近年來由於精密模具、生醫應用、消費性電子及航太汽車等產業之高生產效率需求，工具機持續朝向高速度、高精度化的趨勢發展。然而，驅動工作平台的滾珠螺桿在長時間進行高速切削、往復運動的情況下，因摩擦熱導致溫度上升、熱不穩定性以及熱變形，使得定位精度劣化而造成加工精度的不良和產品品質不佳。因此，工具機業者目前常以滾珠螺桿冷卻的方式來提高滾珠螺桿的熱穩定性以及抑制熱變形。此外，智慧製造是為現代工廠的發展趨勢，若能在加工過程中即時監測滾珠螺桿的熱穩定性以及健康狀況，則更能確保整個製程的加工品質，尤其是在自動化、無人化的生產過程中更能避免批量的報廢。
本文將介紹冷卻式滾珠螺桿的發展趨勢以及結合IoT技術來達到智慧監測的功效，供讀者作為高精密加工熱對策的參考。
冷卻式滾珠螺桿的發展趨勢
滾珠螺桿是屬於細長的結構，當螺桿溫度變化而熱不穩定時，螺桿的熱脹冷縮導致熱變形。因此滾珠螺桿常用的溫控對策為採用中空螺桿設計並導入冷卻液循環控制，如圖1所示，使用一小於螺桿中空孔徑之長直管插入，冷卻液由長直管內流入螺桿中空孔，並由長直管與中空孔徑間的空隙迴流排出，其中進出口端面須具備最少一組旋轉油封機構。如圖2所示，藉由螺桿端面的旋轉油封機構(軸向冷卻液入口)與螺桿外徑上鑽徑向通孔搭配旋轉油封機構(徑向冷卻液出口)，進行冷卻液循環。
滾珠螺桿的摩擦熱是來自於滾珠和螺帽螺紋珠溝摩擦以及滾珠和螺桿的螺紋珠溝摩擦所造成，螺帽又是延著螺桿的軸向作往復運動，因此熱源可分為滾珠和螺帽的連續摩擦熱源以及滾珠和螺桿的移動摩擦熱源等二種。中空螺桿的冷卻設計對於移動摩擦熱源有良好的熱抑制效果，但對於連續摩擦熱源則需採用螺帽冷卻式的設計才能有直接熱抑制的效益，如圖3所示。甚至對於熱穩定性的更高要求，也會採用中空螺桿和螺帽同步進行冷卻的設計，如圖4所示。
雖然螺桿中空孔冷卻已是常用的溫控設計，但冷卻液通過螺桿端部為了不洩漏而需有油封機構的設計，不但造成了體積和成本的增加，長久使用後油封元件因與螺桿軸端摩擦亦會有磨耗而產生漏油的問題。螺帽冷卻式的設計則因為螺帽固定在移動平台上而不旋轉，因此沒有旋轉油封的設計以及漏油的疑慮。越來越多的廠商開始選用螺帽冷卻式滾珠螺桿作為抑制螺桿熱變位的解決方案。因此如何提高螺帽冷卻式滾珠螺桿的冷卻效率成為重要課題。
螺帽冷卻式滾珠螺桿可分為單螺帽和雙螺帽等二種，單螺帽主要應用在中小型的設備來傳動一般的負荷，如圖3所示；雙螺帽則是應用在中大型的設備來傳動較大的負荷，如圖5所示。傳統的雙螺帽冷卻式流路設計如圖6所示，冷卻液體分流進入二個螺帽，再從二個螺帽匯流而回到冷卻交換機，是屬於雙進雙出的型式。圖5的螺帽冷卻式構型即是採用雙進雙出設計，可以看到共有四顆冷卻液接頭分別設置在法蘭外徑與螺帽端面，須要較大的空間進行冷卻管路配置。
筆者在2019年3月的台北國際工具機展覽會(TIMTOS)發現滾珠螺桿大廠HIWIN發表的新式螺帽冷卻式滾珠螺桿Cooltype III [4]，如圖7、圖8所示。Cooltype III採用單進單出的流路設計，如圖9所示，使冷卻液體的流速提高一倍、達到高冷卻效率。此外，透過最佳的冷卻蓋和壓板設計，如圖8所示，大幅縮短螺帽長度約50mm、提高工具機的有效利用行程。...更多內容，請見《機械新刊》雜誌。
