CN110561169A - 一种新型热管滚珠丝杠 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型热管滚珠丝杠，涉及滚珠丝杠技术领域，包括丝杠本体、热管流道、工质、流道堵头。所述丝杠本体为轴类构件；所述丝杠本体包括外螺纹段；所述热管流道为一端封闭一端开口的孔状空腔，所述热管流道的第一端为封闭端，设置在所述丝杠本体的左端，所述热管流道的第二端为开口端，设置在所述丝杠本体的右端面上，所述热管流道在轴向方向上贯穿所述外螺纹段；所述流道堵头固定设置于所述热管流道的第二端面处，密封所述热管流道；所述热管流道内腔被抽成真空后注入所述工质。通过本发明的实施，能够有效减小丝杠表面温度梯度，抑制丝杠表面的温度波动，缩短丝杠达到热平衡的时间。

Description

一种新型热管滚珠丝杠

技术领域

本发明涉及滚珠丝杠技术领域，尤其涉及一种新型热管滚珠丝杠。

背景技术

在精密机床进给系统中，滚珠丝杠副传动系统是驱动系统的主要形式，在滚珠丝杠副传动过程中，接触区域(丝杠螺母、轴承等)会产生大量的热，导致丝杠产生热变形误差而影响机床加工精度和进给系统的传动刚度；而且随着丝杠转速越高，热变形越严重，导致机床加工精度下降；在各种不同类型的机床中，热变形误差约占总误差的30％～50％；因此在精密机床进给系统中，滚珠丝杠的热变形必须得到控制。

目前，一般采用中空滚珠丝杠，在滚珠丝杠内部的中空腔内通过流动的冷却液，带走产生的热量，从而减少丝杠的热变形。这种冷却方式存在着滚珠丝杠表面温度梯度和温度波动性较大以及达到热平衡时间较长的问题，上述缺陷限制了滚珠丝杠在高精度领域的运用。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型热管滚珠丝杠，能够有效减小丝杠表面温度梯度，抑制丝杠表面的温度波动，缩短丝杠达到热平衡的时间。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何克服现有冷却方式下滚珠丝杠表面温度梯度和温度波动性较大，达到热平衡时间较长的问题。

为实现上述目的，本发明公开了一种新型热管滚珠丝杠，涉及滚珠丝杠技术领域，包括丝杠本体、热管流道、工质、流道堵头，所述丝杠本体为轴类构件；所述丝杠本体包括外螺纹段；所述热管流道为一端封闭一端开口的孔状空腔，所述热管流道的第一端为封闭端设置在所述丝杠本体的左端，所述热管流道的第二端为开口端，设置在所述丝杠本体的右端面上，所述热管流道在轴向方向上贯穿所述外螺纹段；所述流道堵头固定设置于所述热管流道的第二端面处，密封所述热管流道；所述热管流道内腔被抽成真空后注入所述工质。

进一步地，所述丝杠本体还包括连接段、第一支撑段、第二支撑段，所述第一支撑段设置在所述外螺纹段左侧，所述第二支撑段设置在所述外螺纹段右侧，所述连接段设置在所述第一支撑段左侧，所述连接段被配置为与电机输出端配合连接，所述第一支撑段被配置为限制所述丝杠本体的轴向和径向自由度，所述第二支撑段被配置为限制所述丝杠本体的径向自由度，所述外螺纹段被配置为与螺母配合构成滚珠丝杠螺母副，所述热管流道第一端面与所述丝杠本体左端面的轴向距离小于等于所述连接段和所述第一支撑段的轴向长度之和。

进一步地，所述热管流道的截面形状为圆形、正多边形、椭圆形或锯齿形，所述热管流道的数量大于等于1。

进一步地，所述热管流道的数量为1时，所述热管流道的中心轴线与所述丝杠本体的中心轴线重合。

进一步地，所述热管流道的数量大于1时，各个所述热管流道在所述丝杠本体径向截面上中心对称均匀分布，相邻两个所述热管流道的第一端之间联通或不联通。

进一步地，所述工质为分析纯无水乙醇。

进一步地，所述工质与所述热管流道内腔的体积比大于等于1/6且小于等于1/2。

进一步地，所述热管流道内腔的真空度为0.13～0.0013Pa。

进一步地，还包括吸液芯，所述吸液芯固定设置在所述热管流道的内腔壁上，所述吸液芯为多层网状管芯。

进一步地，所述流道堵头的固定方式为焊接方式。

与现有技术相比，通过本发明的实施，达到了以下明显的技术效果：

1、本发明将热管运用到了滚珠丝杠上，能够有效地减小丝杠表面温度梯度，抑制丝杠表面的温度波动，缩短丝杠达到热平衡的时间。

2、本发明优化了滚珠丝杠上热管的结构形式及布置方式，不仅提高了滚珠丝杠的散热能力，还具有结构简单，易于制造的优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三维示意图；

