本發(fā)明屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)及其安裝與冷卻方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代制造業(yè)中的數(shù)控機(jī)床普遍以滾珠絲杠系統(tǒng)作為其進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)，而隨著制造業(yè)的發(fā)展，精密數(shù)控機(jī)床的加工效率愈來愈高，因此需要提高進(jìn)給速度。數(shù)控機(jī)床在較大的切削負(fù)載作用下，隨著進(jìn)給系統(tǒng)速度的提高，絲杠系統(tǒng)摩擦加大，絲杠溫升提高，熱變形加重，定位精度降低，最終影響機(jī)床的加工精度。并且由溫升引起的熱誤差在總誤差中起到了主導(dǎo)作用，因此對滾珠絲杠系統(tǒng)的冷卻是必要的。

目前對滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的冷卻主要有整體冷卻和局部冷卻兩種方法。整體冷卻不能夠針對系統(tǒng)的重點發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行集中冷卻，冷卻效率較低，且浪費資源；局部冷卻包括往空心絲杠的空心腔內(nèi)通入冷卻液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，還有在絲杠螺母或軸承座內(nèi)加工冷卻槽，并通入冷卻液。然而空心絲杠的強(qiáng)度和使用壽命不如實心絲杠，不能代替實心絲杠普遍應(yīng)用于機(jī)床中，在關(guān)鍵部件中加工冷卻槽，也會破壞零部件原有的結(jié)構(gòu)，影響其強(qiáng)度和壽命。

因此，有必要設(shè)計一種在不影響滾珠絲杠系統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，能夠?qū)z杠的重點發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行局部冷卻，且冷卻效率高的氣體外冷卻設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)及其安裝與冷卻方法，在不需要改變原來絲杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，通過加裝冷卻裝置的方式實現(xiàn)絲杠局部冷卻。

本發(fā)明一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)，包括第一噴氣組、第二噴氣組、檢測裝置、控制裝置和制冷裝置。所述的第一噴氣組由設(shè)置在滾珠絲杠一側(cè)的兩個噴氣裝置組成；所述的第二噴氣組由設(shè)置在滾珠絲杠另一側(cè)的兩個噴氣裝置組成。

所述的噴氣裝置包括高度及俯仰調(diào)節(jié)組件和朝向調(diào)節(jié)組件。所述的高度及俯仰調(diào)節(jié)組件包括調(diào)高固定架、調(diào)高活動架、調(diào)節(jié)塊支座和第一緊定螺釘。所述的調(diào)高活動架與調(diào)高固定架可拆卸固定。所述的調(diào)節(jié)塊支座與調(diào)高活動架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，且通過第一緊定螺釘固定。所述的朝向調(diào)節(jié)組件包括快速接頭、氣刀、第二緊定螺釘和角度調(diào)節(jié)塊。所述的角度調(diào)節(jié)塊與調(diào)節(jié)塊支座構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，且通過第二緊定螺釘固定。角度調(diào)節(jié)塊與氣刀固定。氣刀上固定有快速接頭。氣刀的入氣口與快速接頭的出口連通。

所述的檢測裝置包括齒輪、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器和第二紅外線測溫傳感器。所述的齒輪固定在滾珠絲杠的一端。所述的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器固定在床鞍上，且檢測頭朝向齒輪的輪齒部分。所述的第二紅外線測溫傳感器固定在機(jī)床工作臺上，且檢測頭朝向機(jī)床上滾珠絲杠與螺母座的連接處。

所述的制冷裝置包括氣壓傳感器、氣泵、調(diào)壓閥、儲氣罐、自控式流量閥、步進(jìn)電機(jī)、換熱器、渦流管、第一電磁閥和第二電磁閥。所述氣泵的出氣口與儲氣罐的入氣口連通。儲氣罐的出氣口與自控式流量閥的入氣口連通。自控式流量閥的出氣口與調(diào)壓閥的入氣口連通。調(diào)壓閥的出氣口與氣壓傳感器的檢測口連通。步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)旋鈕固定。

