Coupling of thermal and mechanical ball screw models for machine tools

Abstract

In machine tools, ball screw drives are the most widely used linear actuators due to their high efficiency and positioning accuracy. A ball screw drive is composed of a shaft with helical grooves, a nut system with helical grooves, and spheres between the nut system and the shaft. At the WZL a ball screw mechanical model has been developed for the calculation of the load distribution on the components and contact characteristics of the spheres. During the operation of the ball screw drive, friction will occur on the contacts of the spheres generating heat and resulting in an increase of the components' temperature. This thermal variation will result in thermal expansion changing the load distribution and contact characteristics in the system. In order to add the influence of these thermal variations to the existing mechanical model, a second model of ball screws was created to deal with the thermal problem. This work presents the contributions to the previously existing mechanical and thermal model and the development of the models' coupling. The model results are compared to the data measured on the test rig developed in previous work.

Em máquinas ferramentas fusos de esferas recirculantes são os atuadores lineares mais utilizados devido a sua alta eficiência e precisão de posicionamento. Um fuso de esferas é composto por eixo com ranhuras helicoidais, castaneira com ranhuras helicoidais e esferas entre a castanheira e o eixo. No WZL um modelo mecânico de fusos de esferas foi desenvolvido para o cálculo de distrubuição de carga nos componentes e características de contato nas esferas. Durante a operação do sistema atrito ocorrerá nos contatos das esferas gerando calor e resultando em um aumento de temperatura nos componentes. Esta variação termal resultará em expansão térmica, alterando a distribuição de carga e as características de contato no sistema. Com o intuito de adicionar esta influência termal no modelo mecânico existente, um segundo modelo de fusos de esferas foi criado para lidar com o problema térmico. Este trabalho apresenta as contribuições no modelo mecânico e no modelo térmico previamente existentes e também o desenvolvimento do acoplamento de ambos. Os resultados obtidos são comparados a dados medidos na bancada de testes desenvolvida previamente.