硬銑滾珠絲杠螺紋滾道工藝研究
2018-09-02 張廣明 呂袆 劉丹
（大連高金數(shù)控集團(tuán)有限公司，遼寧 116620）
以車代磨、以銑代磨已成為當(dāng)前機(jī)械加工工藝的主要研究對象。滾珠絲杠是一種典型的以磨削工藝為主的零件，研究其以車代磨、以銑代磨對于整個(gè)滾珠絲杠行業(yè)來說具有重要的意義。
硬銑螺紋技術(shù)在歐洲已被研究多年，并于20世紀(jì)80年代推出了數(shù)控旋風(fēng)銑床，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于滾珠絲杠螺紋加工，磨削工藝已基本廢棄。在國內(nèi)，雖然滾珠絲杠硬銑技術(shù)應(yīng)用已有10多年的歷史，但是滾珠絲杠螺紋加工還是以磨削為主。硬銑技術(shù)在被加工零件材料、銑削刀具和切削參數(shù)等方面還存在一些問題，成為阻礙硬銑技術(shù)在滾珠絲杠領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。
一、硬銑加工工藝與傳統(tǒng)磨削工藝對比
硬銑滾珠絲杠螺紋滾道加工工藝工序少，可比傳統(tǒng)磨削工藝少3～5道工序。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)磨削工藝中，螺紋磨削時(shí)間占整個(gè)工藝流程的2/3。螺紋磨削工序有粗磨螺紋、螺紋底溝磨削和精磨螺紋等，這些工序均在滾珠絲杠淬火至硬度達(dá)58～62HRC后用螺紋磨床磨削。
基于螺紋磨削切削用量的限制，并且在磨削過程中要不斷地修整砂輪和校直絲杠，工時(shí)較長。硬銑螺紋工藝是將螺紋滾道一次成形銑削，不僅減少了工序，而且不必反復(fù)修整刀具和校直，在一定程度上降低了螺紋加工所占時(shí)間份額，從而大大縮短了滾珠絲杠加工周期，提高了加工效率。
硬銑工藝可避免磨削工藝進(jìn)給量過大而帶來的滾道退火問題。在磨削工藝?yán)?，粗磨螺紋過程中，由于進(jìn)給量較大，經(jīng)常會出現(xiàn)由于切削溫度高而使螺紋滾道退火，從而降低表面硬度，導(dǎo)致滾珠絲杠副在應(yīng)用過程中預(yù)緊力喪失、精度保持性降低及可靠性差。硬銑工藝中，每次進(jìn)刀切削量較小，銑削速度高，不會出現(xiàn)退火現(xiàn)象。
傳統(tǒng)磨削工藝油煙多、粉塵大，對環(huán)境污染嚴(yán)重，給機(jī)床操作者的身體健康帶來影響；而硬銑屬于綠色加工技術(shù)，以銑代磨，將金屬粉末變成帶狀切屑，使砂輪損耗變?yōu)榈毒邠p耗，以風(fēng)冷取代油冷，既節(jié)約了能源，又綠色環(huán)保。
二、旋風(fēng)銑銑削滾珠絲杠螺紋原理
旋風(fēng)銑銑削滾珠絲杠螺紋滾道為包絡(luò)法銑削，通過安裝在銑刀盤上的多把成形CBN刀具的高速旋轉(zhuǎn)，逐層去除工件待加工部位材料，使?jié)L珠螺紋滾道成形。銑削方式為順銑，斷續(xù)切削。
旋風(fēng)銑銑削螺紋過程是機(jī)床通過多軸連續(xù)運(yùn)動形成空間螺紋曲面的過程，具體為：
步，銑刀盤C1轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角為將要加工零件的螺旋角；
第二步，X軸進(jìn)給，銑刀盤C1轉(zhuǎn)動，C軸不動、Z軸不動，X軸進(jìn)給銑削到設(shè)定切削深度后，X軸停止進(jìn)給，切屑為“C”形（見圖1）；
第三步，C軸轉(zhuǎn)動、Z軸移動，C軸、Z軸聯(lián)動，進(jìn)行螺紋滾道切削運(yùn)動，切屑形狀為不規(guī)則的“，”。在執(zhí)行第二步時(shí)，要設(shè)定足夠的切削深度留量，防止刀具的損壞。
