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滾珠（zhū）絲杠的靜壓結構改造及其流場數值模擬分（fèn）析

2017-7-21 來源（yuán）：北京工業（yè）大學機械工程與應用電（diàn）子技術學院作者（zhě）：塗承媛邢歡歡王（wáng）新華李迎超孫肖

摘要: 為了提高廢舊機床的加工精度，提出在現有絲杠的基礎上利（lì）用注塑成型技術實現靜壓絲杠副的（de）成型方（fāng）法。基於液體靜壓向心軸承的設計理論，設計了靜壓螺母的關鍵結構參數。運用 Pro/E 三（sān）維成型技術建立了靜壓絲杠（gàng）副三維模型，並采用 Flo EFD 流體分析軟件對靜壓絲杠螺母的內部流場進行仿真分析，得出了不同負（fù）載壓力下靜壓腔、封（fēng）油（yóu）邊和回（huí）油槽內（nèi）液體壓力分布以及絲杠受到的液壓作用力。分析表明: 靜（jìng）壓腔內液體壓力分布均勻; 在負載作用下，液體靜壓螺母內部上方靜壓腔內液體（tǐ）壓力大於下方靜壓腔內液體的壓力; 絲杠表麵受到均勻的液體作用力、絲杠與（yǔ）螺母之間通過均勻的油膜間接接觸。因此，應用油膜的均化誤差效應可以降低絲杠（gàng）表麵精度的要求。

關鍵詞: 滾珠絲杠; 液體靜壓絲杠; 改造; CFD; 流場分析

0.引言

隨著科技的發展，機床加工精度、自動化（huà）及信息化水平的不斷提高，機（jī）床更新換代速度不斷加快，導致機床廢棄量（liàng）不斷（duàn）增加。資料顯示，我國役齡 10 年以上的舊機床（chuáng）超過 200 萬（wàn）台，80% 的在役工程機械超過保（bǎo）質［1］; 隨著客戶對機床加工精度、自動化及信息化水平等性能要求的提高，僅僅將退役機床恢複精度已不（bú）能滿足客戶（hù）需求，因而（ér），通過各類高新技術對再製造機床功能及性能進行提升具有重大（dà）意（yì）義［2］。目前，機（jī）床（chuáng）再製造在國外已成為（wéi）一個新興產業，例如，MTB 公司將一台普通機床再製造為 5 個軸均由數控（kòng）係統控製的機床; TMB 公司去掉了原機床用來完成擴程運動的整（zhěng）個機械傳動係統，在搖臂軸上安裝一個扭矩電機直接控製上/下衝程運動，實現了上下衝程過程中的獨立（lì）的進給（gěi）率［3］。從（cóng）而體現出機床的精化改造與傳統改造（zào）的本質區別（bié）: 充分運用動靜壓（yā）技術、電主軸技術、機床複合化技術、現代傳感（gǎn）技術以及先進的製造技術、製造方（fāng）法提（tí）高廢舊機床的加工精（jīng）度，使改造後的（de）機床功能更強、性能（néng）指標更優，實現資源循環利用和已有（yǒu）機床跨越式提升。普通廢舊機床的進給部件一般采用滑動導軌與滾珠絲杠，然（rán）而，滾珠絲杠存在承載能力較低、加工成本高（gāo）、不能自鎖等缺（quē）點。與滾珠絲杠相比，液體靜壓絲杠螺母具有摩擦阻（zǔ）力小; 使用壽命（mìng）長，能長期保持精度; 傳（chuán）動精度高，絲杠與螺母無空程間隙，重複定位精度高; 傳動平穩; 低速傳動不爬行等優點［4］。為改善廢舊機床的工作特性，提高加工精度，對廢（fèi）舊機床進行再製造與工作特性分析具（jù）有重大意義。

1.液體靜壓（yā）絲（sī）杠副的（de）結構與工作原理

流體薄膜潤滑（huá）［5，6］是通過完整的流（liú）體薄膜將兩運動表麵完全隔離，從而起到減少摩擦作用的一種潤滑技（jì）術。結合流體靜壓潤滑技術與液壓氣動技術設（shè）計的靜壓軸承、靜壓導軌等部件在各種精密機械、儀器儀表中得到了廣泛的應用。在 Wil-liam W. Pflager［7］的（de）專利中（zhōng）提及了一種改進型流體靜壓絲杠螺母組件，但是該方（fāng）法對於以原有絲杠為基礎加工製造靜壓螺母（mǔ）的成（chéng）本比較高，並且很難實現規模化生產。因此，提出了一種基於現有絲杠利（lì）用注塑成型技術實現（xiàn）靜壓絲杠（gàng）副的成型方法，該方法具有（yǒu）加工工藝簡單等特點，能夠加工與任意絲杠配合的靜壓螺母（mǔ），簡化了在現有絲杠基礎（chǔ）上螺母螺紋的加工工藝。

