外旋銑對滾珠絲杠副質量的改善

■ 陜西漢江機床有限公司 （漢中 723003） 王 蕾 黃 輝 趙 娜

滾珠絲杠副屬于細長軸類零件，在加工過程中決定產品質量的主要因素有跳動、錐度、圓弧和硬度等。綠色環保的外旋銑與傳統的砂輪磨削相比具有得天獨厚的優勢。

傳統的螺紋磨削一直采用砂輪磨削滾道，磨削加工是通過成形砂輪來磨削螺紋滾道的。滾道是絲杠的重要部分，包含多項參數：螺距、齒形、跳動和硬度。這些關鍵參數直接影響裝配后的手感、力矩和使用壽命。砂輪的截面形狀相當于被磨螺紋截面齒間形狀，經過螺紋磨床來實現各種螺距的螺旋線磨削，最終磨出合格的高精度的螺紋零件（見圖1）。

采用外旋銑加工與傳統的砂輪磨削加工相比較，主要區別在于，外旋銑是刀盤的旋轉軸線相對于工件的軸線傾斜一個螺旋升角β，加工時，工件以低速旋轉，刀盤與工件同向高速旋轉，工件每轉360°刀盤縱向進給一個螺距導程，從而旋銑出螺紋。工件和刀具的相對位置關系如圖2所示。

使用先進的外旋銑加工方法，相對于傳統的磨削加工，對滾珠絲杠的螺距、齒形、跳動和硬度等關鍵參數有較大改善，對提升產品質量起到了極大地推動作用。主要體現在以下幾個方面。

1.絲杠跳動方面的改善

滾珠絲杠的滾道粗加工及半精加工多年來一直采用砂輪磨削方式，根據砂輪磨削的機理，結合現場長期總結，發現傳統磨削加工對滾珠絲杠跳動具有以下幾點影響：

圖1 磨削螺紋加工

圖2 外旋銑加工

（1）磨削時需先用金剛石修磨砂輪外形，并通過試磨與圓弧標準樣板比較，圓弧對比合格才能開始后續磨削，因此導致磨削準備周期長、環節繁瑣、人力成本高且加工速度慢，磨削效率低，磨削接觸時間長，使產品跳動差。

（2）砂輪由磨料、結合劑壓坯燒制而成，在高溫高壓作用下，磨粒發生塑性流動導致砂輪磨損快，圓弧穩定性差，需要多次反復修整砂輪，導致所磨滾道跳動不穩定。

（3）機械摩擦力使磨屑進入砂輪空隙中，砂輪表面的空隙被堵塞，導致砂輪變鈍，振動大，磨削力降低，滾道跳動不穩定，滾道表面粗糙。

（4）砂輪磨粒粘合性強、硬度高，且自銳性差，工件表面摩擦擠壓應力大，工件表面產生的高溫不容易釋放，導致絲杠滾道高溫高熱、產生彎曲變形，影響滾道跳動。

（5）砂輪的擠壓磨削使絲杠表面的作用力大，絲杠彎曲變形，磨削中需要多次反復校直，影響滾道跳動。

外旋銑采用合金鋼刀具，硬度高，刀刃鋒利。多片刀刃組成旋轉刀盤高速繞工件旋轉，而工件本身慢速旋轉，形成較好的相對運動切削效應。其特點主要有：①采用成形圓弧刀具一次性切削成形，切削速度快，比磨削高5～10倍，極大提高了產品加工效率。②切削過程接觸面小，接觸時間短暫，非連續性接觸加工，所以作用在絲杠表面的切削應力小，切削溫度低，絲杠受熱、受力變形很小。

2.絲杠滾道精度方面的改善

磨削滾道有粗加工及半精磨加工兩道工序，傳統磨削加工，第一道先要粗開90°槽，相當于“V”字形加工，刀具刀尖集中，進刀量大，加工過程中易產生刀具崩裂破損，磨削力大導致絲杠受力釋放不均勻，易產生彎曲變形。半精磨圓弧加工，需對滾道進行二次對刀，并多次修磨砂輪、比對圓弧，導致絲杠滾道圓弧一致性差、跳動穩定性差，人力資源利用率低，生產周期拖長。

外旋銑采用成形刀具，通過斷續切削，將原有兩道工序，進行整合，一次加工成形，減少了多道工序多次對刀產生的誤差。外旋銑的絲杠彎曲變形小，彎曲趨勢一致性好，導程精度曲線變化均勻，滾道的各項幾何公差好，為最終的滾道精磨奠定了良好的基礎，間接提高產品的精度質量。

3.絲杠滾道硬度的改善

傳統磨削砂輪和工件表面進行的是擠壓磨削，特別在進刀量大，砂輪不鋒利的情況下，產生的摩擦力大，應力集中不易釋放，使螺紋表面產生瞬時性和局部性的磨削熱量，最高溫度可以達到1 000℃以上，容易使螺紋表面產生回火、退火和二次硬化，燒傷滾道。

現場質量監督檢查，常常看到磨削時煙霧騰騰，火花飛濺，砂輪“尖叫”，絲杠滾道表面發黃，磨削燒傷明顯。螺紋牙面被燒傷后，絲杠的硬度降低，耐磨性差，磨損快。外旋銑是安裝在刀盤上的多把成形刀借助刀盤的旋轉中心和工件的偏心量，完成切削加工，具有切削力大、切削溫度低、熱應力小等特點。并且刀盤的高速旋轉將切屑飛速帶走，工件表面溫度低，不容易燒傷退火，保證絲杠的硬度。

4.綠色環保

砂輪磨削使用的是潤滑油冷卻，絲杠在磨削中產生高溫高熱，冷卻油澆注在滾道表面，與高溫高熱瞬間形成油煙油霧，飄散在空氣中，環境污染大，對人體健康傷害大。

外旋銑最大的亮點是綠色環保，高速旋轉的刀盤把停留在工件表面的切屑飛速帶走，使熱量來不及傳給工件，工件表面溫度低，同時使用空壓冷卻，無油霧，無污染。改變了工作環境，有利于身心健康。

5.磨削與旋銑對比試驗

結合車間生產安排，通過相同規格產品（GQ40×10×1368×1890），分別采用傳統磨削加工和外旋銑加工進行跟蹤對比試驗驗證，試驗數據（見附表）及結論如下。由對比試驗數據可得，旋銑加工所得工件跳動最大最小值相差0.004mm，跳動均值為0.034mm，但是磨削加工后的工件加工跳動最大最小值相差0.01mm，跳動均值為0.051mm。因此跳動方面旋銑后工件跳動穩定且跳動較小。中徑尺寸及硬度方面通過計算分析均可發現，旋銑后工件的數據更加穩定，而且與理論數據值更為接近。綜合各項數據可驗證，絲杠通過外旋銑加工與通過傳統磨削相比，在跳動、中徑誤差值和硬度等質量指標方面改善較為明顯，對絲杠的品質有很大提升。

6.結語

經過多年研究和探索，我廠雖然在外旋銑技術方面取得了一定的進展，生產現場盡量推廣外旋銑加工，但和國內外同行近10年的旋風銑實踐經驗相比，我們在外旋銑刀具技術、參數優化等方面還有很多需要改進的地方。

對比試驗數據表

因此，推動滾動功能部件國產化、高精高效化，促進產品質量進一步穩步提升，我們任重而道遠！