三、硬銑刀具分析
刀具是硬銑工藝關(guān)鍵要素之一，對銑刀的理解和研究十分重要，下面是對旋風(fēng)銑削刀具的一些探索。
銑刀由刀體和刀片組成，如圖2所示。目前，國內(nèi)外廣泛選用CBN或PCBN為銑刀刀片材質(zhì)，或者以CBN為基體，進(jìn)行涂層處理等，刀體為優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金，在這里不做贅述。
CBN刀片通過焊接的方式安裝在刀體上，是銑削加工的主體部分，其結(jié)構(gòu)決定了銑削螺紋質(zhì)量和刀片壽命。
首先研究一下刀片厚度，經(jīng)過實(shí)際加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果刀片的厚度a過薄，則銑刀穩(wěn)定性較差，極容易損壞，經(jīng)常會出現(xiàn)打刀現(xiàn)象；在刀片厚度a＞2mm的情況下，可以避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。
其次，刀片的長度在較短的情況下，因其與刀體結(jié)合面較小，所以刀片強(qiáng)度較低，刀具穩(wěn)定性不夠好，在強(qiáng)力重切過程中容易蹦刃；刀片的倒棱是刀片切削的主體部分，倒棱過小，則刀具比較鋒利，容易蹦刃、振動；倒棱過大，則加工零件表面產(chǎn)生振紋較重。試驗(yàn)證明，刀片的倒棱傾角α在13°～17°、倒棱大小在0.12～0.18mm時(shí)，切削效果較好。
關(guān)于銑刀一致性的研究。通常旋風(fēng)銑刀盤需要安裝3～6把刀片，刀片齒形的一致性非常關(guān)鍵。
硬銑加工屬于成形加工，從微觀角度分析，滾珠絲杠螺紋滾道是由若干銑刀銑削的截面連續(xù)鏈接組成的曲面，其法向截面齒形與銑刀的齒形一致，當(dāng)安裝在銑刀盤上的幾把銑刀齒形出現(xiàn)不一致的情況，如齒形的偏差、倒棱大小的差異等，勢必導(dǎo)致相鄰銑削截面的差異，造成絲杠滾道周期性波動，工件的精度及表面粗糙度必然受其影響。在生產(chǎn)和重磨旋風(fēng)銑刀片過程中，要保證刀具的尺寸及齒形偏差方向的一致性。銑刀的安裝如圖3所示。
四、切削參數(shù)的研究
旋風(fēng)銑銑削螺紋滾道運(yùn)動是一個(gè)復(fù)雜的空間形成過程，切削參數(shù)的選擇直接決定了加工曲面的表面粗糙度、尺寸精度以及振動、刀具的易損程度等。被加工件的工藝參數(shù)有：絲杠節(jié)圓直徑d0、絲杠外徑d、絲杠螺紋底徑d1和螺距Ph。銑刀盤的參數(shù)有：銑刀切削直徑D、銑刀數(shù)量。旋銑盤銑刀直徑的最小值取決于螺旋角。旋銑盤銑刀直徑大，則偏心距大，切屑較長。
首先，對旋風(fēng)銑切削滾珠絲杠的切削深度ap、X軸進(jìn)給量、Z軸進(jìn)給量和切削速度進(jìn)行研究。由于旋風(fēng)銑加工滾珠絲杠螺紋滾道屬于通過式一次成形加工，其切削深度為
ap＝（d－d1）/2
根據(jù)切削原理，X軸進(jìn)給在切削過程的第二步執(zhí)行，在螺紋起始點(diǎn)形成深度為（ap＋0.1）mm的螺紋溝槽，從試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得每齒進(jìn)給量fz=0.007～0.009mm/z比較合適；Z軸進(jìn)給是在切削過程的第三步執(zhí)行。