液（yè）體靜壓絲杠副由靜壓螺母（mǔ）、絲杠、節流器、供油係統、潤滑油 5 部分組成［8，9］。靜壓螺母內（nèi）含有靜壓腔、回油槽、封油邊、進出油口等結構。靜壓腔和封油邊的尺寸（cùn）決定（dìng）了靜壓絲杠副的承載能力; 封油邊和軸徑之間的間（jiān）隙很小，限（xiàn）製靜壓腔內（nèi）液壓油（yóu）的外流，起 “憋壓” 作（zuò）用，以（yǐ）保證流入靜壓腔內液（yè）壓油的壓力平穩（wěn）; 封油邊處螺紋與絲杠螺紋相互（hù）齧合實現（xiàn）絲杠與螺母運動的（de）相互傳遞，螺母螺紋與絲杠（gàng）螺紋的齧合度決定了靜（jìng）壓絲（sī）杠的傳動精度。運用注塑成型（xíng）技術加（jiā）工螺（luó）母內腔（qiāng）的螺紋與直接車削（xuē）螺母內螺紋具有配合誤差低、加工誤差低、加工工藝簡單、成本低等優點（diǎn）。

靜壓絲杠螺母加工步驟:

1) 按設計要（yào）求加工螺母套筒;

2) 以經過簡單修複處理的廢（fèi）舊絲杠作為靜壓絲杠（gàng）副的型（xíng）芯，選擇高強度自潤滑的耐磨塗（tú）層材料作為注塑材料，加工注塑（sù）出具有與原絲杠完全齧合螺紋的螺母內腔;

3) 按照結構參數加工靜壓（yā）螺母的靜壓腔（qiāng）、回油槽、封油邊、進出油口等結構。靜壓絲杠副的結構如圖 1 所示。

根（gēn）據已知絲杠的結構參數設計靜壓螺母的內腔結構，包括靜壓腔、封油邊以及進、出油孔的尺寸等。參（cān）考靜（jìng）壓向心軸承的設計理（lǐ）論，確定靜壓絲杠螺母的（de）關鍵結構參數: 靜壓腔單元角度 2θ、靜壓腔深（shēn）度（dù） r2－ r1、螺母（mǔ）寬度 B 等。

油膜厚度不均勻修正係數［4］

圖 1 靜壓（yā）絲杠副結構圖

2.計算模型與仿（fǎng）真（zhēn）方法

設計靜（jìng）壓螺母的關鍵在於設計合理的靜壓腔和封油邊，靜壓腔的作（zuò）用是擴大有效承載麵積（jī）並減小摩擦麵積，圍繞靜壓腔的凸邊（biān）稱之為封油邊。壓力油經過節流器產生一定的壓力降後流入油腔（qiāng），再經過油腔四周的封油（yóu）邊之（zhī）後流到周向回油槽，最後經液（yè）壓回路（lù）回流到油箱。為了分析靜壓腔、封油邊以及（jí）回油槽內部流場特性（xìng），將靜壓絲杠副簡化為如圖 2 所示的模型。

圖 2 靜壓絲杠副模型（xíng）

采用 Flo EFD 流體力學分析軟件對靜壓（yā）絲杠副（fù）進行數值計算，模擬過程的基本設（shè）置: 選用 inter-nal 分析類型; 根據所建係統模型的內（nèi）部封閉流（liú）道自動劃分網（wǎng）格; 最小流動通道值設置為 0. 8 mm;以油作為工作流體，流體設（shè）置為不可壓（yā）縮流動流體; 不考慮固體內部（bù）的導熱情況，采（cǎi）用（yòng） adiabaticwall 定義壁麵為完全絕熱; 邊界條件定義（yì）為（wéi）質量流入口條件和環境壓力出口條件。

3.計算結果（guǒ）與分析

3. 1 靜壓（yā）螺（luó）母腔內流場壓力（lì）分布

以圖（tú） 2 所示三維結（jié）構作為靜壓絲杠副的流體分析模型，初始化邊界條件定義為入口質量流為0. 5 kg / s、出口壓力為環境壓力（lì） 0. 1 MPa，對靜（jìng）壓絲杠副的內部流場特性進行分析。圖 3 所示為靜壓（yā）絲杠副受到液壓油作用（yòng）時不同方向絲杠表麵受到的壓力分布雲圖，可以看出:在進油口（kǒu）處絲杠（gàng）受到的壓（yā）力相對較（jiào）大; 在螺母的靜壓腔和（hé）封油邊處受到的壓力基本相同，並且比較穩定，沒有出現壓力急劇變化的現象（xiàng）; 在回油（yóu）槽處受到（dào）的壓力相對較（jiào）小。

