宋現春 孫 悅 莊利軍 莊 然 郭英杰

（山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101）

大型滾珠絲杠多數為長度超過600 mm,直徑超過100 mm的細長桿件，屬于剛性較差的軸類零件。滾珠絲杠中舉足輕重的元素是“螺紋”，能夠實現旋轉運動與直線運動的互換，并且在實現產品的動力轉換功能、速度功能、同步性能及定位功能中同樣起著關鍵作用[1]。

國內傳統(tǒng)的螺紋加工工藝要采用高速或超高速磨削，采用一夾一頂的裝夾方式，在此過程中會造成燒傷與裂紋，引入裝夾與對刀誤差，不僅限制了加工精度的提高，還會在很大程度上降低加工效率，這樣不利于加工軸向尺寸長，整體剛度差的滾珠絲杠；另一方面在磨削加工中會產生磨粒金屬粉塵、油霧，且冷卻液難以凈化處理，加工成本高，對環(huán)境污染十分嚴重。由此可見，傳統(tǒng)的大型螺紋加工工藝方式難以適應市場需求。面對日益激烈的挑戰(zhàn)，及時優(yōu)化改善加工工藝，做好加工效率與生產成本的合理協(xié)調是促進國內滾動功能部件的發(fā)展，推動機械行業(yè)的進步的重中之重。

1 旋風硬銑削原理

旋風硬銑削技術是一種高效、綠色環(huán)保的螺紋加工技術[2]。旋風硬銑削技術原理如圖1所示，淬硬軸承鋼GCr15工件（硬度為62～65 HRC）利用刀盤上的多把（6或8）均勻對稱的高強度成型銑刀，借助于刀盤旋轉軸線與工件軸線存在的偏心距e依次參與切削，且兩軸線夾角為螺紋的螺旋角。旋風銑削加工時，刀盤與工件同向旋轉完成順銑；工件以1～10 r/min低速旋轉，而刀盤以每分鐘大于600 r/min的轉速旋轉，工件每旋轉一周，刀盤沿著工件軸線移動一個螺紋導程的距離，從而實現整個螺紋滾道的加工。在切削過程中，只有旋轉到靠近工件一側才能參與并完成其切削，這就為遠離工件的刀具足夠的散熱時間。且每次切削區(qū)域的空間位置不變，切削厚度與寬度都是切入的由小變大，再變?yōu)榍谐龅挠纱笞冃3]。這種技術與一般銑削相比，單位時間的金屬切削率更大程度地提高了，并且切削中產生的大部分熱量被薄而狹長“逗號”狀切屑帶走，同時還能夠得到可與磨削相當甚至超過磨削的加工表面質量[4-6]，外螺紋旋銑技術如圖2所示。

圖1 旋風硬銑削加工原理圖

圖2 外螺紋旋銑系統(tǒng)

2 旋風硬銑削特點

旋風銑機床是一種可以實現加工大型螺紋的高效能精密專用裝備，用來加工以淬硬鋼為代表的各種難加工的材料。旋風銑床前端有負責夾持工件的三爪卡盤，用來固定工件一側，位于左側的工件主軸箱、機床床身、刀架、尾架、隨動支撐及浮動支撐部分、在線測量等共同組成。它的技術附加價值很高，徑向移動的滑板位于床鞍上，滑板上的銑削頭用來加工螺旋升角，伺服電機控制銑削頭的工作。床鞍上的隨動支撐機構隨銑削頭移動而隨動支撐工件，整體結構如圖3所示。

圖3 旋風銑床結構示意圖

3 旋風硬銑削優(yōu)勢

（1）減少切削產生的熱量

在切削液冷卻中，旋風硬銑削無需使用切削液實現干切削（壓縮空氣制冷）。加工區(qū)域中火花四濺，產生的切削熱傳入切屑，由于自身細長且薄的特點將熱量迅速排出。

（2）提高加工精度與表面質量

在刀具使用中，旋風硬銑削常用于切削加工的刀具材料為PCBN材料，使用性能良好；在加工過程中，高速銑床憑借自身高剛度與精度，進行漸進式的切向斷續(xù)切削方式，切削深度小。