其次，旋風(fēng)銑加工滾珠絲杠滾道涉及一個(gè)很重要的參數(shù)即偏心距。偏心距的大小對切削加工質(zhì)量有較大的影響。在一個(gè)切削加工過程中，偏心距分為可變階段和恒定階段，可變階段發(fā)生在切削過程的第二步，機(jī)床X軸逐漸進(jìn)給，隨著切削深度的不斷增加，切削區(qū)域不斷增大，偏心距也不斷增大，直到X軸進(jìn)給結(jié)束，刀具達(dá)到預(yù)定的切削深度，偏心距進(jìn)入保持恒定階段。
圖4所示是不同偏心距旋銑頭切削工件的示意圖，不難看出，銑刀1旋銑頭直徑大于銑刀2旋銑頭直徑，偏心距e1＞e2，銑刀1去除材料區(qū)域明顯大于銑刀2去除材料區(qū)域（銑刀1去除材料區(qū)域包括銑刀2去除材料區(qū)域），銑刀1去除材料的長度小于銑刀2去除材料長度，銑刀1去除材料的厚度小于銑刀2去除材料厚度。
另外，通過圖示分析銑刀切削結(jié)束后，銑刀終止點(diǎn)到上一把銑刀終點(diǎn)的距離，因銑刀2切削直徑小，其切削范圍長，終點(diǎn)到上一刀終點(diǎn)的距離必然比銑刀1的近。分析上述結(jié)果，偏心距大的旋銑頭由于切削長度短、切削范圍小以及切削厚度薄，其切削力必然較小，所以變形小，切削時(shí)間短，振動小。
但是銑刀終止點(diǎn)位置截面到上一把銑刀終點(diǎn)的距離大，整個(gè)切削過程中，最關(guān)鍵的點(diǎn)即加工終點(diǎn)位置的截面與前一把刀終點(diǎn)位置截面相連接，無數(shù)個(gè)終點(diǎn)截面相連接，形成連續(xù)曲面，截面之間距離影響曲面的質(zhì)量，偏心距小的旋銑頭終點(diǎn)截面距上一刀終點(diǎn)截面較近，所以其曲面質(zhì)量較好。綜上所述，在不影響最終曲面質(zhì)量的情況下，適當(dāng)增加偏心距，對切削效率和銑刀壽命的提高均有好處。
五、用于硬銑加工工件材料的研究
滾珠絲杠副作為各種機(jī)械的傳動、定位部件，為了保證其工作的可靠性、壽命和承載能力，滾珠螺紋滾道必須具有一定的硬度，一般為58～62HRC，硬化層深度為滾道以下0.8mm以上。軸承鋼是一種淬硬性材料，是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的滾珠絲杠原材料。下面分析一下零件材料對硬銑工藝的影響。
滾珠絲杠的螺紋滾道表面粗糙度一般都要求Rz＜0.4μm。旋風(fēng)銑加工滾珠絲杠螺旋槽是一種高速硬銑運(yùn)動，在被加工零件表面粗糙度要求達(dá)到Rz＜0.4μm以及圓度、錐度要求較高的情況下，需使銑刀平穩(wěn)地運(yùn)行，平穩(wěn)運(yùn)行的首要條件是工件表面具有足夠深的硬度層作為基礎(chǔ)。
CBN成形銑刀一層一層地逐步將滾道銑削成形，去除的材料為兩邊薄、中間厚的切屑，銑刀兩側(cè)圓弧保持受力均勻、發(fā)熱均勻，要求工件在同一圓周內(nèi)硬度一致性好，不允許軟帶的出現(xiàn)；要求工件材質(zhì)成分均勻、雜質(zhì)少，以保證切削性能較好；加工前工件的硬化層深度為滾道溝底以下的有效硬化層＞1mm，硬度60～62HRC，并且確保有效硬化層范圍內(nèi)的硬度均勻。
經(jīng)過實(shí)踐，在同等熱處理?xiàng)l件下，成分均勻、雜質(zhì)少且純凈度高的材料，淬火硬度更均勻，淬硬層等厚程度高，在高速銑削過程中，聲音清脆悅耳；銑削后，絲杠彎曲變形小，彎曲趨勢一致性好，導(dǎo)程精度曲線變化均勻。相反情況下，絲杠淬火硬度均勻性差，銑削聲音刺耳，彎曲及精度曲線變化雜亂、無規(guī)律。
來源：《金屬加工（冷加工）》2017年5期
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