大型數控外螺紋旋風銑床的設計開發*

鄧順賢

（陜西漢江機床有限公司，陜西漢中 723003）

隨著數控系統、伺服電動機、光柵尺等數控功能部件的快速發展，滾珠絲杠副作為實現數控機床直線運動的主要功能部件，它的導程制造精度要求在一定程度上將逐步弱化，而性能指標的要求在逐步提高。影響滾珠絲杠副性能的主要因素有絲杠及螺母滾道幾何形狀的加工誤差、絲杠中徑尺寸的一致性誤差、切削加工對滾道表面組織的影響等。在制造過程中如何有效地減小這些誤差和影響，高速螺紋旋風硬銑削這一先進加工技術為此提供了全面解決方案。

德國等西方工業發達國家，上世紀六七十年代就已經對旋風銑削工藝技術進行研究，并在八十年代推出CNC旋風銑床，用于滾珠絲杠的硬銑削加工。最知名企業是德國Leistritz公司，其最大規格產品PW250，加工長度為8 000 mm，加工直徑220 mm，最大加工硬度62 HRC，加工滾珠絲杠的精度可達P3級。我國上世紀六七十年代旋風銑削技術就已開始應用，但一直停留在低精度、軟銑水平上。

該機床在國內尚無其他廠家制造，南京工藝裝備制造有限公司、寧波海天、大連高精的數控螺紋旋風銑床都由德國Leistritz公司進口而來。機床可對螺紋的導程精度和中徑一致性進行修整，旋銑絲杠精度可達P3級，滾道截面形狀穩定性、中徑一致性均優于磨削加工絲杠。機床配置精密對刀儀，具有軌跡尋找功能，在一次加工長度4 m的基礎上可進行二次接刀加工，單根加工長度可達8 m，在滾珠絲杠制造中與其他加工技術相比具有顯著的優越性和推廣價值。旋風銑削技術在蝸桿、汽車轉向器螺桿、注塑機螺桿等方面也有廣泛的應用。因此，發展具有自主知識產權的螺紋旋風硬銑削機床，對提升我國滾珠絲杠制造工藝水平，擴大生產規模，具有十分重要的意義。

為了推動我國數控機床功能部件的發展，促進高性能數控機床的技術進步，漢江機床有限公司從2007年起對螺紋旋風硬銑削技術進行研究并應用。研發了適宜大批量產業化生產、具有自主知識產權的大型螺紋旋風硬銑削機床。

1 HJ092×80數控螺紋旋風銑床介紹

HJ092×80數控螺紋旋風銑床（如圖1所示）適用于加工直徑230 mm以內、長度8 000 mm以下的滾珠絲杠（精度可達3級）、梯形絲杠及螺桿，還可對直徑100 mm以內、長度8 000 mm以上的滾珠絲杠進行接刀加工。

機床配置SIEMENS 840D sl數控系統，控制九軸兩聯動來實現機床的加工運動。頭架主軸回轉運動、銑頭縱向運動、銑頭橫向進給運動、跟刀架夾緊松開運動及中心架垂直升降運動均采用SIEMENS交流伺服電動機驅動。機床螺紋運動是由頭架主軸伺服電動機與旋風銑頭縱向運動伺服電動機實現聯動而形成。高速銑削主軸轉速調節采用交流變頻的方法，實現銑刀恒線速切削。銑頭縱向和橫向進給運動均采用高精度滾珠絲杠副和直線導軌副傳動。銑頭縱向運動配置光柵尺，實現全閉環控制，可校正加工工件螺距的累積誤差和相鄰誤差。工件冷卻采用了壓縮空氣冷卻，不需回收、無污染。

1．1 旋風銑削基本工作原理

旋風銑削是用安裝在刀盤上的多把成形刀具，借助于刀盤旋轉中心與工件旋轉中心的偏心量來完成漸進式高速銑削外螺紋的方法。該方法比傳統加工效率提高5倍以上，切屑長而薄，可帶走大部分熱量，旋銑切削力小，工件變形小，加工后的零件具有高精度和小表面粗糙度值。旋銑刀片可多次重磨使用，提高經濟效益，而且可依據不同零件設計相應的刀盤和刀片。

1．2 機床控制軸數

Z軸:銑頭拖板縱向運動;X軸:銑頭橫進給運動;C軸:頭架主軸回轉運動;U1軸:左跟刀架垂直運動;U2軸:右跟刀架垂直運動;V1軸:1號中心架垂直運動;V2軸:2號中心架垂直運動;V3軸:3號中心架垂直運動;V4軸:4號中心架垂直運動。

1．3 機床主要規格參數（表1）

1．4 機床主要部件結構

（1）床身

床身為鑄鐵件，分上、下兩部分。上床身安裝導軌、驅動電動機、絲杠、拖板、銑頭和尾架等部件;下床身安裝頭架、中心架等部件。

（2）頭架

固定于床身左邊，主軸采用活頂尖結構，前部安裝三爪卡盤，后部直連空心旋轉編碼器。伺服電動機經精密減速機、無間隙聯軸器、雙片消隙齒輪將動力傳遞給主軸，驅動主軸旋轉，從而帶動工件轉動。

表1

（3）銑頭（如圖2所示）

垂直安裝于小拖板上，加工時刀盤套在絲杠上進行旋銑。主軸電動機經皮帶驅動刀盤高速旋轉。根據工件直徑不同，選擇不同的刀盤，根據齒形不同，選擇不同的刀具。刀盤上最多可安裝12把刀具，刀具切削線速度最大可達240 m/min。

