滾珠絲杠副螺帽回珠槽仿型銑具設計

岳林峰， 郭輝， 田輝， 許鋒國

（中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中723000）

0 引言

滾珠絲杠副裝置是將旋轉運動轉變為直線運動或將直線運動轉變為旋轉運動，是傳統滑動絲杠的進一步延伸和發展。滾珠絲杠副主要由螺母、絲杠、滾珠和反相器組成。絲杠和螺母之間以滾珠作為滾動介質。當滾珠絲杠副裝置中的絲杠旋轉時，內裝滾珠一邊沿絲杠螺旋滾道繞絲杠公轉，一邊還繞自身軸線自轉。為防止運動過程中滾珠從滾道內滾出，一般都在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置或在螺母基體設置回珠螺旋槽，通過反相機構（如反相器和擋珠器）使內外螺旋滾道形成閉合回路，保證滾珠可在螺旋滾道與螺旋回珠槽順暢循環。

1 傳統螺旋回珠槽掛輪加工

圖1 螺帽二維圖

螺帽作為飛機襟翼收放機構的關鍵核心件，其回珠循環方式屬外循環中的典型螺旋槽式循環方式，通過在螺母基體外圓加工出螺旋回珠槽，使回珠槽兩端4個空間孔與內螺紋滾道平滑相切過渡。螺帽回珠槽寬為6.8H11 mm、深為7H11 mm螺旋槽，其表面粗糙度Ra1.6 μm，與兩側φ6.8H11 mm空間孔圓滑切入螺帽螺旋滾道中（圖1）。傳統回珠槽的加工方法主要是掛輪加工法。

1.1 掛輪加工

掛輪加工主要利用銑床附件，在齒輪箱上通過掛輪和介輪調節傳動比，來實現螺旋線銑削功能。掛輪加工方法又分為主軸掛輪法和側軸掛輪法。

螺帽螺旋回珠槽主要采用側軸掛輪法，原理是用一個分度頭（如FW250型分度頭）將側軸與機床工作臺進給絲杠通過一組交換齒輪連接。當手動旋轉工作臺上的分度頭手柄時，傳動鏈使縱向工作臺產生直線移動，其傳動原理與圖2左圖相同。銑削工件時，動力源是通過一組交換齒輪由機床工作臺進給絲杠傳給分度頭，由分度頭帶動工件旋轉實現螺旋槽加工。因此，掛輪比i的計算公式為

式中：z2、z4為主動齒輪的齒數；z1、z3為從動齒輪的齒數；40為分度頭定數；p為縱向工作臺進給絲杠螺距，mm；L為工件螺旋槽導程，mm。

螺帽采用工作臺進給絲杠螺距p=6 mm普銑進行加工時，工件螺旋槽導程為186.49 mm（計算過程見第2節），則z2z4/（z1z3）=40×6÷186.49，則齒輪齒數可選擇：z1=80,z4=60,z2=z3=C（C為常數）。掛輪加工常受掛輪和介輪齒數影響，傳動比多為近似值，精確控制工件螺旋槽導程困難，加工效率低下。

1.2 仿型加工

圖2 掛輪加工原理及掛輪在普銑中的應用

仿型加工銑削是按照靠模進行加工，通常使銑刀沿著與工件形狀完全相同或相似的靠模外形輪廓線作進給運動而獲得的正確外形的加工方法。靠模與工件尺寸比不小于1，當靠模尺寸大于工件尺寸時，加工的零部件外形精度較高，反之亦然，一般取為1：1。螺帽仿型銑具與工件具有相同的螺旋角和旋升高度。

回珠槽仿型加工，主要利用螺旋升角與螺距關系，即

式中：θ為螺旋升角，（°）；P為導程，mm；D為直徑，mm；H為旋升高度，mm；l為旋升高度H的弧長。

2 手搖式仿型銑具設計及虛擬樣機仿真

螺帽基體回珠槽為螺旋結構，兩端呈一定斜角切入內螺旋槽，為確定回珠槽距或螺旋線長度，可以有2種方式：1）回珠槽進出孔位點確定，可以通過幾何投影確定旋升高度，算出弧長；2）直接借助CAD/CAM軟件確定孔位點，利用軟件投影或纏繞工具直接作出回珠槽軸線，其余尺寸還可以借助測量工具直接獲得。圖1中工件外圓直徑為φ64 mm，軸向H值為16.3 mm,可計算得弧長l為17.565 mm,則P=πDH/l=186.49 mm，θ=tan-1（H/l）=42.85°。

