如何减少滚珠丝杠加工引起的变形

如何减少滚珠丝杠加工引起的变形

在加工中，以长径比作为衡量轴类零件刚度的指标。纵横比是指轴零件的长度与零件直径的比值。长径比≤12的轴称为刚性轴，具有良好的刚性；长径比≥12的轴称为柔性轴，刚性较差。滚珠丝杠的长径比≤20-30，比较容易生产。滚珠丝杠的长径比在40-60之间，比较难生产，而超长滚珠丝杠的长径比多在60-100，所以刚性很差，加工时容易变形，生产难度很大，

一、超长滚珠丝杠滚道磨削加工的主要矛盾：

超长滚珠丝杠是一个难加工的它有精度要求高，对超长滚珠丝杠有精度要求高的滚珠螺纹（齿型；螺距锥度、非圆度、径向跳动；螺纹行程等）。精密测量，如：光学仪器、千分尺、百分表、激光器）球螺纹也需要淬火和热处理；还有对尺寸精度、圆度和径向跳动要求高的轴径。超长滚珠丝杠也是细长的轴类零件，刚性较差（长径比多为60-100或100以上），加工过程中经常出现裂纹、弯曲、螺纹长度变化等变形问题。因此，技术要求高、刚性差是超长滚珠丝杠生产过程中的一对主要矛盾。下面就这对主要矛盾的两个方面进行介绍。

1、超长滚珠丝杠的技术要求高：超长滚珠丝杠的主要部分是滚珠螺纹。滚珠螺纹除了HRC58的硬度外，对长度方向的要求是：2π长度以内（即一个径向的行程误差，即螺纹的径向跳动）要求滚珠的一部分小而不弯曲，同时要求螺纹中径的变化。超长滚珠丝杠的两端都有安装轴径，它们是超长滚珠丝杠的安装支撑。长滚珠丝杠在使用时，不仅尺寸精度高（一般为6级精度），而且要求在滚珠上螺纹，径向跳动也要小，以保证传动超长滚珠丝杠副的精度。

2、超长滚珠丝杠的刚性很差，加工时容易变形：加工时的变形分为三类

(1)外部变形力：如滚珠丝杠副GQ10020×6000计算半径和长度变形，丝杠中心线垂度按简支梁计算17.312mm，丝杠伸长率Δ=0.124mm，根据两个固定端，丝杠下垂中心线为3.462mm，丝杠伸长率Δ=0.005mm。在加工过程中，丝杠的伸长率Δ和滚珠丝杠中心线的下垂都会影响行程精度。可见，滚珠丝杠的安装方式对加工精度影响很大。

(2)热变形：由于磨削热的影响，滚珠丝杠在加工过程中温度会升高。以滚珠丝杠副GQ10020×6000为例，滚珠丝杠的温度每升高2度，滚珠丝杠就会伸出0.14mm。如果尾座顶部仍然压在丝杠上，不能用丝杠收回，滚珠丝杠将受到约2900公斤的力。如果不采取措施，滚珠丝杠可能会受到影响，相反，如果尾座的尖端可以随着滚珠丝杠的延伸而缩回，如果不采取措施，滚珠丝杠的延伸0.14mm会影响到行程精度。

(3)残余应力变形：其原因分为三类

①滚珠丝杠在生产过程中受外力影响，如轧制圆钢；运输和储存；磨削等导致滚珠丝杠弯曲等塑性变形，产生内应力。

②由于工艺的需要，滚珠丝杠在生产过程中先加热到高温，高温下塑性好，热应力得到放松和降低。冷却过程后期，塑性变差，由于冷却过程快，滚珠丝杠各部分冷却速度不均匀，滚珠丝杠表面冷却快，芯部冷却慢，表面受压应力，核心处于拉应力下。产生的内部应力称为热应力。

③滚珠丝杠在热处理过程中，因金相组织转变而产生的内应力称为组织应力。例如，由于马氏体的比容（单位重量的体积）大于球形珠光体，当丝杠感应淬火时，芯部仍为球形珠光体，体积和长度没有变化的趋势，而表层由球形珠光体转变为马氏体，体积增加，长度增加。钢筋变长，同时表面受到芯部的约束，受到压应力，而芯部受到拉应力。

