滾珠絲杠滾道研磨工藝試驗(yàn)研究*

金 俊，查文彬，王禹林，溫 貴，歐 屹

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

滾珠絲杠是一種實(shí)現(xiàn)定位與傳動(dòng)的裝置，是常用的滾動(dòng)功能部件之一。然而國(guó)內(nèi)高精度滾珠絲杠的加工水平仍與歐美及日本相差較大，對(duì)于精度要求極高的滾珠絲杠仍須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的工人手工研磨，加工效率低。

研磨是一種高精加工工藝，主要分為自由磨粒研磨和固結(jié)磨料研磨，可加工各類金屬材料和非金屬材料[1-4]。隨著研磨工藝的進(jìn)一步發(fā)展，近年來(lái)也出現(xiàn)了磁力研磨、超聲振動(dòng)輔助研磨等新型研磨方法[5-6]。然而，多數(shù)研磨相關(guān)文獻(xiàn)，其研磨對(duì)象多為平面或球面等幾何形狀較為簡(jiǎn)單的材料表面[7-9]，鮮有對(duì)滾珠絲杠滾道研磨的文獻(xiàn)報(bào)道。Guevarra D S[10]等提出了絲杠適用的研磨裝置，設(shè)計(jì)了立式絲杠研磨系統(tǒng)，并進(jìn)行了研磨試驗(yàn)，結(jié)果表明，研磨后絲杠精度等級(jí)由5級(jí)變?yōu)?級(jí)，全程變動(dòng)量由9.6μm降為3.8μm。其進(jìn)一步設(shè)計(jì)的臥式研磨系統(tǒng)所進(jìn)行的研磨試驗(yàn)結(jié)果表明，10個(gè)來(lái)回研磨后，絲杠全程變動(dòng)量由17.42μm減小至9.2μm，故該裝置在保證研磨效果基礎(chǔ)上具有較高的研磨效率[11]。然而Guevarra D S等人所做研磨試驗(yàn)的絲杠規(guī)格較小，其公稱直徑為14mm，導(dǎo)程為2mm，有效螺紋長(zhǎng)度為260mm，且缺乏研磨對(duì)滾道表面粗糙度及殘余應(yīng)力影響的進(jìn)一步研究。

本文旨在通過(guò)自主設(shè)計(jì)的滾珠絲杠研磨工裝對(duì)磨削絲杠進(jìn)行研磨試驗(yàn)，探究自主研制的絲杠研磨裝置及滾珠絲杠研磨工藝的有效性。試驗(yàn)所用絲杠為正常規(guī)格，其公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm，螺紋長(zhǎng)度為840mm。試驗(yàn)除了對(duì)比研磨前后絲杠行程誤差外，還研究了滾道表面粗糙度及表面殘余應(yīng)力的變化情況。

1 絲杠研磨工裝與研磨系統(tǒng)

試驗(yàn)所用絲杠研磨工裝示意圖如圖1a所示[12]。端蓋5與套筒1以螺紋配合，旋轉(zhuǎn)端蓋5使墊圈4產(chǎn)生軸向位移，壓縮橡膠圈2軸向長(zhǎng)度，使其沿半徑方向膨脹，進(jìn)而將研磨壓力作用于研磨螺母3。研磨螺母結(jié)構(gòu)如圖1b中所示，分別從兩端面切出3條均布的縫隙，形成一個(gè)六片式的研磨螺母，以使研磨螺母受力后易于變形，在橡膠圈的作用下與滾珠絲杠外滾道接觸。

(a)滾珠絲杠研磨工裝示意圖

1.套筒 2.橡膠圈 3.研磨螺母 4.墊圈 5.端蓋6.滾珠絲杠

將研磨工裝與待研絲杠裝配，采用三爪卡盤—頂尖裝夾方式將絲杠固定于研磨試驗(yàn)臺(tái)上。試驗(yàn)前將磨料涂覆于絲杠滾道表面，再通過(guò)套筒及端蓋側(cè)面的螺栓旋緊端蓋得到適合的研磨力矩。研磨時(shí)由圖2中托架上的隨動(dòng)裝置抵住滾道表面，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)可使研磨工裝與托架隨絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而前進(jìn)或后退。端蓋上的螺栓可作用于托架上的壓力傳感裝置，可進(jìn)一步測(cè)得研磨時(shí)的摩擦力矩。通過(guò)軟件設(shè)置可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)限位開關(guān)可控制研磨長(zhǎng)度。

