善滚珠丝杠系统热态特性的主要措施
4.5.1滚珠丝杠的预拉伸
在实际工作过程中，横梁系统的定位精度不仅仅受到滚珠丝杠制造精度的直接 影响，而且也会受到由于滚珠丝杠高速旋转产生的温升而引起的热伸长的影响。因 此分析滚珠丝杠系统热伸长变形对减少热变形具有指导意义。
由于滚珠丝杠系统工作时会发热使得滚珠丝杠热膨胀，从而加大丝杠的导程， 影响定位精度和传动，需要对其进行热补偿。通常采用的补偿方法为滚珠丝杠预拉 伸。为了提高横梁系统的定位精度以及机床在工作过程中保持其定位精度，在丝杠 温升一定的前提下安装丝杠时，利用丝杠两端支承轴承组，对其进行预拉伸[55]。
在此工况条件下，产生的热位移量和预拉伸量恰好抵消。但装配时预拉伸力过 大，会使温升较大使得预拉伸量也会相应变大，增加轴承的轴向载荷，减少轴承使 用寿命，会降低丝杠的使用寿命；若装配时预拉伸力过小，使得滚珠丝杠轴的热变 形量大于滚珠丝杠轴的预拉伸量，滚珠丝杠系统热误差和制造误差增大。因此需要 选择一个合适的预拉伸力。一般而言，滚珠丝杠的预拉伸量应当略大于滚珠丝杠螺 母副温升引起的热变形量[56]。本文设定滚珠丝杠的预拉伸量为20|im。当应力不超 过材料的比例极，轴在轴向力作用下轴向的拉伸量可按公式（4-17)进行计算， 进而可以求得滚珠丝杠的轴向预拉伸力。
第四章横梁系统中滚珠丝杠热特性研究
因此滚珠丝杠的预拉伸力应取2376N~3600N，这样可以让丝杠留有合适的预拉 伸量。在实际工况中，预拉伸量和丝杠的热伸长量相抵消，从而减少热变形以及实 现预期的定位精度。另外，要合理的选择滚珠螺母副的预紧力。若滚珠螺母副的预 紧力过小，影响Y轴的定位精度；若滚珠螺母副的预紧力过大，导致滚珠螺母副发 热量严重，热变形增加，将直接影响横梁系统的定位精度。
4.5.2常用的改善滚珠丝杠系统热变形的方法
(1)减少滚珠丝杠系统热源的发热量。
选择正确且适量的润滑剂。支承轴承的润滑脂和滚珠螺母副的润滑油应根据实 际工况下的载荷进行选择。过大的运动粘度的润滑油和润滑脂都将增大滚珠丝杠系 统温升，而过高的温升又会引起轴承润滑脂的润滑冷却性能劣化；对于润滑油应当 定期更换，并通过在润滑油系统中安装冷却器来控制润滑油的温度，从而减少滚珠 丝杠的温升。
加大滚珠丝杠的导程来降低运行转数。根据公式可知滚珠丝杠的进给速度等于 导程与转速的乘积，若转速不变，扩大导程，滚珠丝杠同样可以以较低的转速达到 较高的进给速度，减少摩擦发热的产生从而减少了温升，抑制热变形的增加。但是， 滚珠丝杠在加工过程中，过大的导程加大了加工误差，导程精度得不到保证。因此， 在保证加工精度的情况下，选择较大导程的滚珠丝杠。
(2)增强滚珠丝杠系统的散热
施加强制冷却。包括：采用滚珠丝杠螺母和轴承套筒螺旋槽冷却热交换系统，进行强制冷却，从而减少主要发热部件的摩擦热，从而降低温升，抑制滚珠丝杠系 统热位移。丝杠轴外缘以润滑油或空气冷却；建立恒温车间实现季节性调温；或者 对滚珠丝杠系统进行风冷或者油冷却方式，从而减小机床受外部环境温度的影响； 还可采用型腔式的冷却结构冷却轴承和轴承座，延缓润滑油的劣化，减小轴承座的 热变形，从而提高滚珠丝杠系统的热态几何精度[57]。
(3)对滚珠丝杠系统进行热误差补偿
使用光栅尺进行误差补偿；采用循环控制系统，实时的测量滚珠丝杠系统产生 的热误差，然后根据己经建立的误差补偿模型进行误差补偿计算，并回馈到数控系 统，经过数控系统分析处理后，使控制器发出相应控制指令以补偿相应的热误差， 最终实现机床的精确定位，消除丝杠热伸长的影响[58]。
4.6本章小结
本章对滚珠丝杠系统进行热态特性分析以及热变形分析。首先，分析滚珠丝杠 的热源，通过计算得出各个发热部件的发热量，和对流换热系数。通过有限元建模 分析得到滚珠丝杠系统的稳态温度场分布云图。然后，对滚珠丝杠系统进行热一结 构耦合分析，得到滚珠丝杠系统在热载荷的影响下滚珠丝杠系统的总热变形和X、Y、Z三个方向上的热变形分布情况。最后，分析影响滚珠丝杠系统热变形的主要因 素，并提出改善滚珠丝杠系统热态特性的主要措施。