所述的換熱器包括箱體、液壓閥、噴淋管、噴頭和翅片式冷凝管。噴淋管設(shè)置在箱體內(nèi)，且入液口通過液壓閥與冷卻液提供裝置相連，出液口與噴頭相連。翅片式冷凝管設(shè)置在噴頭的下方。箱體底部開設(shè)的冷卻液出口與冷卻液回收裝置相連。翅片式冷凝管的入口與調(diào)壓閥的出氣口相連。翅片式冷凝管的出口與渦流管的入氣口連通。

所述渦流管的低溫出氣口與第一電磁閥及第二電磁閥的一個工作氣口連通。第一電磁閥的另一個工作氣口與第一噴氣組內(nèi)兩個噴氣裝置的快速接頭入口連通。第二電磁閥的另一個工作氣口與第二噴氣組內(nèi)兩個噴氣裝置的快速接頭入口連通。

所述的控制裝置與氣壓傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、第一紅外線測溫傳感器、第二紅外線測溫傳感器、自控式流量閥和步進(jìn)電機(jī)相連。

進(jìn)一步地，所述的調(diào)高固定架與機(jī)床工作臺固定。

進(jìn)一步地，本發(fā)明一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)還包括第二手柄和第二手柄軸。所述的調(diào)高固定架上開設(shè)有調(diào)節(jié)孔組。調(diào)節(jié)孔組由k個調(diào)高螺紋孔組成，2≤k≤20。調(diào)高活動架通過螺栓與調(diào)節(jié)孔組內(nèi)的調(diào)高螺紋孔固定。調(diào)高活動架呈u形。第二手柄軸與調(diào)高活動架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。第二手柄軸的內(nèi)端與調(diào)節(jié)塊支座固定，外端與第二手柄固定。調(diào)節(jié)塊支座的端面上開設(shè)有第一圓弧槽。第一圓弧槽兩側(cè)壁的圓心軸線均與第二手柄軸的軸線重合。調(diào)高活動架上開設(shè)有第一緊定螺紋孔。第一緊定螺紋孔內(nèi)設(shè)置有第一緊定螺釘。第一緊定螺釘?shù)志o第一圓弧槽。

進(jìn)一步地，本發(fā)明一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)還包括壓板、第一手柄和第一手柄軸。所述調(diào)節(jié)塊支座的側(cè)面上開設(shè)有圓弧缺口。所述角度調(diào)節(jié)塊的圓弧側(cè)面與調(diào)節(jié)塊支座上圓弧缺口的圓弧面接觸。圓弧缺口的底面與角度調(diào)節(jié)塊的底面接觸。壓板固定在調(diào)節(jié)塊支座上。壓板的底面與角度調(diào)節(jié)塊的頂面接觸。角度調(diào)節(jié)塊的頂面上開設(shè)有第二圓弧槽。第二圓弧槽兩側(cè)壁的圓心軸線與角度調(diào)節(jié)塊圓弧側(cè)面的圓心軸線重合。壓板頂面開設(shè)的螺紋通孔內(nèi)設(shè)置有第二緊定螺釘。第二緊定螺釘?shù)志o第二圓弧槽。

進(jìn)一步地，本發(fā)明一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)還包括第一紅外線測溫傳感器。所述的第一紅外線測溫傳感器固定在床鞍上，且檢測頭朝向滾珠絲杠與床鞍的連接處。

進(jìn)一步地，所述渦流管的高溫出氣口與外界環(huán)境連通。

進(jìn)一步地，所述的控制裝置包括d/a轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和a/d轉(zhuǎn)換器。a/d轉(zhuǎn)換器的四個模擬量輸入接口與氣壓傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、第一紅外線測溫傳感器、第二紅外線測溫傳感器的信號線分別相連。a/d轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出接口與單片機(jī)的第一i/o口相連。單片機(jī)的第二i/o口與d/a轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入接口相連。d/a轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出接口與自控式流量閥的控制端相連。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的信號線相連。

