

這一方式的優(yōu)點是成本相對最低,冷卻效果最好。缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,零件加工要求高,密封點多,裝配要求高,后期維護(hù)較為不易。

3.2 同一端進(jìn)出油

這種冷卻方式的推廣依托旋轉(zhuǎn)接頭零件技術(shù)不斷成熟,帶來整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。冷卻專用旋轉(zhuǎn)接頭如圖3所示。旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計了中心進(jìn)油口和側(cè)面回油口。進(jìn)油口內(nèi)端連接一根軟管,探入中空絲杠內(nèi)部,軟管長度可視絲杠長度而定。接頭轉(zhuǎn)子固定在中空絲杠端,接頭定子安裝在軸承座附件上,中空絲杠的另一端電機座端做好密封。工作時,冷卻油從旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)油口輸入,經(jīng)軟管輸送至中空絲杠遠(yuǎn)端,再從軟管外返流至旋轉(zhuǎn)接頭出油口,最后返回油冷機,完成一次冷卻循環(huán)。同一端進(jìn)出油冷卻結(jié)構(gòu)如圖4所示。

▲圖3 冷卻專用旋轉(zhuǎn)接頭

▲圖4 同一端進(jìn)出油冷卻結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)出油口位置較近,所以對密封端蓋即接頭定子連接處加工要求較高,要避免出現(xiàn)串腔情況。

同一端進(jìn)出油冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)簡潔,拆卸維護(hù)都較為方便,在實際應(yīng)用中的通用性強,可以實現(xiàn)常規(guī)絲杠、中空絲杠的快速選配更換。缺點是對旋轉(zhuǎn)接頭在轉(zhuǎn)速、密封性、耐磨性等多方面有較高的技術(shù)要求。

3.3 螺母冷卻結(jié)構(gòu)

螺母冷卻方式也是一種比較常見的控制絲杠溫升的途徑,通常采用螺母套進(jìn)行多油路設(shè)計,在端蓋結(jié)合處進(jìn)行密封。進(jìn)油口與出油口設(shè)置在螺母法蘭上,可根據(jù)安裝位置具體設(shè)計在端面或者外圓側(cè)面。螺母冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為成熟,多數(shù)絲杠廠家都有相關(guān)產(chǎn)品。螺母冷卻油路分布如圖5所示,外形如圖6所示。

▲圖5 螺母冷卻油路分布▲圖6 螺母冷卻外形

螺母冷卻方式的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,維護(hù)方便,報價相對同規(guī)格普通絲杠一般上浮10%～30%,性價比較高。缺點是只能夠冷卻螺母行程范圍的絲杠長度,對絲杠軸承發(fā)熱無法冷卻。

4 不同冷卻結(jié)構(gòu)溫升測試

為測試不同冷卻結(jié)構(gòu)的實際效果,選擇在某溫度為25 ℃的恒溫車間進(jìn)行落地測試,采用沈陽機床某臥式加工中心作為測試平臺,測試軸為X向水平軸,工作臺質(zhì)量為300 kg,單項測試進(jìn)行6～8 h持續(xù)跑車和連續(xù)監(jiān)控。

為保證測試數(shù)據(jù)有比較性,采用統(tǒng)一規(guī)格尺寸直徑為50 mm的絲杠。為避免不同的安裝方式,以及預(yù)緊力的差異導(dǎo)致發(fā)熱量誤差,統(tǒng)一采用電機端固定、軸承端支撐的絲杠安裝方式。不同絲杠及組件安裝前在車間靜置24 h以上。單項測試完成后,停機間隔12 h以上進(jìn)行下一項測試。

4.1 測試原理

根據(jù)滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的溫升特點,進(jìn)行絲杠螺母A點、電機座軸承B點、軸承座軸承C點三點的溫升監(jiān)控,具體布置如圖7所示。測溫設(shè)備采用SH-X型多路溫度測試儀,測試現(xiàn)場及設(shè)備如圖8所示。

▲圖7 滾珠絲杠副溫升測試點布置▲圖8 測試現(xiàn)場及設(shè)備

4.2 測試條件

絲杠直徑為50 mm,絲杠導(dǎo)程為20 mm,絲杠長度為1 200 mm,快移速度為60 m/min,冷卻介質(zhì)為液壓油,油冷機流量為3 L/min。