為提高普銑加工效率，依據仿型原理，可設計一款用于普銑加工回珠槽的手搖式仿型銑具。仿型銑具螺旋槽螺旋升角與螺帽回珠槽螺旋升角相同，同為42.85°，由于仿型銑具螺旋槽外圓直徑為φ50 mm，軸向移動H值仍然為16.3 mm，則由螺旋升角公式可推導出P=145.64 mm。

2.1 仿型銑具

圖3 手搖式仿型銑具結構圖

仿型銑具主要功能部件如圖3所示。在普銑加工螺旋槽前，可提前安排鉗工工序加工出圖1中4個空間φ6.8H11 mm孔的初始孔，將銑具撥銷搖轉至圖3最右端（撥銷與基座彈簧銷軸的彈簧此時彈性變形最小），調節機床刀具位置于工件最右側φ6.8H11 mm孔中心，將φ6.8 mm圓柱銑刀沿Z軸下降一個數值（設計值），隨后緩慢而勻速地順時針轉動仿型銑具手柄，此時與手柄螺紋連接的撥銷心軸帶著工件螺旋轉動，同時工件在軸向方向被插在撥銷心軸的定位銷推動，在基座中由一端螺旋轉動至另一端。整個運動過程中，手柄帶動工件轉過42.85°，軸向移動16.3 mm，撥銷與基座彈簧銷軸的彈簧處于最大變形值，此時抬起刀具至一安全高度，一條回珠螺旋槽銑削成型，整個過程φ6.8 mm圓柱銑刀僅沿機床軸做往復運動。另一條回珠螺旋槽加工流程與之完全相同。

仿型銑具傳動鏈為：搖動手柄→螺紋連接→撥銷心軸螺旋轉動→零件→回珠螺旋槽。

圖4 仿型銑具虛擬樣機及實物圖

圖5 機械裝置結構樹和約束加載設置

2.2 虛擬樣機運動仿真

仿形銑具虛擬樣機及實物圖如圖4所示。樣機運動仿真借助CATIA軟件DMU運動學模擬器模塊進行，流程主要是：創建約束→加載動力源→瀏覽機制→模擬→分析結果。

加載運動副：在“DMU運動機構”模式下，對手柄、芯軸、止動銷、螺帽依次進行“剛性”接觸，對于仿型銑具螺旋槽部分進行“固定”，對芯軸、仿型銑具螺旋槽部分施加驅動命令“螺釘”接合，如圖5（a）所示。

設置驅動方式：在“螺釘”接合菜單中點選“驅動角度”→“螺距”項設置值為“-145.64”。完成驅動命令設置，可在結構樹中看到：“機械裝置”-“自由度=0”，說明機構約束條件與驅動均已設置完成，可進行機構運動仿真（如圖5（b））。

在仿型銑具三維虛擬樣機中添加相應的運動副約束及動力源，提取工件數模一斜孔中心點的s（角度）-t（時間）運動軌跡圖，螺帽回珠槽螺轉角與理論螺旋槽轉角值一致，機構運動仿真過程中，活動工件未出現干涉或越位現象，該虛擬樣機功能特性可滿足螺帽回珠槽加工需求。

3 結 語

仿形加工方法與掛輪加工法作為普銑螺旋槽類工件銑削的主要手段，加工的產品質量相對穩定，但對于滾珠絲杠副外循環方式，通過螺母外圓銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道的循環方式，后期基本上均需安排一道精加工工序，通過手工打磨保證內、外滾道槽與連接孔圓滑過渡。仿形銑具加工相對于掛輪加工而言，操作簡單，加工的工件螺旋槽尺寸形位公差好。因此，仿型銑具可作為普銑加工滾珠絲杠副回珠螺旋槽的首選輔助裝備。當然，為了進一步優化加工質量，提高生產效率，也可借助多軸數控機床，在一次裝夾情況下，加工空間斜孔、回珠螺旋槽及相互銜接處，更好地保障尺寸一致性和產品質量。