谢雄飞
（东华机械有限公司，广东东莞， 523118）
摘要：丝杆副冷却机构是在丝杆中间加工一个冷却进通道，然后在丝杆周边均匀加工若干冷却回通道，再增加一个冷却后盖和冷却前盖，使得冷却介子在丝杆和冷却发生装置之间形成一个闭环通道，直接冷却滚珠丝杆。
关键词：冷却后盖;冷却前盖;冷却通道;冷却槽
1.技术背景
滚珠丝杆副在结构上主要由以下核心部件组成：丝杠轴，作为直线运动的导向轴，表面有螺旋槽结构。螺母，与丝杠轴配合，通过螺旋槽形成运动轨道。滚珠，在螺旋槽内滚动，实现低摩擦直线运动转换。反向装置，引导滚珠循环返回起点，形成闭环运动路径。预压组件，调节滚珠循环时的预紧力，提升系统稳定性。防尘装置，保护丝杠免受污染物影响，延长使用寿命。滚珠丝杆的剖面视图如图1。
图1
丝杆副运动精密、噪音低、精度高，已经广泛应用在各种场合，在某些运动场合下，丝杆副的运行载荷大、运行频率快，在高速重载工况下易因摩擦发热导致滚珠和丝杆和螺母滚道的金相变化进而丝杆性能下降，使用寿命短。另外，温度升高导致丝杆螺母密封件、滚珠隔离套等老化变形，进而滚珠的润滑导致滚珠和丝杆滚道磨损，产生不可逆的机械损坏。损坏的丝杆螺母图如图2。
图2
2.现有的丝杆冷却方式
丝杆冷却方式一般分为内部冷却和外部冷却两种，它们的作用都是为了使丝杆能够在高温高压环境下正常工作，并尽可能延长其寿命。
外部冷却最容易实施，但是冷却效果也最差，常见的外部冷却方式有外部喷水冷却，是通过在丝杆外部设置冷却通道，并通过喷头向丝杆表面喷水，从而实现对丝杆表面的冷却。该方式具有简单、易操作、冷却效果好的特点，但也存在喷头易堵塞、冷却效果不稳定等缺点。再就是外部风冷，即在丝杆螺母附近增加风扇，利用空气流动增加丝杆螺母的散热，如图3所示。此种散热模式能在一定程度上缓解丝杆运行中的发热问题，但是冷却效率太低，效果不理想。
图3
内部冷却一般是通过在丝杆内部设置冷却沟槽，并通过冷却管将冷却介质引入沟槽内，从而实现对丝杆内部的冷却。内部冷却也分为内部喷水冷却和内部通油冷却，内部喷水冷却即是将水或冷却剂引入丝杆内部的冷却沟槽中，通过喷头向丝杆内部喷水，从而达到冷却的目的。该方式具有简单、易操作、冷却效果好的特点，但也存在喷头易堵塞、需定期清洗的缺点。内部通油冷却是将润滑油同时作为冷却介质，经过丝杆内部的冷却沟槽，从而实现对丝杆内部的冷却。该方式具有冷却效果好、不容易堵塞、对润滑油有保护作用的特点，但也存在成本高、废油难以处理等缺点。
3.本新型丝杆副冷却机构特点
本新型的丝杆副冷却机构，属于丝杆的内部冷却范围，而且能将能却装置和冷却本体一体化联接控制，能满足各种冷却介子的冷却要求，能直接在丝杆轴上对滚珠丝杆副进行冷却，丝杆冷却介子能循环使用，不受丝杆螺母结构限制，能有效解决丝杆副的冷却问题，提高丝杆的运行精度和寿命。与传统的散热方式相比较，本丝杆冷却机构能保证较为稳定的温度，提高机械设备的可靠性，减少了机械设备维护与保养的成本。
4.本冷却机构特点
本方式的一种新型丝杆副冷却机构，首先是需要在丝杆中间加工一个冷却进通道，通道不能太大，太大了影响丝杆轴的强度和受力，也不能太小，太小了冷却介子通过量不足，冷却效果不佳。然后在丝杆周边均匀加工若干冷却回通道，这些冷却回通道的单个截面积要小于丝杆的冷却进通道的截面积，但是合起来的截面积要略大于冷却进通道的截面积, 丝杆结构图如图4所示。冷却通道的截面积需要先明确丝杆副运动的工况及要求的丝杆温度和热交换量，然后按照公式Q=m×c×Δt（Q：换热量（kW 或 kJ），m：冷却介子质量流量（kg/s），C：冷却介子的定压比热容，Δt：冷却介子进出口温差（℃）），计算出需要的冷却介子的质量流量，再依据质量流量得出冷却进通道和冷却回通道的截面积。
图4
为了使得冷却进通道和冷却回通道联通还需要在丝杆的两端增加前后冷却板，前后冷却板的进通道和丝杆的进通道联通，回通道和丝杆的回通道联通，前冷却板可以直接固定在丝杆前端，随丝杆转动。前冷却板上有冷却回孔和冷却进孔以及密封件，冷却回孔均布在前冷却板的周边并且与冷却板中间的冷却进孔联通，前冷却板的冷却回孔和丝杆的冷却回通道对接，冷却进孔和丝杆的冷却进通道对接，密封件将前冷却板的冷却回孔和冷却进孔分开，同时防止冷却介子溢出前冷却板，如图5所示。同样，也可以在前冷却板上开冷却回槽和冷却进槽，冷却回槽和冷却进槽联通，冷却回槽和丝杆上的冷却回通道对接，冷却进槽和丝杆的进通道对接，密封件将冷却回槽和冷却进槽分开，并且防止冷却介子溢出前冷却板，如图6所示。
图5
图6