4.3 測試方法

各測試點連接好后,檢查測溫設(shè)備反應(yīng)靈敏度,防止有虛連情況。設(shè)置機床水平軸往復(fù)連續(xù)跑車,模擬實際工況運行,最高快移速度設(shè)置為60 m/min,設(shè)定溫度測試儀每5 min采集記錄一次溫升數(shù)據(jù),并進(jìn)行無冷卻絲杠、中空絲杠兩端進(jìn)出油冷卻、中空絲杠一端進(jìn)出油冷卻、螺母冷卻絲杠、中空絲杠兩端進(jìn)出油+螺母冷卻共五項獨立溫升測試。

4.4 測試結(jié)果

經(jīng)過2周的現(xiàn)場測試,在綜合分析并剔除異常數(shù)據(jù)后,對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理。

絲杠螺母A點位置的溫升測試結(jié)果如圖9所示。

▲圖9 絲杠螺母A點位置溫升測試結(jié)果

由圖9可以看出,在無冷卻的情況下,絲杠螺母A點溫度接近43 ℃左右,溫升達(dá)到18 K左右。綜合比較,中空絲杠兩端進(jìn)出油+螺母冷卻組合方式的溫升控制最好,溫升在2 K左右。中空絲杠兩端進(jìn)出油方式與一端進(jìn)出油方式的溫升控制區(qū)別不大,約在4 K上下浮動。螺母冷卻形式的溫升平均值在4.6 K,相對中空絲杠兩端進(jìn)出油冷卻和中空絲杠一端進(jìn)出油冷卻兩種結(jié)構(gòu)稍高,但差距不大,是一種比較適宜的冷卻方式。

電機座軸承B點位置的溫升測試結(jié)果如圖10所示。

▲圖10 電機座軸承B點位置溫升測試結(jié)果

由圖10可以看出,在無冷卻的情況下,電機座軸承B點溫度穩(wěn)定在39 ℃左右,較靜態(tài)時溫升14 K左右。三種中空絲杠結(jié)構(gòu)的冷卻形式溫升差距不大,平均溫升3～4 K。螺母冷卻方式對軸承的溫升有少量的降溫作用,平均降低2 K左右,熱抑制作用有限。

軸承座軸承C點位置的溫升測試結(jié)果如圖11所示。

▲圖11 軸承座軸承C點位置溫升測試結(jié)果

由圖11可以看出,在無冷卻的情況下,軸承座軸承C點溫度穩(wěn)定在38.5 ℃左右,平均溫度比電機座軸承B點低了0.5～1 K。推測可能是聯(lián)軸節(jié)的原因,有待進(jìn)一步研究。各冷卻結(jié)構(gòu)的溫升趨勢大致與電機座軸承B點位置相同。

以上測試數(shù)據(jù)雖然仍然無法排除裝配預(yù)緊力、螺母預(yù)緊力的關(guān)鍵因素影響,存在著實際測試誤差,但是仍可以為具體選擇不同冷卻結(jié)構(gòu)提供參考指導(dǎo)。綜合以上結(jié)果,得到四種試驗冷卻結(jié)構(gòu)效果對比,見表1。

表1 冷卻結(jié)構(gòu)效果對比

5 結(jié)束語

筆者通過對不同冷卻結(jié)構(gòu)效果的對比,可以得出中空絲杠兩端進(jìn)出油與中空絲杠一端進(jìn)出油的冷卻效果接近。從成本上,中空絲杠兩端進(jìn)出油稍占優(yōu)勢,從穩(wěn)定性維護(hù)性上,中空絲杠一端進(jìn)出油的冷卻效果更好,這兩種冷卻結(jié)構(gòu)都適合高精加工中心。螺母冷卻是一種性價比較高的冷卻結(jié)構(gòu),可以解決普遍范圍內(nèi)的高速加工中心應(yīng)用。中空絲杠+螺母冷卻的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)成本過于高昂,適合對定位精度控制要求極高的坐標(biāo)鏜等高精設(shè)備。