图2是传统液冷丝杠结构的三维示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的表面测量点温度随时间变化曲线。

其中：1-丝杠本体左端面，2-连接段，3-第一支撑段，4-外螺纹段，5-第二支撑段，6-丝杠本体右端面，7-进液口，8-出液口。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。为保证所附图像的清晰和简洁，部分装置未在附图中画出，但并不影响相关领域普通技术人员对本发明的理解。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种新型热管滚珠丝杠，包括丝杠本体、热管流道、工质、流道堵头，丝杠本体为阶梯轴类构件，丝杠本体包括连接段2、第一支撑段3、外螺纹段4、第二支撑段5，第一支撑段3设置在外螺纹段4左侧，第二支撑段5设置在外螺纹段4右侧，连接段2设置在第一支撑段3左侧，连接段2被配置为与电机输出端通过联轴器固定连接，第一支撑段3被配置为安装固定端轴承，用于限制丝杠本体的轴向和径向自由度，第二支撑段5被配置为安装浮动端轴承，用于限制丝杠本体的径向自由度，外螺纹段4被配置为与螺母配合构成滚珠丝杠螺母副，连接段2、第一支撑段3、外螺纹段4、第二支撑段5，第一支撑段3的轴向长度和直径根据具体工况确定，本实施例为连接段2的轴向长度为66mm，外径为24mm，第一支撑段3的轴向长度为103mm，外径为35mm，外螺纹段4轴向长度为650mm，公称直径为50mm，第二支撑段5轴向长度为56mm，外径为35mm；

热管流道为第一端封闭且第二端开口的孔状空腔，热管流道的数量为1，热管流道的截面为圆形，热管流道的中心轴线与丝杠本体的中心轴线重合，外螺纹段4的螺纹小径与热管流道内腔直径之差大于等于外螺纹段4的螺牙高度的2倍，本实施例优选为4倍，热管流道的第一端设置在丝杠本体左端面1，热管流道的第二端设置在丝杠本体右端面6，热管流道在轴向方向贯穿外螺纹段4直至第一支撑段3与连接段2交界处，在热管流道内腔内充入工质后，对热管流道内腔进行抽真空处理后，用流道堵头在热管流道的第二端面采用焊接的方式进行密封固定，热管流道内腔的真空度、充入工质的类型以及充液量由丝杠工作时的生热量及期望的传热效率决定，本实施例工质优选为分析纯无水乙醇，真空度优选为0.01Pa，充液量优选为热管流道内腔容积的1/3。

如图2所示，传统液冷丝杠结构中，滚珠丝杠的外形空间尺寸与本实施例的热管丝杠相同，丝杠内部采取液冷循环冷却的方式，冷却液从进液口7进入丝杠内部，带走热量后，从其出液口8处流出，如此循环。

为说明实施效果，将本实施例的新型热管滚珠丝杠与传统液冷丝杠的热性能进行有限元分析与实验对比。

采用有限元方法，按照热管丝杠实际载荷工况(螺母热源在丝杠不同位置时)作为边界条件，对上述两种丝杠结构进行热性能对比分析。

表1为螺母位于不同位置时新型热管滚珠丝杠表面各位置处温度值，表2为螺母位于不同位置时传统液冷丝杠表面各位置处温度值，由表1及表2的分析结果可知，本实施例的新型热管丝杠在不同工况下(螺母位于不同位置时)最大表面温差不超过1.5℃，而传统液冷丝杠在不同工况下最大表面温差超过10℃，本实施例的新型热管丝杠在同一工况下(螺母热源在丝杠同一位置时)最大温度差不超过3.5℃，而传统液冷丝杠在同一工况下表面温度差最大超过16℃。因此可以明显看出，相对传统液冷丝杠，本实施例的新型热管丝杠在工作时表面温度梯度更小，且在工作过程中温度波动性较小。综合上述结果分析可以得出结论，本实施例的新型热管丝杠的综合性能明显优于传统液冷丝杠。