圖 3 靜壓絲杠副內絲杠表麵雲圖

圖（tú） 4 所（suǒ）示為靜壓絲杠副不同方向（xiàng）腔內（nèi）流體（tǐ）與螺母內壁接觸處壓力分布雲圖（tú），可以看出: 液壓油與（yǔ）螺母內壁接觸完整，即沒有出現絲杠螺紋與螺母螺紋直接接觸而無液壓油（yóu）的現象（xiàng）; 液壓油的壓力分布均勻，靜壓腔和封油邊處壓力高於回油槽處壓（yā）力，回油孔處壓力值最低且壓力值基本等於環境壓力，這與初始設置是相符合的。

3. 2 不同壓力下（xià）靜壓絲杠副的（de）特（tè）性分析

絲杠在機床中的作用是將旋轉運（yùn）動轉化為直線運動。絲杠以一端固定、另一端（duān）支承的方式安裝（zhuāng）時，固（gù）定端軸承同時承受軸向力和徑向力，支承端隻承受徑向力（lì），而且能（néng）作微量（liàng）的（de）軸向浮動，可（kě）以避免或（huò）減（jiǎn）少絲杠因自重（chóng）而出現的（de）彎（wān）曲。因此，

圖 4 螺母腔內流體表麵雲圖

不考慮螺母內絲杠的彎曲（qǔ）變形。通過仿（fǎng）真結果比較空載和（hé）負載下（xià）靜壓絲杠副的靜壓腔、封油（yóu）邊內壓力分布（bù）。

3. 2. 1 靜壓腔、封油邊內壓力分布

通過分（fèn）析（xī）對比不同（tóng）載荷壓力下靜壓絲杠副的仿真結果，從而了解靜壓絲杠的結構（gòu）特性。圖 5a所示為空載時靜壓絲杠螺母（mǔ）的靜壓腔內（nèi）壓力分布雲（yún）圖，圖 5b 負載時靜壓腔（qiāng）內壓力分布（bù）雲圖。從（cóng）圖5a 可以看出，上、下靜壓腔內壓力大小相同，在空載時靜壓腔內壓力平衡，絲杠處於穩定（dìng）狀態。從圖 5b 可以看（kàn）出，上、下靜壓腔內壓力大小不相同（tóng），上油（yóu）腔的壓力大於下油腔（qiāng）的壓力，這是因為螺母受到負載作用時會向下（xià）偏移（yí），然而絲（sī）杠是固定的，這樣使得上靜壓腔的（de）體積減小，絲杠與螺（luó）母之間（jiān）的（de）液（yè）壓油的（de）剛度不（bú）是無窮（qióng）大的，因此上靜壓腔內的液壓油會產生微量的壓（yā）縮，液壓油的壓力增加用以抵抗增加的負載作（zuò）用力; 與此同時，下靜壓腔的（de）體積增大，下靜壓腔內液壓油的壓力不（bú）變或者有微弱的減小，使靜壓螺母在新的（de）位置到達受力平衡，此時靜壓螺母腔內液壓（yā）油的壓力也（yě）達到新的平衡，即此（cǐ）時上靜壓腔內液壓油壓力大於下靜壓腔內液壓油的壓力（lì）。

圖 5 中壓力腔（qiāng）內壓力分布均勻，隻有在（zài）進油孔處出現壓力（lì）集中現象。在螺紋周圍沒有出現（xiàn）流體壓力集中的現象，驗證了液壓油膜具有均化誤差的作用，可（kě）以（yǐ）忽略絲杠的微小誤差。靜壓絲杠的封油邊是由（yóu）螺母與絲杠（gàng）相互齧合的螺紋間隙形成的，該處螺紋主要有兩個（gè）作用:一是作為傳動介質在絲杠轉動時實現螺母的移動;二是作為螺紋齧合處封（fēng）油邊，限製液壓油的外流，起到 “憋壓”的作用。圖 6a 所示為空載時封油邊內（nèi）壓力分布（bù）雲（yún）圖（tú），圖 6b 所示為負載時封油邊內壓力分（fèn）布（bù）雲圖。