該機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)的安裝方法具體如下：

步驟一、拆開四個噴氣裝置內(nèi)固定調(diào)高固定架與調(diào)高活動架，并調(diào)節(jié)調(diào)高固定架與調(diào)高活動架的相對位置。之后固定四個噴氣裝置內(nèi)固定調(diào)高固定架與調(diào)高活動架。

步驟二、松開四個噴氣裝置內(nèi)的第一緊定螺釘；轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊支座，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣刀的俯仰角。松開四個噴氣裝置內(nèi)的第二緊定螺釘；轉(zhuǎn)動角度調(diào)節(jié)塊，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣刀的水平角；使得四個調(diào)節(jié)塊支座、調(diào)高活動架所構(gòu)成轉(zhuǎn)動副的公共軸線與滾珠絲杠軸線的水平距離均為40～100mm，豎直距離均為40～120mm，氣刀的噴氣方向在水平面上的投影與垂直滾珠絲杠軸線的平面所成角大小等于滾珠絲杠的螺旋升角大小。

經(jīng)步驟二調(diào)整后，四個氣刀的噴氣方向在垂直滾珠絲杠軸線平面上的投影分別與經(jīng)過對應(yīng)氣刀出氣口且相切于滾珠絲杠外圓周的平面成θ+α°夾角，θ為氣刀的噴射夾角，θ的值取22°，α為氣流擴(kuò)散角，α的值在滾珠絲杠直徑小于或等于36mm的情況下取10°，在滾珠絲杠直徑大于或等于50mm的情況下取12.5°，在滾珠絲杠直徑大于36mm且小于50mm的情況下取11°至12.5°之間的一個值。

該機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)的冷卻方法具體如下：

步驟一、氣泵啟動，儲氣罐內(nèi)的氣體經(jīng)自控式流量閥、調(diào)壓閥后進(jìn)入翅片式冷凝管；噴頭噴出的冷卻液使得翅片式冷凝管的溫度降低。翅片式冷凝管輸出的氣體經(jīng)渦流管的入氣口進(jìn)入渦流管并在渦流管內(nèi)分為高溫氣體和低溫氣體。低溫氣體經(jīng)低溫出氣口輸出到第一電磁閥及第二電磁閥處。

步驟二、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器檢測滾珠絲杠的轉(zhuǎn)向。若滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)，單片機(jī)控制第一電磁閥通電。第一噴氣組內(nèi)兩個噴氣裝置噴出氣體，使得噴出氣體的噴氣裝置的噴氣方向與滾珠絲杠外圓周在相切于平面a處的線速度方向所構(gòu)成的角為鈍角。平面a相切于滾珠絲杠外圓周的平面，且與噴出氣體的兩個氣刀的噴氣方向成θ+α夾角，θ為氣刀的噴射夾角，θ的值取22°，α為氣流擴(kuò)散角，α的值在滾珠絲杠直徑小于或等于36mm的情況下取10°，在滾珠絲杠直徑大于或等于50mm的情況下取12.5°，在滾珠絲杠直徑大于36mm且小于50mm的情況下取11°至12.5°之間的一個值。

若滾珠絲杠的反轉(zhuǎn)，單片機(jī)控制第二電磁閥通電。第二噴氣組內(nèi)兩個噴氣裝置噴出氣體，使得噴出氣體的噴氣裝置的噴氣方向與滾珠絲杠外圓周在相切于平面b處的線速度方向所構(gòu)成的角為鈍角。平面b相切于滾珠絲杠外圓周，且與噴出氣體的兩個氣刀的噴氣方向成θ+α夾角。