（4）拖板

安裝于床身正面，呈L形，上部安裝在一副直線導軌上，承受整個拖板及小拖板和銑頭的重量，拖板下部垂直安裝直線導軌承受拖板的顛覆力。在拖板上部外側安裝伺服電動機、滾珠絲杠副，采用絲杠固定、螺母旋轉的方式驅動拖板在Z軸方向縱向移動。小拖板由伺服電動機、滾珠絲杠副驅動，在垂直面內實現進、退刀運動。

（5）尾架

安裝在上床身右邊，根據工件長度不同，可通過齒輪齒條在導軌上移動，移動到需要位置后，通過兩個拉桿鎖緊。搖動手輪可以驅動頂尖產生進、退動作。尾架分上下兩層，通過調節扳手可調整尾架與頭架、跟刀架在同一軸線上。

（6）中心架

用于對長工件支撐。伺服電動機經一對齒輪將旋轉運動傳遞給滾珠絲杠副，通過上、下移動V形支撐塊實現托起、釋放工件的動作;驅動油缸可實現中心架55°的擺動。

（7）跟刀架

用于夾持工件，在銑頭左、右各有一個，安裝于拖板上，跟隨拖板一起縱向移動。伺服電動機經聯軸器將旋轉運動傳遞給一副有正、反螺紋的滾珠絲杠，使兩個卡爪反向運動，實現工件的夾緊、松開動作。

2 HJ092×80數控螺紋旋風銑床關鍵技術

2．1 絲杠（硬度為62 HRC）雙圓弧成形銑削刀具設計技術

（1）絲杠（硬度為62 HRC）雙圓弧成形銑削刀具材料優選與修磨

絲杠滾道齒形要求高，材料經熱處理后硬度為62 HRC，這就要求刀具型線精確，刀具材料具有硬度高、抗沖擊性強、耐磨損、耐高溫等特性，常用有CBN、金剛石和陶瓷刀具材料。

研究CBN刀具、金剛石刀具、陶瓷刀具等超硬材料在切削加工大型螺紋過程中，刀具在高溫、高壓摩擦力下以及力、熱沖擊作用下，微觀組織的變化機理與規律及材料成分擴散機理與規律的理化特性，選擇一種最佳刀具材料。

研究刀具切削角度、刀尖圓角半徑等，獲得最佳刀具幾何參數。

研究高精度雙圓弧成形加工刀具設計和多次修磨技術，降低刀具使用費。

（2）大型螺紋旋風硬銑削刀具刃口強化與精化

針對硬切削刀具特性與工件材料性能之間的關系，研究刀具角度和刃口圓弧半徑等對刃口精化的影響規律;研究激光沖擊微晶化對刀具強化的影響機理;研究涂層對于刃口強化的影響;研究刀具強化和精化在精密高效切削大型螺紋的耦合關系;研究刀具刃口強化和精化對刀具耐用度和加工表面完整性的影響，對刀具刃口進行強化與精化。

2．2 旋風硬銑削高精度、高剛度定位刀盤設計與制造技術

旋銑刀盤是影響高精度絲杠旋銑加工的重要因素之一。要求刀盤具有旋轉精度高、動靜剛度高、多刀具位置精度高等特點;刀盤制造精度須達到微米級，才能加工出高精度絲杠。

研究刀盤結構以及刀片定位方式，緊固方式對刀具系統靜態精度的影響以及動態切削過程中刀片空間位置精度的影響;研究高剛度整體結構定位刀盤對刀具摩擦、磨損機理與規律的影響;研究高精度刀盤的制造工藝。

2．3 高速切削刀盤回轉軸系結構優化設計與抑振技術

高速切削刀盤回轉軸系的徑向跳動和軸向竄動、振動直接影響到絲杠齒形和螺距精度，采用計算機三維動態仿真技術和有限元分析方法對軸系進行軸承配置優化設計，研究回轉精度對切削振動的影響，選用高剛性、高精度軸承;進行傳動形式優化設計，研究電動機轉動對切削振動的影響;優化刀盤結構，研究刀盤剛性、刀具安裝方式對切削振動的影響。

2．4 外圓定位自適應夾持系統及控制技術

外圓定位自適應夾持系統是機床的關鍵部件之一，影響到尺寸精度、螺距精度、中徑的一致性、螺紋滾道粗糙度、刀具使用壽命等。在結構上改變了傳統中心孔定位方式，用工件外圓作為加工定位面，解決工件加工和使用基準一致性問題。通過對該系統的研究，設計制造出具有自主知識產權的高精度、高可靠性的外圓定位自適應夾持系統。

研究自適應夾持系統工作原理及實現方法;動態定位夾持與多點自適應夾持系統交聯關系;自適應夾持系統自動讓刀控制策略;自適應夾持系統高精度重復定位結構體系。

2．5 高速旋風硬銑削控制及軟件開發

控制及軟件開發技術包括:①硬銑削自動循環控制軟件;②自適應夾持系統夾緊力控制方法;③工件多點支撐控制方法;④建立硬旋銑加工工藝參數數據庫;⑤熱伸長提前預報補償方法;⑥長絲杠接刀旋銑精度控制方法;⑦刀具磨損補償方法。

3 結語

針對大型滾珠絲杠副高效螺紋銑削加工需求，研制開發大型高效數控旋風銑床。打破了國外技術壟斷和封鎖，解決了國內大型、精密、高效、數控螺紋加工設備設計理論與工藝基礎問題、關鍵部件設計與制造技術問題、硬銑削加工精度控制與動態補償技術問題;掌握了具有自主知識產權的高效螺紋硬銑削加工機床制造技術。該產品在加工精度和加工效率方面達到國外同類產品先進水平，替代進口并投入生產應用，實現了大型、高速、重載、精密滾珠絲杠國產化加工。