圖（tú） 5 靜壓絲杠的靜壓腔（qiāng）內壓力（lì）分布雲（yún）圖

圖 6 封油邊內壓力分布雲圖

3. 2. 2 靜（jìng）壓螺母腔內流體流向分（fèn）布

圖 7a 所示為空載時靜壓絲杠副內腔流體的跡線圖，圖 7b 所示為負載下靜壓（yā）絲杠副內腔流體的跡線圖。從圖中可（kě）以看出，進油孔、靜壓腔內液壓油的壓力高，回油槽裏的液（yè）壓油的（de）壓力（lì）低，有利（lì）於由進油孔進入的液壓油從回油孔流回油路係統。在兩個靜壓腔之間的封（fēng）油（yóu）邊內有極（jí）少部分（fèn）液壓油流過，即在封油邊內形成（chéng）了液壓油膜，絲杠螺紋（wén）與螺母螺紋之間（jiān）的油膜支（zhī）承（chéng）減小（xiǎo）了摩擦力（lì）。圖 7a、圖（tú） 7b 不同之處在於（yú）: 圖（tú） 7a 中上（shàng）下靜壓腔內流體壓力相同; 圖 7b 中下（xià）方靜壓腔的流體壓力小於上方靜壓腔內（nèi）流（liú）體的壓力（lì），這是因為靜（jìng）壓絲（sī）杠在承受（shòu）負載時螺母向下微量偏移使上方靜壓腔（qiāng）的體積減（jiǎn）小、下方靜（jìng）壓腔的體積增（zēng）大，上方靜壓腔內液壓油的壓力大（dà）於（yú）下方（fāng）靜壓腔內液壓油的（de）壓力。

圖 7 靜壓絲杠內腔流體的跡線圖

3. 2. 3 不同負載下靜壓（yā）螺母（mǔ）腔內壓（yā）力

在給定進出口（kǒu）壓力邊界條件下，靜壓絲杠（gàng）副腔內的液壓油（yóu）壓力分（fèn）布與負（fù）載（zǎi）大小有關，負載越大，上方靜壓腔與下方靜壓腔內液體壓力值的差越大。圖 8 所示為靜（jìng）壓絲杠的剖視圖，線 1、2 均是在絲杠左側密封處至右側密封處的連線且不與絲杠和螺（luó）母接（jiē）觸，用 Flo EFD 軟件計算（suàn）這兩條線上各點處（chù）的液壓油壓力，得出圖 9 所示的（de）壓力分布曲線。從圖 9 中可以看出，靜（jìng）壓（yā）螺（luó）母內液體（tǐ）壓力值以進油孔為中心對稱分布，液壓（yā）油壓力（lì）以進油孔為中心向兩端逐（zhú）級遞減; 液體壓（yā）力值最低點出現在（zài）回油槽內，回油槽內液體壓力波動較大（dà），液體壓力值在封油邊迅速減小，靜壓腔內壓力（lì）值基（jī）本處於平穩狀態。空載時，線 1、線 2 處液壓（yā）油的壓力曲線基本重合，線 1、線 2 處液（yè）壓（yā）油（yóu）的壓（yā）力基本相同，靜壓腔（qiāng）的液體壓（yā）力（lì）值（zhí）穩定在 1. 8 MPa 左右，回油槽液體壓力最小值在（zài） 1 MPa 左右; 有（yǒu）負載時，線 1 處液壓油的壓力大於線 2 處液壓油壓力，並且線 1 處液壓油壓力大於無負載下相對應（yīng）位置的液體壓力值; 線 1 與線（xiàn） 2 處液體壓力（lì）曲線趨（qū）勢略有不同，在回油槽內線 1 處液體壓力穩定在1. 6 MPa 左右，而線 2 處波動較大，因為線 1 處距離回油孔較遠，上方靜壓腔內（nèi）液壓油經周向封油邊進入回油槽，剛進（jìn）入回油槽的液壓油因距離回油孔較遠，液（yè）壓油壓力降低得較慢，並且回油槽內存在壓力差有利於液壓油的回（huí）流。

圖 8 靜壓絲杠剖視（shì）圖

圖 9 不同負載下靜壓螺（luó）母（mǔ）腔內液體壓力分布曲線

4.結論（lùn）

1) 基於廢舊機床的再製造理論提出（chū）了一種將滾珠絲杠副改（gǎi）造成液體靜壓絲杠螺母副的方法，並（bìng）運用靜壓向心軸承的計算公式，建（jiàn）立了靜壓絲杠螺母副（fù）的三維模型。以絲杠為型芯注塑螺母內螺紋，然後車削加工靜壓腔（qiāng）等內（nèi）部結構的方（fāng）法加工螺母，該成型方法簡單，資源利用率高。、

2) 靜壓螺母的靜壓（yā）腔內液壓油（yóu）壓力（lì）分布均勻; 在封油邊內，液壓油壓力由靜壓（yā）腔至（zhì）回油（yóu）槽方向遞減（jiǎn）; 靜壓螺母腔內液壓油壓力以進油孔為中心左右對稱分布; 靜壓螺母與絲杠之間通過液壓油膜間接接觸，因此，可以利用油膜的誤差均化效應降低絲杠的表麵粗糙度要求。

3) 在負載作用下，靜壓絲杠螺母內液體壓力特性良好，油膜完整，並沒有出現螺母螺紋與絲杠螺紋直接接觸的情況，螺母偏移量小; 運用螺母微小的（de）偏移量調整上、下靜壓（yā）腔內液體壓力，使其處於新的穩定狀態。

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