步驟三、若第二紅外線測溫傳感器檢測到滾珠絲杠與螺母座連接處的溫度高于a，22℃≤a≤40℃。則自控式流量閥控制氣流量增大，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)旋鈕，使得調(diào)壓閥出口的氣壓增大。由于氣壓增大，使得渦流管輸出的低溫氣體溫度降低。由于氣流量增大，噴氣裝置的噴氣量增大；冷卻效率提升，滾珠絲杠的溫度下降。

若第二紅外線測溫傳感器檢測到滾珠絲杠與螺母座連接處的溫度低于b，15℃≤b＜22℃。則自控式流量閥控制氣流量減小，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)旋鈕，使得調(diào)壓閥出口的氣壓減小。由于氣壓減小，使得渦流管輸出的低溫氣體溫度升高。由于氣流量減小，噴氣裝置的噴氣量減??；冷卻效率降低。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1、本發(fā)明通過加裝冷卻裝置進(jìn)行冷卻，不需要破壞機(jī)床原有的零部件結(jié)構(gòu)，且具有可拆裝的特點。

2、本發(fā)明能夠適應(yīng)于不同規(guī)格的滾珠絲杠，并且調(diào)整比較方便，滿足多元化的需求。

3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，冷卻介質(zhì)為氣體，因此節(jié)能環(huán)保。

4、本發(fā)明針對重點發(fā)熱區(qū)域冷卻，冷卻效率高。

5、本發(fā)明噴氣方向可調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提升了冷卻效率。

6、本發(fā)明冷卻介質(zhì)的流量可控，進(jìn)一步降低了消耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中噴氣裝置固定在機(jī)床工作臺上的示意圖；

圖3為本發(fā)明中噴氣裝置與機(jī)床床鞍相對位置的示意圖；

圖4為本發(fā)明中噴氣裝置的立體圖；

圖5為本發(fā)明中高度及俯仰調(diào)節(jié)組件的裝配示意圖；

圖6為本發(fā)明的高度及俯仰調(diào)節(jié)組件的爆炸圖；

圖7為本發(fā)明中朝向調(diào)節(jié)組件的裝配示意圖；

圖8為本發(fā)明中氣刀與滾珠絲杠相對位置的示意圖；

圖9為針對36mm滾珠絲杠的冷卻效果模擬結(jié)果折線圖；

圖10為針對50mm滾珠絲杠的冷卻效果模擬結(jié)果折線圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1、2和3所示，一種機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)，包括第一噴氣組24、第二噴氣組25、檢測裝置、控制裝置和制冷裝置。第一噴氣組24由設(shè)置在滾珠絲杠17一側(cè)的兩個噴氣裝置15組成，第二噴氣組25由設(shè)置在滾珠絲杠17另一側(cè)的兩個噴氣裝置15組成。

如圖4、5、6和7所示，噴氣裝置15包括高度及俯仰調(diào)節(jié)組件和朝向調(diào)節(jié)組件。高度及俯仰調(diào)節(jié)組件包括調(diào)高固定架1、調(diào)高活動架6、調(diào)節(jié)塊支座11、第二手柄12、第二手柄軸13和第一緊定螺釘14。調(diào)高固定架1與機(jī)床工作臺19固定；機(jī)床工作臺19固定在螺母座16上。螺母座16通過螺母與支承在床鞍18上的滾珠絲杠17構(gòu)成螺旋副。調(diào)高固定架1上開設(shè)有兩個調(diào)節(jié)孔組。調(diào)節(jié)孔組由在同一直線上等距設(shè)置的五個調(diào)高螺紋孔組成。調(diào)高活動架6通過螺栓與調(diào)節(jié)孔組內(nèi)的調(diào)高螺紋孔固定。調(diào)高活動架6與不同調(diào)高螺紋孔固定時，自身的高度隨之改變。調(diào)高活動架6呈u形。同軸設(shè)置的兩根第二手柄軸13均與調(diào)高活動架6構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。兩根第二手柄軸13的內(nèi)端均與調(diào)節(jié)塊支座11固定，外端與兩個第二手柄12分別固定。調(diào)節(jié)塊支座11的兩端端面上均開設(shè)有第一圓弧槽。第一圓弧槽兩側(cè)壁的圓心軸線均與第二手柄軸13的軸線重合。調(diào)高活動架6的兩外側(cè)面上均開設(shè)有第一緊定螺紋孔。第一緊定螺紋孔內(nèi)設(shè)置有第一緊定螺釘14。調(diào)高活動架6兩外側(cè)面上的第一緊定螺釘分別抵緊兩個第一圓弧槽。調(diào)節(jié)塊支座11的側(cè)面上開設(shè)有圓弧缺口。

