滚珠丝杠的加工工艺与刀具选择

 作者:伞齿轮    |      2019-10-09 04:19

  滚珠丝杠(已基本取代梯形丝杆,俗称丝杆),是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于机床行业、各种工业设备和精密仪器。

  一、滚珠丝杠的特点

  1、摩擦损失小、传动效率高,2、精度高,3、高速进给和微进给可能,4、轴向刚度高,5、不能自锁、具有传动的可逆性。

滚珠丝杠的加工工艺与刀具选择

  滚珠丝杠

  二、滚珠丝杠的材料要求

  滚珠丝杠材料的选择是保证滚珠丝杠质量的关键,一般要求是:

  (1)好的加工性能,磨削时不容易产生裂纹,能得到良好的表面光洁度和较小的残余内应力,对刀具磨损作用较小;

  (2)抗拉极限强度一般不低于588mpa;

  (3)有良好的热处理工艺性,淬透性好,不易淬裂,组织均匀,热处理变形小,能获得较高的硬度,从而保证丝杠的耐磨性和尺寸的稳定性。常用的中国牌号有40CrM0或GCr15等,热处理后的硬度一般在HRC60以上;

  (4)材料硬度均匀,金相组织符合标准。

  三、滚珠丝杠的机械加工工艺

   滚珠丝杠一般属于批量生产,在要求质量、精度的同时需保证效率,滚珠丝杠的机械加工工艺为:锻造—退火—切削加工(粗车,半精车外圆、螺纹)—热处理—磨削加工(粗磨,半精磨,精磨外圆、螺纹)—检验。

  (1)锻造-毛坯下料:就是根据工件所需的尺寸从整批材料上截取下与工件尺寸相符的材料的操作过程。

  (2)球化退火:使钢中碳化物球化而进行的退火,得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。球化退火的目的在于降低硬度,改善切削加工性能,并未后续热处理作组织准备。

  (3)粗车外圆,螺纹:可选择普通车床和数控车床进行加工,大批量生产选择数控车床较经济,车螺纹选择直进法,所谓的直进法就是在加工过程中对刀具的Z轴(轴向方向)不进行改变,分次进给(直径方向),来完成螺纹的切削,此方法简单易操作,车出来的螺纹牙型准确。一般粗车之后留有2-3mm,

  (4)半精车外圆,螺纹:使磨削滚珠丝杠的尺寸更接近图纸尺寸,并且精度的得到提高,一般半精车之后留有0.3mm的余量,为了后来的磨削加工,提高磨削滚珠丝杠的精度。

  (5)热处理淬火:中频淬火,通过淬火使滚珠丝杠表面得到较高的硬度,提高滚珠丝杠的耐磨性和使用寿命,滚珠丝杠常采用的材料为40CrMo钢和GCr15钢,就如GCr15钢淬透性好,可满足中频淬火硬化层要求,其中频淬火的关键问题是解决淬火变形。

滚珠丝杠的加工工艺与刀具选择

  热处理

  (6)粗磨外圆,螺纹:采用中心式外圆磨削,工件用两顶尖装夹,磨削时按其两中心孔所构成的中心轴线旋转,使外圆达到较高的精度要求。粗磨螺纹选择专业的磨床和砂轮对滚珠丝杠进行磨削。

  (7)精磨外圆,螺纹:采用磨床加工滚珠丝杠外圆,螺纹时为了保证精度,采用高精度,小粗糙度磨削,可代替研磨加工,提高加工效率和减轻劳动强度。但磨削加工时,对磨床的精度和运动平稳性,环境条件,砂轮的选用和修整,切削液的选择和浇注方式都有较高的要求。

  (8)检验入库:最后一道工序,检验合格之后清理干净入库。 滚珠丝杠常采用磨削方式来提高滚珠丝杠的精度,采用磨床加工滚珠丝杠后经过磁力探伤,经常在螺纹滚道的圆弧上出现轴向的或网状的裂纹,甚至在磨削螺纹过程中仅凭肉眼就可发现,之后采用“减小每次进刀磨削量,多次进刀” 及“磨削- 稳定丝杆表面温度- 磨削” 的方法,有效地降低了丝杆表面的磨削热量和磨削应力,从而避免“磨削裂纹” 的产生。由于滚珠丝杠一般是批量生产,采用磨削方式加工滚珠丝杠效率低,成本高。