零件内部的各种内应力统称为残余应力。如果零件的一个部位有残余压应力，零件的另一部位有残余拉应力，且两个方向相反，数值相等，则暂时处于暂时状态。相对平衡的状态。当残余应力过大时，两者的值超过材料的屈服强度，零件就会变形，甚至破裂。例如，在磨削过程中，滚珠丝杠的部分硬化层被磨掉，特别是不对称均匀地磨削，破坏了滚珠丝杠内部残余应力的相对平衡状态，使滚珠丝杠弯曲。.又如：滚珠丝杠在磨削过程中，由于磨削量大，冷却不充分，局部温度过高，超过淬火温度，发生二次淬火，导致界面处残余应力处于相对平衡状态被摧毁，导致裂缝。

二、超长滚珠丝杠滚道磨削时减少变形的方法

1.提高超长滚珠丝杠刚性的安装方法

超长滚珠丝杠的加工时，其在机床上的安装方法主要有；顶尖—顶尖；卡盘—顶尖；卡盘—中心架。卡盘-中心架多用于磨削超出机床规格的滚珠丝杠。为提高超长滚珠丝杠的安装刚性，以上三种方法均以丝杠外圆为辅助基准，采用辅助加中心架。但中心架使用不当会造成误差，严重时会出现超长滚珠丝杠变形。因此，中心架的使用应尽可能遵循以下原则：

(1)中心架的安装应与滚珠丝杠的几何形状相一致。精度检验基准统一原则：根据滚珠丝杠副的国家标准（该标准与国际标准相当），将滚珠丝杠的几何精度检验放在两个等高的V型铁上，V形铁与球螺纹分离。节距两端的距离为节径的2倍。因此，要求离滚珠螺纹两端最近的中心架应安装在距两端2倍中径的距离处。

(2)中心架的安装应与滚珠丝杠行程精度检验基准相同的原则：在滚珠丝杠动检仪上检查滚珠丝杠行程精度。上中心架的安装形式，因此，应记下中心架与丝杆安装位置的距离，并告知检测中心，以便在检查滚珠丝杠的行程精度时，中心架应置于上述位置。

(3)为了最大限度地提高滚珠丝杠的安装刚度，中心架的数量应尽可能多，但中心架数量过多会增加辅助工时。一般根据以下经验选择中心架的数量：公称直径≤φ80的滚珠丝杠每隔700mm左右使用一次中心架；并且为了调整方便，中心框的数量应尽量奇数。

(4)中心架尽量调整到头尾架中心线还要保证滚珠丝杠尽量不变形：方法是以离头架最近的外圆为基准，磨削中心架各段外圆和外圆离尾座最近的圆到相同大小。园度较好，园度在0.01左右，丝杆在头尾架顶部转动（不带中心架），外园各段径向跳动要小，约0.02。然后发现它们的上母线在0.01左右。

(5)滚珠丝杠与中心架支撑块的接触长度应达到螺距的1.5-2倍。

(6)中心架调整好后，必须紧固支撑块，防止在磨削过程中支撑块的位置发生变化。

(7)开始螺纹磨削前，记下各中心架之间滚珠丝杠的径向跳动值，作为螺纹磨削时监测滚珠丝杠是否变形及中心架是否可靠的依据。.

(8)滚珠丝杠的上母线正确对齐。滚珠丝杠被中心架支撑后，特别是中心架支撑丝杠后，滚珠丝杠会将力施加到头尾架的顶部。（例如滚珠丝杠副GQ10020×6000，力可达3吨）。因此，调整中心架后，应适当调整尾座手轮，以免滚珠丝杠被顶弯。但需要注意的是，在松开中心架前，应适当调整尾架手轮，确保滚珠丝杠不会脱落。

(9)磨削过程中，操作人员不能离开岗位。他应仔细观察火花，听磨削声，并经常检查每个中心架之间的丝杠径向跳动值，并将这些值与每个中心架之间的丝杠径向跳动值进行比较磨前记录。当发现径向跳动值增大时，说明丝杠有较大的弯曲变形，必须及时调整尾座上的手轮，避免滚珠丝杠。在顶部弯曲。并做好交接记录，必要时停止磨削，拆下滚珠丝杠送去矫直后再磨削。

2、安排合适的工艺路线，选择合适的切削量

超长滚珠丝杠的加工应分为粗车、精车、淬火后粗磨、半精车、精磨。逐步提高超长滚珠丝杆的精度。在保证质量的前提下，选择合适的切削量，避免因切削量过大而使丝杠弯曲，尤其要注意避免因研磨量过大而产生磨削裂纹。

3、保证滚珠丝杠的热处理质量

保证热处理质量，特别是保证淬火后的金相组织，对消除裂纹特别有用重要的。此外，在超长滚珠丝杠加工过程中，还安排了多次热处理的低温时效处理和对中，这对于降低滚珠丝杠的残余应力和弯曲变形也很重要。