（3）提高切削速度，提高生產率，降低加工成本

硬旋銑技術與傳統(tǒng)切削相比有著“質的飛躍”。與磨削加工相比，加工效率是其3～5倍；與傳統(tǒng)切削相比，刀具使用壽命提高了70%。

（4）代替某些制造工藝

硬度60～65 HRC的零件可以通過高速切削來完成，并且能夠實現電火花加工、磨削加工這種高強度與高硬度加工。

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4 旋風銑技術的研究現狀與發(fā)展

4.1 旋風硬銑削技術的研究現狀

國內很多專家學者對旋風銑技術展開了深入的研究與思考，主要體現在旋風銑機床與硬切削刀具的研究使用中。黃祖堯[7]從螺紋旋風硬銑削的工作原理出發(fā)，通過旋風硬銑削能夠加工出的工件精度更高，表面質量更好，并將旋風硬銑削技術直接應用在淬硬工件的實例。高乃坤等[8]在旋風硬銑削技術特點出發(fā)，指出這一先進制造技術可以降低切削力，切削溫度小，熱應力小，工作平穩(wěn)，振動小生產效率高等主要特點；并對旋銑加工工藝進行了全面探索與研究，對經過旋風硬銑削加工后的滾珠絲杠進行了質量檢測，穩(wěn)定性高于磨削加工，但是在高精度方面與磨削加工還有差距。湖南工程學院的譚立新[9-12]開展了影響加工質量的各種因素進行了理論分析，并且經過實驗驗證得出結論：考慮到彎曲變形，切削速度的提高會造成工件彎曲變形，對小徑工件影響較為明顯，而大徑工件的變形有所減小，實驗驗證與理論分析基本相符。曹勇等[13]等人對影響螺紋表面粗糙度的加工工藝參數進行了研究分析與數據預測。

在硬切削刀具的研究方面，哈爾濱理工大學的劉獻禮教授[14]主要介紹了PCBN復合片刀具在切削淬硬鋼，鑄鐵等材料時的切削性能以及刀具在不同切削情況下表現出的特殊規(guī)律，將這些特殊規(guī)律充分應用于切削加工中，創(chuàng)造其應有的技術價值與經濟價值。南京化工職業(yè)技術學院的朱紅雨[15]等人通過對硬態(tài)旋風銑削加工PCBN刀具主要失效形式的研究，提出了PCBN刀片設計是旋風硬銑削降低刀具成本的可行性方法。哈爾濱理工大學的嚴復鋼[16]等人進行了PCBN刀具切削淬硬CGr15軸承鋼的實驗，并總結了金屬軟化效應產生的條件以及金屬軟化效應是否會對已加工表面產生影響。

4.2 旋風硬銑削技術的發(fā)展

旋風銑削在我國國內很多機械制造公司都有所應用，最主要的使用在一般鋼材各種螺紋軟銑的旋風銑頭，這種技術突破推廣于20世紀60～70年代。在此之后，旋風銑床逐漸在大連機床廠、北京機床研究所、山東博特和南京工藝等投入使用，利用旋風銑床完成精密滾珠絲杠的高效粗加工。哈爾濱汽輪機廠將內旋銑加工方法應用在汽輪機高中壓缸英制螺紋接配與重型機械中，旋風硬銑削技術與高效綠色制造技術上相結合不僅可以進行60 HRC以上的滾珠絲杠與滾珠螺母的硬銑削，達到更高加工表面質量，可以完成大導程滾珠絲杠副與精密滾珠絲杠副的批量生產，適用于大直徑內螺紋加工上[17]，還可以實現由軟銑到硬銑的巨大突破，具有深刻的研究意義與開闊的應用前景。

我國有關旋風銑削的工藝參數還在“低精度”“軟銑”范圍，并且旋風銑床主要依賴國外引進，南京工藝在2004年首次引進了德國公司的PW160型CNC旋風硬銑機床，在2009年又引進同公司的PW300HP型1 000 mm CNC旋風硬銑機床，可以精銑出整體800 mm以上的大型滾珠絲杠副[18]，如圖4所示。我國漢江機床廠自主研發(fā)的HJO92型旋風銑床，單次銑長度最大可達800 mm[19]，如圖5所示。