表1螺母位于不同位置时新型热管滚珠丝杠表面各位置处温度值

表2螺母位于不同位置时传统液冷丝杠表面各位置处温度值

进一步对本实施例的新型热管丝杠进行实验验证。选择新型热管丝杠螺母位于1/5处时的工况进行实验，对上述新型热管丝杠进行热性能分析。

表3为实验所得螺母位于1/5处时新型热管丝杠表面各位置处温度值，通过表中数值可以看到，热管丝杠在该工况下表面温差不超过1.0℃，验证了热管丝杠具有良好的表面温度均匀性。

表4为实验所得新型热管丝杠表面螺母测量点处温度随时间变化数值，如表4和图3所示，可以看出本实施例的新型热管丝杠开始工作后温度急剧上升并在10s内迅速下降，此后丝杠各表面温度差值不超过0.4℃，即达到稳定工作状态，证明热管丝杠能在较短时间内达到均温，具有快速均温性。

表3实验所得螺母位于1/5处时新型热管丝杠表面各位置处温度值

距离(mm)	0	200	400	600
					温度值(℃)	31.98	32.51	31.65	32.01

表4实验所得新型热管丝杠表面螺母测量点处温度随时间变化数值

时间(s)	温度(℃)
		0	19.03
20	35.64
		40	45.78
60	34.48
		80	36.59
100	37.69
		120	38.32
140	38.69
		160	38.89
180	39.01
		200	39.08

实施例2：

在实施例1的基础上，热管流道的数量为3，各个热管流道在丝杠本体径向截面上中心对称均匀分布，3个热管流道的第一端之间互相联通，每个热管流道的内腔壁上固定设置吸液芯，吸液芯为有多层网状管芯。

在第二支撑段5的右侧设置有液冷区域，使得热管流道的第二端始终保持在较低的温度内。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.本发明公开了一种新型热管滚珠丝杠，包括丝杠本体、热管流道、工质、流道堵头，所述丝杠本体为轴类构件；所述丝杠本体包括外螺纹段；所述热管流道为一端封闭一端开口的孔状空腔，所述热管流道的第一端为封闭端，设置在所述丝杠本体的左端，所述热管流道的第二端为开口端，设置在所述丝杠本体的右端面上，所述热管流道在轴向方向上贯穿所述外螺纹段；所述流道堵头固定设置于所述热管流道的第二端面处，密封所述热管流道；所述热管流道内腔被抽成真空后注入所述工质。

2.根据权利要求1所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述丝杠本体还包括连接段、第一支撑段、第二支撑段，所述第一支撑段设置在所述外螺纹段左侧，所述第二支撑段设置在所述外螺纹段右侧，所述连接段设置在所述第一支撑段左侧，所述连接段被配置为与电机输出端配合连接，所述第一支撑段被配置为限制所述丝杠本体的轴向和径向自由度，所述第二支撑段被配置为限制所述丝杠本体的径向自由度，所述外螺纹段被配置为与螺母配合构成滚珠丝杠螺母副，所述热管流道第一端面与所述丝杠本体左端面的轴向距离小于等于所述连接段和所述第一支撑段的轴向长度之和。

3.根据权利要求2所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述热管流道的截面形状为圆形、正多边形、椭圆形或锯齿形，所述热管流道的数量大于等于1。

4.根据权利要求3所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述热管流道的数量为1时，所述热管流道的中心轴线与所述丝杠本体的中心轴线重合。

5.根据权利要求3所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述热管流道的数量大于1时，各个所述热管流道在所述丝杠本体径向截面上中心对称均匀分布，相邻两个所述热管流道的第一端之间联通或不联通。

6.根据权利要求4或5所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述工质为分析纯无水乙醇。

7.根据权利要求6所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述工质与所述热管流道内腔的体积比大于等于1/6且小于等于1/2。

8.根据权利要求7所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述热管流道内腔的真空度为0.13～0.0013Pa。

9.根据权利要求1至5任一所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，还包括吸液芯，所述吸液芯固定设置在所述热管流道的内腔壁上，所述吸液芯为多层网状管芯。

10.根据权利要求1至5任一所述的新型热管滚珠丝杠，其特征在于，所述流道堵头的固定方式为焊接方式。