圖2 滾珠絲杠研磨試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究絲杠的行程誤差、表面粗糙度及表面殘余應(yīng)力隨研磨時(shí)間的變化情況，所制定的研磨試驗(yàn)方案如圖3所示。

圖3 研磨方案

由于托架裝置的存在，絲杠右端280mm長(zhǎng)度無(wú)法研磨，有效研磨長(zhǎng)度為560mm。研磨螺母長(zhǎng)度為80mm。研磨分3個(gè)階段，每個(gè)階段研磨螺母來(lái)回研磨6次，且每個(gè)階段中研磨3次后調(diào)裝研磨螺母方向以保證研磨不受研磨螺母制造誤差的影響，使絲杠研磨更均勻。階段Ⅰ中，研磨部分為絲杠從左端起到距離左端560mm處，階段Ⅱ中，右極限位置不變，絲杠左端預(yù)留120mm完全研磨部分，以便后續(xù)在此完全研磨部分取樣，此段樣件為研磨1個(gè)周期后的滾道表面，記為樣件1。階段Ⅲ同理預(yù)留100mm完全研磨部分以便取樣，此段樣件為研磨2個(gè)周期后的滾道表面，記為樣件2。由幾何關(guān)系，階段Ⅲ時(shí)完全研磨部分長(zhǎng)度為100mm，此段樣件為研磨3個(gè)周期后的滾道表面，記為樣件3。此外，研磨所用磨料為綠碳化硅，與煤油1:1混合均勻涂抹于絲杠，階段Ⅰ、Ⅱ所用綠碳化硅磨料粒度為W14(#600)，階段Ⅲ所用綠碳化硅磨料粒度為W7(#1000)。絲杠轉(zhuǎn)速為30r/min，研磨時(shí)摩擦力矩控制在2.5Nm。通過(guò)線切割獲得絲杠樣件，切樣時(shí)保證樣件1、2、3都在各階段完全研磨段中。在右側(cè)原始未磨段中取樣件0。各樣件均為50mm長(zhǎng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 行程誤差結(jié)果與分析

如圖4所示為絲杠行程誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量臺(tái)，可測(cè)得絲杠正反向行程誤差。絲杠行程誤差隨研磨周期變化情況如表1所示，其中2π變動(dòng)量V2π與全程變動(dòng)量Vu如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，初始時(shí)左右滾道的行程誤差較為一致，研磨2個(gè)周期后左右滾道的全程變動(dòng)量Vu先變好再變差且2周期后Vu與初始值相近，而在此過(guò)程中2π變動(dòng)量V2π變差，這可能是由于研磨2個(gè)周期后出現(xiàn)過(guò)研磨，使行程誤差反而變差。換用W7的綠碳化硅磨料再進(jìn)行1個(gè)周期的研磨，2π變動(dòng)量V2π、300mm行程變動(dòng)量V300及全程變動(dòng)量Vu均出現(xiàn)下降。研磨后，左滾道全程變動(dòng)量由10.52μm下降為5.63μm，下降46.5%，右滾道全程變動(dòng)量由9.53μm下降為7.22μm，下降24.2%，說(shuō)明自制的研磨工裝可改善滾珠絲杠的行程誤差。

圖4 3m激光絲杠行程誤差動(dòng)態(tài)測(cè)量臺(tái)

研磨周期VuV2πV300研磨010.524.5210.52研磨17.795.797.79研磨29.877.289.87研磨35.633.395.63

(b)正向行程誤差(右滾道)

圖5 2π變動(dòng)量隨研磨周期變化

圖6 全程變動(dòng)量隨研磨周期變化

3.2 表面粗糙度結(jié)果及分析

各樣件表面粗糙度的測(cè)量在Taylor Hobson白光干涉儀上完成，如圖7所示。試驗(yàn)后各樣件的表面粗糙如表2所示。滾道表面粗糙度隨研磨周期數(shù)變化如圖8所示?？芍笥覞L道初始表面粗糙度并不一致，左滾道表面粗糙度較差，其Ra為0.4352μm，而右滾道表面粗糙度較低，其Ra為0.1906μm。研磨1、2周期內(nèi)較為光滑的右滾道表面粗糙度持續(xù)增加，顯然是因?yàn)閃14磨粒對(duì)右滾道而言過(guò)粗，此時(shí)研磨無(wú)法獲得更光滑的表面。左滾道在此過(guò)程中先增后減，這可能是由于研磨前期磨粒對(duì)表面微切削、梨耕、壓痕作用而產(chǎn)生的坑洼分布不均，反使表面粗糙度增加。