如圖4和7所示，朝向調(diào)節(jié)組件包括氣刀座2、快速接頭3、氣刀4、壓板5、第一手柄7、第一手柄軸8、第二緊定螺釘9和角度調(diào)節(jié)塊10。角度調(diào)節(jié)塊10的圓弧側(cè)面與調(diào)節(jié)塊支座11上圓弧缺口的圓弧面接觸，并能夠相對滑動。圓弧缺口的底面與角度調(diào)節(jié)塊10的底面接觸。壓板5固定在調(diào)節(jié)塊支座11上。壓板5的底面與角度調(diào)節(jié)塊10的頂面接觸。角度調(diào)節(jié)塊10的頂面上開設(shè)有兩個第二圓弧槽。兩個第二圓弧槽兩側(cè)壁的圓心軸線均與角度調(diào)節(jié)塊10圓弧側(cè)面的圓心軸線重合。壓板5頂面開設(shè)的兩個第二螺紋孔內(nèi)均設(shè)置有第二緊定螺釘9。兩個第二緊定螺釘分別抵緊兩個第二圓弧槽。氣刀座2與角度調(diào)節(jié)塊10固定。氣刀4固定在氣刀座2上。氣刀4上固定有快速接頭3。氣刀4的入氣口與快速接頭3的出口連通。

如圖1所示，檢測裝置包括齒輪20、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器21、第一紅外線測溫傳感器22和第二紅外線測溫傳感器23。齒輪20固定在滾珠絲杠的一端?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器21固定在床鞍上，且檢測頭朝向齒輪20的輪齒部分。第一紅外線測溫傳感器22固定在床鞍上，且檢測頭朝向滾珠絲杠17與床鞍的連接處。第二紅外線測溫傳感器23固定在機(jī)床工作臺上，且檢測頭朝向滾珠絲杠17與螺母座16的連接處。

制冷裝置包括氣壓傳感器35、氣泵36、調(diào)壓閥37、儲氣罐38、連接件39、聯(lián)軸器40、自控式流量閥41、步進(jìn)電機(jī)42、換熱器、渦流管29、第一電磁閥26和第二電磁閥27。氣泵36的出氣口與儲氣罐38的入氣口連通。儲氣罐38的出氣口與自控式流量閥41的入氣口連通。自控式流量閥41的出氣口與調(diào)壓閥37的入氣口連通。調(diào)壓閥37的出氣口與氣壓傳感器35的檢測口連通。步進(jìn)電機(jī)42的輸出軸通過聯(lián)軸器40與連接件39的一端固定。連接器的另一端與調(diào)壓閥37的調(diào)節(jié)旋鈕固定。

換熱器包括箱體32、液壓閥30、噴淋管31、噴頭33和翅片式冷凝管34。噴淋管31設(shè)置在箱體32內(nèi)，且入液口通過液壓閥30與冷卻液提供裝置相連，出液口與噴頭33相連。翅片式冷凝管34設(shè)置在噴頭33的下方。箱體32底部開設(shè)的冷卻液出口與冷卻液回收裝置相連。翅片式冷凝管34的入口與調(diào)壓閥37的出氣口相連。翅片式冷凝管34的出口與渦流管29的入氣口連通。