圖4 PW300HP旋風硬銑機床

圖5 漢江機床廠自主研發(fā)的8 m旋風機床

相應時期旋風銑削技術已經在很多西方發(fā)達國家推廣使用。CNC旋風銑機床與高剛度精密定位刀盤首次在我國舉辦的Metalstes’西德金屬加工展覽會被展出，并且在此之后德國企業(yè)向中國機床滾動功能部件企業(yè)介紹了旋風銑削技術。在展出的高精度精密定位刀盤基礎上改進后的刀盤結構如圖6所示。

圖6 高剛度精密定位旋風銑刀盤

5 旋風銑技術的主要應用

隨著旋風銑技術的進步與發(fā)展，它的研究成果或者技術應用也越來越廣泛。張廣明等[20]在滾珠絲杠滾道硬車加工技術研究中，針對滾珠絲杠螺紋滾道的特點，研究CBN刀具技術結合切削實驗，實現了螺紋滾道加工以車代磨。劉順華[21]在旋風銑削在螺旋件中的應用研究中介紹CNC旋風銑削工藝的應用，并提出了旋風銑削是加工制造螺紋及螺旋線的優(yōu)選方法。溫隆生等[22]在文章旋風銑削螺紋在蝸桿加工中的應用提出旋風銑削對蝸桿加工具有借鑒意義。

漢江機床有限公司的鄧順賢[23]分析了應用于大型滾珠絲杠的旋風銑床的設計思路與結構特點，并針對這種機床的規(guī)格參數與研制進行了深入研究。韓長生[24]在論文中介紹了一種能夠在同一機床加工多種規(guī)格氣瓶錐螺紋的車削加工設備，可有效解決不同規(guī)格氣瓶不便于在同一機床加工的問題。南京彩云機械電子制造有限公司與高校合作研制成功“CYHM-10-500五軸四聯動環(huán)面蝸桿旋風銑床”并通過專家鑒定[25]。

旋風銑床中執(zhí)行單元是旋風銑頭，它是影響機床加工精度與效率的直接因素，高速精密加工中需要高運轉精度的電主軸與刀盤配合來完成高速切削。然而電主軸的結構設計不僅要有嚴格的制造工藝，還需要考慮很多技術難題：內置電動機散熱、高速主軸的動平衡、主軸支撐方式。我國對電主軸的研究開展于20世紀70年代，高速電主軸的結構形式與性能指標設計多種多樣，但都會帶來很多技術問題。考慮到生產率與加工精度兩方面，現在的電主軸大多是以內置主軸電機的形成集成，這種結構設計是唯一的最佳選擇。

6 旋風銑技術的材料選用

6.1 刀具材料

為了適應市場上日趨激烈的產品競爭環(huán)境，超硬刀具材料聚晶立方氮化硼PCBN逐漸被挖掘出來，將PCBN刀具應用于硬態(tài)切削中可以改善傳統(tǒng)加工工藝：淬硬-磨削的制造工藝，可以對硬度大于50 HRC的淬硬鋼進行直接切削，實現工件尺寸精度小于13 μm，表面粗糙度達到Ra=0.3 μm與Ra=6～16 μm的突破，這種以車代磨工藝不僅提高工件生產率具有巨大潛能，降低能量損耗提高工件的疲勞強度，成本低廉，而且還屬于綠色制造技術，清潔生產工藝，保護環(huán)境。

6.2 刀具特點

高性能的刀片材料和精密的刀具、刀盤制造技術為旋風硬銑削技術提供了主要的技術支持和保障，綜合考慮機床性能，加工要求，經濟性多方面因素，適合用于螺紋旋風硬銑削最合理的刀具材料為PCBN刀具。

（1）高硬度與高耐磨性

CBN材料與金剛石材料有著相似的晶體結構與晶格常數，且有著相同化學鍵類型，從而二者的硬度與強度也極為相似。對耐磨材料切削時PCBN刀具的耐磨性是硬質合金的50倍。大連理工大學的張凌飛等人進行了對比實驗，試驗得出在高速重載條件下，PCBN刀具在硬態(tài)切削的耐磨特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)磨削，且加工工件的磨損量很小[26]。