  四、滚珠丝杠的加工难点

  滚珠丝杠经过热处理后的硬度一般在HRC60以上,常采用磨削方式加工外圆、螺纹来保证其尺寸要求和精度要求。但磨削效率太低;再一个加工难题就是断续车削去除滚珠丝杠两头螺纹,在硬车轴承座时余量大硬度高,需先退火之后再进行加工,以上两种难题是对机械制造商来说造成效率低下的主要原因。

滚珠丝杠的加工工艺与刀具选择

  滚珠丝杠加工

  滚珠丝杠有磨制滚珠丝杠和轧制滚珠丝杠两种,其中磨制滚珠丝杠的滚道是先用车刀加工出滚道的形状,之后采用磨床磨削至尺寸和精度要求。轧制滚珠丝杠是在冷轧时就将滚珠丝杠挤压成型,直接加工滚珠丝杠的两端就完成了。

  冷轧滚珠丝杠的加工难点在于轴承座部位余量大,而且热处理后硬度高,传统工艺一般是先退火,然后进行车削加工,或者就是采用磨削工艺。整体加工效率低,而且退火后的滚珠丝杠存在变形及开裂等诸多问题,对磨削或车削工序带来很大影响。

  磨削滚珠丝杠的加工难点在于螺纹的切削,热处理后的磨削滚珠丝杠硬度HRC60-65,传统工艺一般采用磨削的方法制成螺纹,但磨削效率低,报废率高,影响整体的生产进度。

  五、切削加工滚珠丝杠的刀具材料

  早期,对于加工滚珠丝杠轴承座部位余量大时,因为没有可大余量切削淬硬料的刀具一直受限制,选择硬质合金刀具加工滚珠丝杠不耐磨,影响加工效率。随着切削技术的不断发展,人们研制出可“以车代磨”的刀具材料—立方氮化硼刀具,传统的立方氮化硼刀具在粗车加工滚珠丝杠滚道时和滚珠丝杠之间具有一定的压应力,并且立方氮化硼刀具的主副偏角均切削,造成刀具容易崩口,碎裂。直到华菱超硬研制出非金属粘合剂立方氮化硼刀具BN-S20牌号,使粗车滚珠丝杠刀具容易崩口,碎裂的问题得到解决。

  非金属粘合剂立方氮化硼刀具BN-S20牌号加工滚珠丝杠的优势:(1)硬度高,耐磨性和耐热性好;(2)抗冲击性强,避免了刀具崩口,碎裂的问题;(3)高速切削效率高;(4)干式切削减少环境污染;(5)刀具寿命长,一般是传统立方氮化硼刀具的1.5-2倍。

  六、硬车滚珠丝杠案例

  (1)硬车轧制丝杠两端

  加工材料:滚珠丝杠(中国牌号42CrMo或GCr15),工件硬度:HRC60-62,加工工序:淬火后精车,选用非金属粘合剂立方氮化硼刀具BN-S20材质的刀片型号SNGN090404或CNGN120708(轧制丝杠专用),切削参数:ap=4.5mm,Fr=0.10mm\r,Vc=95m\min,干切;BN-S20材质刀具的切削速度相比陶瓷刀片提升46%以上,吃刀深度可达4.5mm,提升9倍,且刀片正常磨损,并不是危险的崩刃碎裂。

滚珠丝杠的加工工艺与刀具选择

  硬车轧制丝杠两端

  (2)车削轧制滚珠丝杠轴承座两端

  加工零件:滚珠丝杠轴承座,硬度:HRC60以上,加工工序:粗车轴承座两端,选择刀具材质BN-S20轧制丝杠专用刀片型号CNGN120708,切削参数:ap=8mm,Fr=0.1mm\r,Vc=70-120m\min(根据机床刚性调整),干切;加工效果:刀具成本降低(每根滚珠丝杠的加工成本在0.5元左右),并且节约了退火工艺和加工时间。

  (3)硬车滚珠丝杠滚道

  加工零件:滚珠丝杠螺纹,Gcr15,工件硬度:HRC60-62,选用适用连续-中等断续工况的BN-H10材质,切削参数:Fr=0.10mm\r,Vc=150m\min,干切;BN-H10材质刀具加工的工件粗糙度达Ra0.8以下,正常磨损。

滚珠丝杠的加工工艺与刀具选择

  硬车滚珠丝杠滚道螺纹

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