渦流管29的高溫出氣口與外界環(huán)境連通，低溫出氣口與第一電磁閥26及第二電磁閥27的一個工作氣口連通。第一電磁閥26的另一個工作氣口與第一噴氣組內(nèi)兩個噴氣裝置的快速接頭3入口連通。第二電磁閥27的另一個工作氣口與第二噴氣組內(nèi)兩個噴氣裝置的快速接頭3入口連通。

控制裝置包括d/a轉(zhuǎn)換器43、單片機(jī)44和a/d轉(zhuǎn)換器28。a/d轉(zhuǎn)換器28的四個模擬量輸入接口與氣壓傳感器35、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器21、第一紅外線測溫傳感器22、第二紅外線測溫傳感器23的信號線分別相連。a/d轉(zhuǎn)換器28的數(shù)字量輸出接口與單片機(jī)44的第一i/o口相連。單片機(jī)44的第二i/o口與d/a轉(zhuǎn)換器43的數(shù)字量輸入接口相連。d/a轉(zhuǎn)換器43的模擬量輸出接口與自控式流量閥41的控制端相連。單片機(jī)44與步進(jìn)電機(jī)42的信號線相連。

該機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)的安裝方法具體如下：

步驟一、拆開四個噴氣裝置15內(nèi)固定調(diào)高固定架1與調(diào)高活動架6的螺栓，并調(diào)節(jié)調(diào)高固定架1與調(diào)高活動架6的相對位置。之后用螺栓固定四個噴氣裝置15內(nèi)固定調(diào)高固定架1與調(diào)高活動架6。

步驟二、如圖8所示，松開四個噴氣裝置15內(nèi)的第一緊定螺釘；轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊支座11，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣刀4的俯仰角。松開四個噴氣裝置15內(nèi)的第二緊定螺釘；轉(zhuǎn)動角度調(diào)節(jié)塊10，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣刀4的水平角。使得四根第二手柄軸軸線與滾珠絲杠軸線的水平距離均為60mm，豎直距離均為70mm，氣刀4的噴氣方向在水平面上的投影與垂直滾珠絲杠17軸線的平面所成角大小等于滾珠絲杠17的螺旋升角大??；四個氣刀4的噴氣方向在垂直滾珠絲杠17軸線平面上的投影分別與經(jīng)過對應(yīng)氣刀4出氣口且相切于滾珠絲杠外圓周的平面s成θ+α°夾角，θ為氣刀4的噴射夾角，θ的值取22°，α為氣流擴(kuò)散角，即氣刀4噴出的氣流外邊沿與對應(yīng)平面s所成角，α的值在滾珠絲杠直徑小于或等于36mm的情況下取10°，在滾珠絲杠直徑大于或等于50mm的情況下取12.5°，在滾珠絲杠直徑大于36mm且小于50mm的情況下取11°至12.5°之間的一個值。

由于中高轉(zhuǎn)速機(jī)床中所用滾珠絲杠以直徑36mm和直徑50mm為主，故針對直徑36mm及直徑50mm滾珠絲杠進(jìn)行冷卻效果模擬。直徑36mm滾珠絲杠的常用工作轉(zhuǎn)速為1000～2000轉(zhuǎn)，故直徑36mm滾珠絲杠的冷卻效果模擬針對1000轉(zhuǎn)及2000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行。直徑50mm滾珠絲杠的常用工作轉(zhuǎn)速為2000～6000轉(zhuǎn)，故直徑50mm滾珠絲杠的冷卻效果模擬針對2000轉(zhuǎn)及6000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行。模擬方式采用有限元分析軟件ansys進(jìn)行模擬計算。模擬結(jié)果為平均輸入換熱系數(shù)與氣流擴(kuò)散角之間的關(guān)系折線圖。

