案例一 实心/空心滚珠丝杠热特性分析计算

通过对滚珠丝杠系统的热源、热边界条件的确定和计算，分别建立实心/空心滚珠丝杠系统的热稳态仿真分析模型，利用有限元的方法，得到滚珠丝杠系统的热稳态温度场分布，进而利用多场耦合对滚珠丝杠系统进行热结构耦合分析得到实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的热变形情况，并分析热变形对滚珠丝杠系统的影响；然后分别对实心/空心滚珠丝杠系统进行模态分析和静态分析，分析滚珠丝杠中空后动静态特性的变化和影响，为立式加工中心的优化和改进提供理论依据。

KSMC1250 立式加工中心的滚珠丝杠进给系统的结构简图如图 1。

由于滚珠丝杠系统零件较多，结构也较为复杂，为了使生成的有限元网格更加规则合理，提高计算效率与精度，对滚珠丝杠系统进行相应的简化。考虑到滚珠丝杠的螺纹和滚珠丝杠螺母滚珠与滚道的复杂性，这里将滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母副等效成光轴和光孔螺母；将对滚珠丝杠系统温升影响较小的细微特征进行简化，例如倒角和圆角以及对分析计算不大的螺纹孔、密封槽等。同时，考虑到滚珠丝杠系统的对称性，这里取其 1/2 模型来进行分析计算。划分后的网格如图 2 所示。

轴承、滚珠丝杠和滚珠螺母的材料均为 SUJ2轴承钢，滚珠丝杠系统其他零件的材料为 45 号钢，材料参数如表 1。

本案例中所采用的实心/空心滚珠丝杠为日本NSK 集团的 HMD 系列，其中滚珠螺母的型号是NSK EM5025-6E，滚珠丝杠系统的支承部分分别有四列角接触球轴承，型号是： NSK 40TAC 90 BDBC10 PN7 B，根据已经建好的分析模型及相关参数分别进行热稳态分析。在实心/空心滚珠丝杠轴向向 Z 轴方向 5 mm 处分别建立一个平行于 Y 轴的路径，提取这条路径下温度数据，如图 4。 将路径上提取的温度数据导进数据分析软件中，并绘制出同坐标系下的实心/空心滚珠丝杠路径温度的对比图，如图 5。

在滚珠丝杠达到热稳态之后，空心滚珠丝杠比实心滚珠丝杠蕞高温度下降了 14.24 ℃。在滚珠丝杠转动过程中，由于轴承和滚珠螺母作为主要热源，滚珠丝杠和轴承以及滚珠螺母接触的部分温升明显，且空心滚珠丝杠相比较实心滚珠丝杠在温升明显部位的蕞高温度均出现先了不同程度的下降。由于滚珠丝杠两端的轴承压盖和轴承座通过螺栓固定在立柱上，将滚珠丝杠系统两端的轴承压盖和轴承座进行固定；滚珠丝杠螺母副与主轴箱固定在一起，将主轴箱的质量加载在螺母下端法兰面上；将获取的温度场加载在滚珠丝杠系统上进行热结构耦合分析，分析结果在路径下的变形如图 6 所示。

中空后的滚珠丝杠内孔通入冷却液在温升下降的情况下两端轴承处的滚珠丝杠热变形量明显减小，滚珠螺母的位置热变形略有上升，但比较实心滚珠丝杠，其蕞大变形量仍小于实心滚珠丝杠。

案例二 滚珠丝杠热分析

滚珠丝杠式馈能减振器设计的核心部件是滚珠丝杠，汽车在不平路面颠簸的过程中，滚珠丝杠会不断的上下移动，而滚珠丝杠丝杠又将这种上下移动转化为旋转运动，而滚珠丝杠选转过程中会有大量的热产生，会影响滚珠丝杠的性能，因此分析滚珠丝杠的热分布具有重要的意义，本案例利用软件模拟分析滚珠丝杠的热分布，进一步分析滚珠丝杠设计的实用性。

分析流程：

1) 建立模型：利用 ANSYS 对滚珠丝杠进行建模如 图 1 所示，然后进行画网格

2) 确定材料属性：材料的属性确定是十分重要和 关键的，在这里本文根据经济性和使用性能，滚珠丝杠 材料选择 45 号钢，刚材的弹性模量为 2.1×105 mpa，还 有就是材料的泊松比 e=0.3，通过查阅资料可得密度为 7.85×103 kg/m2 ，比热容 485J/(kg.℃ )。线膨胀系数 18e-6(m/℃ ), 导热系数 111.5w/(m.℃ )[3]。 

3) 施加载荷：螺母部位温度载荷为 800℃，丝杠两 端为 40℃。 

4) 处理结果

根据温场分布图 2-4 可知，在螺母端温度蕞高，而根据热梯度图也可以看出在螺母端温度蕞高，因此螺母段选材和设计是滚珠丝杠的关键，滚珠丝杠要不仅满足受力要求，还得满足这种特殊的温度分布要求。 通过分析，滚珠丝杠螺母处温度分布较高，达到 1000℃左右，因此螺母选材应该需要耐热性更高的材料。