丝杆结构热变形及近似估算探讨.pdf

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第3期(总第166期
机工程与自动化
2011年6月
MECHANICAL ENGINEERING &AUTOMATION
文章编号:1672-6413(2011)03-0170-02
丝杆结构热变形及近似估算探讨
易学平
(中船重工第七一研究所、湖北宜昌443003
摘要:对机械系统中的丝杆机构在工作过程中由于摩擦而引起温升及产生热变形的原因进行了分析,给出了
适用于实际工况的温度场经验公式,并以螺纹磨床进给系统中的丝杆结构为例,对其温度场及热变形量进行
了近似估算。
关键词:丝杆;结构;热变形;近似估算
中图分类号:TH112.I文献标识码:B
机械系统中的热变形相当复杂,对其进行精确计其中:W=たPッ,P=6(P.+G)+KP,P,、
0引言
算十分困难。在工程上通常采用建立在试验基础上的P2分别为轴向和径向切削力,P为空行程牵引カ,
近似估算法,其步骤是:①对被研究设备进行空运、,为丝杆工作行程和空行程时间,G为运动件重量,
转,测出相关数据,找出有影响的部件和机构;②建。、K分别为摩擦系数和扭曲系数:m为传动效率;Z
立简化模型、热导方程式及数学模型;③依据传热情为被加工件长度;1、2分别为在一个循环周期内丝
况,建立区域条件,算出温度分布表达式,求出热变杆工作与间歇时间;x、a,、A分别为进入丝杆热量系
形值。本文针对机械系统中的丝杆结构在工作过程中数、放熱系数和丝杆导热系数;U为丝杆在外径上的
产生熱变形的原因进行了分析,并就如何对其进行近周长;f为丝杆横截面积;H为热工当量。
似估算的方法作了说明。
热变形分析及估算
?O
丝杅副是机械设备中用来实现直线运动的常见机
构,被广泛应用在各类设备的进给传动系统中,通常
O
丝杆副由钢质材料制成,其结构示意图如图1所示。
图1丝杆结构示意图
根据丝杆副的工作情况,可知丝杆副在工作过程中主
在正常润滑情况下,对于带组合导轨的设备,通
要有下列几种热源:①丝杆副中的摩擦热以及支常6取0.18,K取1.15;对于直角或圆柱导轨,通常
承轴承发热;②设备中动力驱动系统、油液等发热;6取0.16,K取1.1。考虑到丝杆和螺母的导热系数
③连接件等机构发热传递的热量。
以及热扩散率,在实际计算时x一般取0.5。
将丝杅副整个温度场分成3段处理,如图1所示
与丝杆温升有关的螺纹节距误差,即热变形S
的a、b、c三个区,假设丝杆径向横截面内温度不变,可由△S=a,SB。确定(其中的,、S分别为线膨胀系
而且不产生弯曲变形。
数和丝杆螺距)。当丝杆有温升时,螺纹的螺距为
a段是丝杆的工作段,该段主要由丝杆副间产生S。=S+AS=S(1+a,0。)。
摩擦热,正常情况下产生的热能较小。工作时热源沿整
b段、c段是将热传人环境中的区段,是非工作
个轴线移动,可认为在a段形成的温度场是均匀的,区,对丝杆精度影响较小。由于a区段温升小,丝杆
而测得的温度。可认为是一个常数。此时在丝杆工作两端又固定于机架的轴承中,在设计计算时一般将区
段由摩擦产生的温度O,(℃)可由经验公式求得2
段b、c作为无限长的杆件处理。在实际工程中,可采
xMy(1-ク)×3600
(1)用均衡丝杆温度场的方法改善丝杆的热变形,如在空
n(a,U)L+2√a,U
心丝杆内通入恒温冷却液;对于精密丝杆,其螺母宜
收稿目期:2011-03-21
作者简介:易学平(1986-),男,湖北孝感人,助理工程师,硕士,主要从事水下特种装备研究工作。
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2011年第3期
易学平:丝杄结构热变形及近似估算探讨
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采用低摩擦系数和导热性能高的材料,其目的是为了程数为5。
减少发热或将热量传递至周围环境。
依据给出的参数可计算出丝杆工作行程时间与空
2导热引起的变形分析及估算
行程时间:
当丝杆与温度升高的零部件接触,如螺母受其他
18
热源影响时,由于导热致使丝杅温度升高引起热变
形,此时其表面温度O.为
依据参考文献[3],。取0.18,日取3598,K取
Fe
1.15,a,取6W?(m2?K);为方便计算,将P2、
a,fU+a。Td
P假设为0,P=P,。则
其中:a。为结合面放热系数;F为丝杆螺母接触表面
P, =f(P, +G)+KP, =540N,
的面积;6n为与丝杆接触的螺母表面温度;d为被加
L=1.5N·m?s-1
工件直径。
如将丝杆看作为无限长杆件时,沿丝杆长度上温
0.00132
度分布。=O.e-“(其中,k为计算长度,N=
U=md=0.129m,
u为丝杆热位移系数)。丝杆在计算区段上的热伸长
xNy(1ーm)×3600
3.73℃
FU tu
量△L为:
H7(a, U)L +2
此时,丝杆在工作长度上的热伸长度与丝杠温升
AL=a,.N(1ーe")。………(3)有关的螺纹节距误差,即热变形量可由式△L=cB
如将丝杆看作有限长时,沿丝杆长度上的温度分确定,取线膨胀系数a,为12x10°K',则△L=
布6,=2(k-Z
2.24×10-3mm。
CHNU
其中l为丝杆长度)。丝杆在
4结束语
计算区段上的热伸长量为:
综上所述,在设计时可利用经验公式对计算零部
AL=a chex
?……………………(4
件的热变形进行近似估算,避免使用繁琐的热传导微
W CHNL°
分方程求解,但要获得精确的数据仍相当复杂。随着
属于上述进给丝杆的设备有磨床进给系统,而该科学技术的发展,近年在实际工程应用中较多采用了
系统中的丝杆与活塞通常为刚性连接,其热量主要由数值计算法进行计算,数值法虽然是近似解法,不如
液压系统的活塞传递而来,工程上一般将丝杆与活塞解析解准确,但其计算中的结果在工程应用上还是比
和液压系统中的油温取相同的值计算。
较可靠的。
3举例说明
计算螺纹磨床进给丝杅的温度场及热变形量,该参考文献
系统丝杆外径d。=44m,中径d.=41mm,工作台[1]梁允奇.机械制造中的传热与热变形基础[M].北京:机
移动部质量G=3000N,效率η=0.3,进入丝杆热
械工业出版社,1982.
量系数x=0.5,导热系数入=36W?(m?K)
2]王寿民.机床热态特性分析与计算[M]、天津:河北工业
个循环周期内丝杆间歇时间t2=20s,工作时间1=
学院出版社,1986.
180s。被加工件直径d=10mm,螺距S=1,5mm,
3]成大先.机械设计手册(第上卷)[Mj.第4版,北京:化
长度L=50mm,工件的圆周速度z=3.5m/min,行
学工业出版社,2002
Discussion about Thermal Deformation
and Approximate Estimation of Screw Structure
YI Xue-ping
(710 Research and Development Institute, CSIC, Yichang 4