直徑36mm滾珠絲杠在轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)或2000轉(zhuǎn)的情況下，平均輸入換熱系數(shù)y與氣流擴(kuò)散角α之間的關(guān)系如圖9所示，從圖中可以看出，氣流擴(kuò)散角取10°時，平均輸入換熱系數(shù)達(dá)到最大值。此時，冷卻效果最佳。

直徑50mm滾珠絲杠在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)或6000轉(zhuǎn)的情冷況下，平均輸入換熱系數(shù)y與氣流擴(kuò)散角α之間的關(guān)系如圖10所示，從圖中可以看出，氣流擴(kuò)散角取12.5°時，平均輸入換熱系數(shù)達(dá)到最大值。此時，冷卻效果最佳。

該機(jī)床滾珠絲杠氣體外冷卻系統(tǒng)的冷卻方法具體如下：

步驟一、氣泵36啟動，儲氣罐38內(nèi)的氣體經(jīng)自控式流量閥41、調(diào)壓閥37后進(jìn)入翅片式冷凝管；冷卻液提供裝置提供的冷卻液經(jīng)噴淋管31上的噴頭33噴出。冷卻液使得翅片式冷凝管34的溫度降低，實現(xiàn)氣流的預(yù)冷卻。翅片式冷凝管輸出的氣體經(jīng)渦流管29的入氣口進(jìn)入渦流管29并在渦流管29內(nèi)分為高溫氣體和低溫氣體。高溫氣體經(jīng)渦流管29的高溫出氣口進(jìn)入外界環(huán)境，低溫氣體經(jīng)低溫出氣口輸出到第一電磁閥26及第二電磁閥27處。

步驟二、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器21檢測滾珠絲杠的轉(zhuǎn)向。若滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)，單片機(jī)44控制第一電磁閥26通電。第一噴氣組24內(nèi)兩個噴氣裝置15噴出氣體，使得噴出氣體的噴氣裝置15的噴氣方向與滾珠絲杠外圓周在相切于平面a處的線速度方向所構(gòu)成的角為鈍角。平面a相切于滾珠絲杠外圓周的平面，且與噴出氣體的兩個氣刀4的噴氣方向成θ+α夾角，θ為氣刀4的噴射夾角，θ的值取22°，α為氣流擴(kuò)散角，α的值在滾珠絲杠直徑小于或等于36mm的情況下取10°，在滾珠絲杠直徑大于或等于50mm的情況下取12.5°，在滾珠絲杠直徑大于36mm且小于50mm的情況下取11°。

若滾珠絲杠的反轉(zhuǎn)，單片機(jī)44控制第二電磁閥27通電。第二噴氣組25內(nèi)兩個噴氣裝置15噴出氣體，使得噴出氣體的噴氣裝置15的噴氣方向與滾珠絲杠外圓周在相切于平面b處的線速度方向所構(gòu)成的角為鈍角。平面b相切于滾珠絲杠外圓周，且與噴出氣體的兩個氣刀4的噴氣方向成θ+α夾角。

步驟三、若第二紅外線測溫傳感器23檢測到滾珠絲杠17與螺母座16連接處的溫度高于a，a的值取25℃。則自控式流量閥41控制氣流量增大，步進(jìn)電機(jī)42正轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥37的調(diào)節(jié)旋鈕，使得調(diào)壓閥37出口的氣壓增大。由于氣壓增大，使得渦流管29輸出的低溫氣體溫度降低。由于氣流量增大，噴氣裝置15的噴氣量增大；冷卻效率提升，滾珠絲杠的溫度下降。

若第二紅外線測溫傳感器23檢測到滾珠絲杠17與螺母座16連接處的溫度底部b，b的值取20℃。則自控式流量閥41控制氣流量減小，步進(jìn)電機(jī)42反轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥37的調(diào)節(jié)旋鈕，使得調(diào)壓閥37出口的氣壓減小。由于氣壓減小，使得渦流管29輸出的低溫氣體溫度升高。由于氣流量減小，噴氣裝置15的噴氣量減??；冷卻效率降低。