（2）性能較為穩(wěn)定

具有很高的熱穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性。CBN材料的耐熱性高達1 500 ℃，高于陶瓷與硬質合金的常溫硬度。CBN材料化學性能穩(wěn)定，在1 200～1 300 ℃不與鐵等材料反應，在2 000 ℃以下不與碳反應。

（3）導熱性良好

CBN材料導熱性是硬質合金的20倍，僅次于金剛石材料，PCBN材料導熱系數隨溫度升高而增加。

（4）摩擦系數較低

PCBN材料摩擦系數隨溫度升高而減小，大約為0.1～0.3。PCBN刀具材料屬性如表1所示。

表1 用于螺紋旋風硬銑削的PCBN刀具材料屬性

6.3 工件材料

精密滾珠絲杠作為機械制造中重要的傳動機構，為了能夠實現高制造精度與精度保持性的目的，確保能夠充分發(fā)揮滾珠絲杠的優(yōu)異性能，工件選材需要具有高的耐磨性與尺寸穩(wěn)定性。我國通常選取高碳低合金鉻軸承鋼CGr15、GCr15SiMn，這些淬硬材料通過高溫油中淬火與回火熱處理，淬硬性與耐磨性更加顯著。

7 銑削熱變形實驗分析

前期開展的旋風銑削加工滾珠絲杠熱變形的研究表明，影響切削力與銑削熱的銑削要素會受到機床自身性能、刀具性能、工件材料等多重因素的影響。通過正交試驗結合DEFORM的有限元仿真，對于給定工件參數的滾珠絲杠，最小熱變形的加工參數為：銑削速度為666 r/min、銑削深度為0.14 mm 、進給量為0.1 mm/r，銑削參數設置如表2所示。

表2 銑削參數設置

在此工藝參數下，利用ANSYS軟件建立旋風硬銑絲杠的溫度場仿真模型與熱伸長仿真模型，通過與現場實驗測溫數據進行對比，驗證仿真模型的正確性，并得出對應的熱伸長量，總結滾珠絲杠的熱變形規(guī)律。仿真實驗是通過直接耦合分析法分析絲杠熱伸長量變化：通過相關參數的設置與命令流的創(chuàng)建得到溫度-位移耦合單元，如圖7所示；現場實驗：絲杠的自由端安裝一個浮動接觸的位移傳感器，來間接測量絲杠的熱伸長量，如圖8所示。

圖7 ANSYS仿真模擬圖

圖8 現場測位移示意圖

實驗測得與仿真實驗數據對比如圖9所示。

由圖9所示，實驗過程中，以1 400 mm為分界點，熱伸長量變化較大的一段是加工前1 400 mm的絲杠，當進入熱穩(wěn)態(tài)時，熱伸長量逐漸勻速增加，銑床三爪卡盤與絲杠接觸端的熱量傳遞作用會使得快加工完畢時的絲杠熱變形量有所減少。仿真過程中，開始到穩(wěn)態(tài)時與實驗數據對比，呈現出先低后高的趨勢。實驗與仿真對比分析，數據相差較小，進一步驗證了熱伸長量模型的正確性并得到了熱伸長量一直呈現逐漸增加的結論。

圖9 熱伸長的實驗與仿真結果對比圖

8 結語

近年來滾珠絲杠朝向智能化、高精度與高速度方向發(fā)展，隨著對滾珠絲杠市場需求量逐年上漲，人們對滾珠絲杠使用性能與制造精度的要求也隨之提高?！奥菁y”是滾珠絲杠傳動副中的核心要素，在多種距離與不同載荷的旋轉運動與直線運動互換中有著關鍵顯著的的作用，這一現象引得世界各國滾珠絲鋼制造企業(yè)的廣泛關注。高速硬旋風銑技術作為一種高效低耗、綠色環(huán)保的先進制造加工技術，可以完成各種淬硬及難加工材料的切削以及進行磨削加工的某些工作，面對日益激烈的挑戰(zhàn)，我們還需努力研發(fā)符合我國國情、具有中國特色的CNC旋風銑床，及時優(yōu)化改善旋風銑削加工工藝，做好加工效率與生產成本的合理協(xié)調，共同推進機械行業(yè)的發(fā)展。