滚珠丝杆的后冷却板结构相对复杂一些，首先，后冷却板的端面需要和丝杆的轴端面配合，后冷却板通过轴承固定在丝杆的轴径上，轴承内径与丝杆轴过盈配合与丝杆一起转动，轴承外圈和后冷却板过盈固定，冷却后板固定后不随丝杆转动；因为后冷却板不随丝杆转动，为了保证冷却回通道和冷却板的冷却回通道联通，在后冷却板上开有冷却回槽和冷却回口，还开有冷却进槽和冷却进口，冷却进槽和丝杆的冷却进通道对接，冷却回槽和丝杆的冷却回通道对接，密封件将冷却进槽和冷却回槽分开，并且防止冷却介子溢出后冷却板。如图7所示。
图7
在后冷却板、前冷却板都安装在滚珠丝杆上后，就能形成一个从后冷却板进口到丝杆的冷却通道，再到前冷却板进孔、前冷却板的冷却回孔、再到丝杆的冷却回通道，最后到后冷却板的冷却回槽、冷却回孔的一个冷却循环，而且这个冷却循环直接作用在丝杆上，不受丝杆螺母结构限制，能直接从丝杆内部对滚珠丝杆进行冷却。
5.具体实施过程
现在结合实际工况对此新型丝杆副冷却机构的运动方式进行说明。正常情况下丝杆运行状态需要相关的配套零部件，例如：需要控制电脑接收温度检测装置的温度反馈信号，并且控制伺服电机和冷却发生装置的动作；需要温度检测装置负责检测丝杆螺母的温度；需要伺服电机带动同步带、带轮以及滚珠丝杆运动；滚珠丝杆通过轴承固定在支撑装置上，并且丝杆螺母和负载装置连接一起；需要冷却发生装置提供冷却介子等等。其中同步带带轮连接伺服电机和滚珠丝杆，电机通过同步带和同步带轮带动丝杆转动，丝杆转动带动丝杆螺母和负载在支撑平台上前后运动，温度检测装置安装在丝杆螺母上；
实际运动过程中，丝杆螺母带动负载在丝杆上做负载运动，过程中丝杆螺母逐渐升温，当控制电脑通过温度检测装置检测到丝杆螺母的温度超过设定值T0时，控制系统控制冷却发生装置将冷却介子通过冷却管，经过后冷却板的冷却进口输送进丝杆的冷却进通道，冷却介子流过丝杆中间的冷却进通道，经过前冷却板的冷却进孔流向冷却回孔，然后，冷却介子经过冷却回孔后继续流经丝杆四周均匀分布的冷却回通道，通过冷却回通道后经过后冷却板的冷却回槽以及冷却回口，最后通过冷却管流回冷却发生装置，此次冷却介子带走滚珠丝杆的热量为Δt，然后重复以上运动，直到控制系统通过温度检测装置检测到丝杆螺母的温度低于设定值T0时，控制系统控制冷却放生装置停止运动输出冷却介子。如图8所示。
图8
当前冷却板上加工的不是冷却进孔和冷却回孔，而是冷却进槽和冷却回槽时，冷却介子经过后冷却板的冷却进口输送进丝杆的冷却进通道，冷却介子流过丝杆中间的冷却进通道，经过前冷却板的冷却进槽流向冷却回槽，然后，冷却介子经过冷却回孔后继续流经丝杆四周均匀分布的冷却回通道，通过冷却回通道后经过后冷却板的冷却回槽以及冷却回口，最后通过冷却管流回冷却发生装置，此次冷却介子带走滚珠丝杆的热量为Δt，同样等到控制系统通过温度检测装置检测到丝杆螺母的温度低于设定值T0时，控制系统控制冷却放生装置停止运动输出冷却介子。
此种新型的丝杆副冷却方式冷却效率较传统的冷却方式高出很多，冷却介子可以是冷却水、冷却油乃至冷却气体等等，冷却介子可以循环使用，不必担心冷却介子的污染和回收问题，还可以依据滚珠丝杆的实际使用工况选择不同的冷却介子冷却滚珠丝杆，提高滚珠丝杆的使用寿命和运行精度，并且，其结构简单，易于维护，易于安装，可大幅提高机械设备的效率和可靠性。适合应用在多种滚珠丝杆副的运动场合。
此外，本丝杆冷却机构也可以应用于高精密的机械设备中，此类设备对温度要求非常严格，需要运转稳定。本丝杆冷却机构可以保持相对恒定的温度，减少因温度波动带来的不利影响。
参考文献：
[1]塑料工业手册 瞿金平 黄汉雄 吴舜英[M]北京化学工业出版社 2001：263
[2]注塑技术与注塑机 [M]王兴天 北京化学工业出版社 2005：148
[3]机械设计手册[M] 成大先 北京化学工业出版社 第一卷 2002：1-189
[4]《精密成形工程》杨雷;郝庆乐;丁翔;2025年第6期
[5]滚珠丝杆螺母副的调节安装和防护 伍利群; 杨益梅;《机械研究与应用》 |2006年第6期
[6]滚珠丝杆螺母副内滚道加工工艺探讨 周军;《军民两用技术与产品》 |2017年第10期
[7]滚珠丝杆螺母副的调节安装和防护 伍利群 ,杨益梅 机械研究与应用 . 2006,第6期;
[8]基于SolidWorks的空气压缩机建模及仿真分析[J].权洁,煤矿机械.2011,第8期;
[9]基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析[J].陈永当;鲍志强;任慧娟;王钰鑫,计算机技术与发展.2012,第9期;
[10]滚珠丝杆副综合导程精度的试验研究[C].朱逢时.全国第一届精密机械系统与元件设计学术会 1986
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