由圖8發(fā)現(xiàn)樣件2左右滾道表面粗糙度數(shù)值接近，說(shuō)明研磨可使粗加工導(dǎo)致的左右滾道表面粗糙度差異降低。經(jīng)過(guò)第3研磨周期后，滾道表面粗糙度進(jìn)一步降低，這主要是因?yàn)榇搜心ミ^(guò)程將綠碳化硅的磨粒大小由W14換為W7。并且，由圖8可知此研磨周期內(nèi)左右滾道粗糙度變化較為一致。

圖7 Taylor Hobson白光干涉儀

次數(shù)樣件0樣件1樣件2樣件3左滾道10.41570.64470.36780.304320.40430.76540.42670.254330.51450.60850.30860.259840.43450.72640.40170.224750.40680.69270.42410.2861平均值0.43520.68760.38580.2658右滾道10.18340.24730.38220.315720.18810.20670.31300.266630.18600.29570.30100.308040.18640.42920.44450.289250.20900.32360.37570.2419平均值0.19060.30050.36330.2843

圖8 滾道表面粗糙度Ra平均值隨研磨周期的變化

3.3 殘余應(yīng)力結(jié)果及分析

表面殘余應(yīng)力影響滾珠絲杠的疲勞壽命[13]，是研磨試驗(yàn)后檢測(cè)的重要參數(shù)之一。測(cè)量所用X射線應(yīng)力測(cè)定儀如圖9所示。樣件殘余應(yīng)力如表3所示，其隨研磨周期變化情況如圖10所示。由表3可知，滾道表面始終呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。初始時(shí)滾道表面壓殘余應(yīng)力較小，隨著研磨期數(shù)增加，樣件殘余壓應(yīng)力逐漸增大。這是由于磨粒對(duì)滾道表面的微切削、梨耕及壓痕作用，使?jié)L道表面形成一定塑性變形，增大了殘余應(yīng)力。隨研磨周期數(shù)增加，滾道表面塑性變形程度增大，故而滾道表面殘余應(yīng)力也增大。研磨三個(gè)周期后，可將殘余壓應(yīng)力增大2～3倍，滾道表面的殘余壓應(yīng)力平均值可達(dá)-450MPa以上，有利于延長(zhǎng)絲杠的使用壽命。

圖9 X射線殘余應(yīng)力測(cè)定儀

測(cè)量次數(shù)樣件0樣件1樣件2樣件31-163.1-209.2-408.9-532.22-161.7-212.8-282.6-450.23-148.2-321.1-340.2-497.24-206.8-317.7-373.8-4605-163.3-321.9-271.2-473.5平均值-168.6-276.5-335.3-482.6

圖10 表面殘余應(yīng)力平均值隨研磨周期數(shù)的變化

4 結(jié)論

本文主要介紹了自行研制的滾珠絲杠研磨裝置，并進(jìn)行了單絲杠分段研磨試驗(yàn)。試驗(yàn)總結(jié)如下：

(1)使用自制的研磨裝置可有效改善滾珠絲杠的行程誤差。在W14綠碳化硅磨料、30r/min轉(zhuǎn)速、2.5Nm研磨力矩的研磨參數(shù)下，研磨2個(gè)周期后，即研磨12個(gè)來(lái)回，行程誤差變差，出現(xiàn)過(guò)研磨現(xiàn)象；

(2)研磨工藝可減小前期絲杠粗加工時(shí)導(dǎo)致的左右滾道表面粗糙度差異。研磨后滾道所能達(dá)到的表面粗糙度與磨粒大小及初始表面有關(guān)，較細(xì)磨?？色@得更光滑的滾道表面，但若初始表面較為光滑則可能出現(xiàn)研磨后表面粗糙度增大的情況；

(3)研磨工藝對(duì)滾道表面殘余應(yīng)力影響較為明顯，經(jīng)過(guò)3個(gè)研磨周期后，可使殘余壓應(yīng)力增加2～3倍，殘余壓應(yīng)力值可達(dá)-450MPa，有利于絲杠的疲勞壽命。

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