滚动功能部件产业化关键工艺技术及装备开发与应用.doc

滚动功能部件产业化关键工艺技术及装备开发与应用采用三维建模软件Pro/E和有限元软件MSC.MARC，建立了滚珠丝杠的三维模型，对滚珠丝杠的工作状态进行动力学仿真分析。通过计算机仿真，获得了法向截面接触角、滚珠在回珠槽中的自旋速度和公转速度，从而更准确地反映出滚珠丝杠副的变形对动力学性能的影响。通过理论研究，得出如下结论：1.循环滚珠中心的线速度不高，自转速度却相当高；滚珠直径对旋滚比影响不大，但接触角对旋滚比的影响较明显，在接触角为38时，旋滚比最小；滚珠的滑移率随螺旋升角和滚珠直径的增大而提高。2.滚珠与丝杠滚道的接触压力和变形大于滚珠与螺母滚道的接触压力和变形。随着接触角的增大，接触压力和变形减小，螺旋升角对接触特性无显著影响，接触特性对曲率比的变化非常敏感，随着曲率比的增大，接触压力和变形显著提高。3.滚珠与返向器的碰撞角度越大，初始速度越高，则碰撞力越大。通过减小碰撞角度、采用小直径钢球或陶瓷球，以及采用工程塑料制作返向器，可以有效降低碰撞力。4.滚道加工误差增大了滚珠丝杠副的摩擦力矩，对摩擦力矩的影响具有“平均效应”。由于在滚珠丝杠接触副中很难建立完全的弹流油膜，所以因润滑不良而导致的摩擦系数过大可能是滚珠丝杠副摩擦力矩较大的主要原因。5.端部偏转式返向结构的滚珠丝杠副的噪声主要来源于丝杠滚道波纹度激起的振动，其噪声明显小于插管式滚珠丝杠副，且音质有显著改善，是高速滚珠丝杠副的首选返向结构。主要技术创新1.高速滚珠丝杠副螺母循环返向结构优化设计当滚珠在螺母体及返向装置中高速运转时，螺纹滚道与返向的接口部位以及返向装置的回珠通道受到的冲击力和磨损最大。回珠曲线沿螺旋线的切线方向进出返向装置，可以减小钢球因运动方向发生变化而引发的撞击力。为保证钢球在双圆弧螺纹滚道与回珠通道之间的平滑过渡，对回珠滚道的内径进行分段拟合，实现钢球逐步卸载和加载的效果。通过控制回珠通道与钢球的间隙，保证钢球在通道内不发生楔紧现象，同时又减小了摩擦力。与此同时，结合螺母承载能力以及冷、热加工性能，综合设计了螺母及返向装置的结构。2.高速滚柱直线导轨结构优化设计（1）通过对滑块返向器的结构进行优化设计，使得滚柱在进入和离开返向器前逐步卸载和承载，以减小冲击，降低噪音。通过优化返向器返向槽的曲率半径，尽量减小离心力，使滚柱返向更加平稳。（2）通过优化返向通道结构，使滑块在满足承载要求的前提下，结构更加紧凑，返向更加流畅。由于确保了滚动体处于油膜接触状态，因而降低了高速运动时的噪声，使运动更平稳。（3）以滚柱的接触特性、赫兹压力和整体质量为优化目标，以滚柱直径、滑块返向器等几何参数以及材料性能为变量，采用优化数值算法进行优化，改进滚柱导轨副的结构设计。高速、精密滚珠丝杠副（KD4016X2200和KD4020X2450）关键工艺技术1.工艺措施为了保证返向通道孔与螺纹滚道的严格位置关系，在加工螺母时，选用车铣复合设备，确保加工出的返通道基准孔与螺纹滚道精度高，并通过钻、扩和铰等方式加工反向通孔，保证了孔对螺纹中心的平行度及表面粗糙度。针对返向器出入口的加工，全部采用订制的高精度硬质合金铣刀。通过采用车铣复合工艺，由高精度数控机床来保证返向通道与螺纹滚道的精确位置关系，从而显著提高了产品的加工精度和加工效率。2.循环系统优化针对本系列滚珠丝杠副高速的特点，优化设计了循环系统，包括轴向横穿螺母的返向通道及安装于螺母首尾两端的返向器。通过返向器连接返向通道和螺纹滚道，形成滚珠滚动的封闭通道。循环回路：此循环系统路径与螺旋滚道平滑连续连接。径向观察，循环路径配合滚珠丝杠螺旋升角同螺纹滚道平滑连接，如图1所示；轴向观察，循环路径和螺旋滚道沿切线方向连接，如图2所示。 图1径向观察循环路径图2轴向观察循环路径返向器：由于滚珠丝杠副经常处于高速运动状态，对返向器的冲击十分频繁，所以其耐冲击性及可靠性非常重要。在力学模型模拟及有限元分析的基础上，对返向器的返向曲线曲率进行了优化设计，进一步提高了滚珠返向时的流畅性。通过选用高强度的工程塑料，显著提高了返向器的强度，满足了使用要求。为了确保美观以达到视觉的协调一致，选用了桔黄色。3.装配工艺改进制定了高精度滚珠丝杠副装配工艺。通过对产品反复清洗以及对钢球进行精确选配，确保了滚珠螺母原始径向间隙的一致，从而保证了A、B两滚珠螺母的接触点一致，使其预紧力符合装配工艺要求，运动状态达到最佳。4.关键工序控制对滚珠丝杠副的生产进行全过程跟踪记录，严格按工艺执行，并严格工序检验。对于“精磨滚道”这一关键工序，设置质量控制点，严格控制椭圆度及锥度。在测量时，采用测头与钢球大小一致的德国进口球头千分尺取代传统的三针测量法进行测量，测量精度达到1m。5.正确选择砂轮由于高速精密滚珠丝杠副滚道的几何精度及滚道的粗糙度要求比较严格，精磨后的滚珠丝杠及滚珠螺母滚道，其粗糙度应达到Ra0.4m以上，因此选用了粒度细、磨粒硬度高、成形精度保持性好、有一定的自锐性且有较大容屑空间的砂轮，确保了加工出的丝杠滚道符合设计要求。对于螺母滚道的磨削，优选了齿形保持性好的诺顿昆鹏系列砂轮，进行了高速小进给磨削，从而提高了滚道齿型精度和滚道的粗糙度。6.砂轮的修整为了获得高精度的滚道轮廓齿型，采用了成形磨削加工，为此而优选订购了高精度的金刚滚轮。结合实际应用经验，对金刚滚轮的结构进行了改进，保证了金刚滚轮外圆及端面跳动不大于0.002mm,从而排除了装夹造成的误差。实践证明，此方法修出的砂轮能够显著提高丝杠滚道齿形的尺寸精度，满足了设计要求。滚柱直线导轨副（LZG45KL2F22、LZG55KL2F22和LZG65KL2F22）关键工艺技术1.工艺措施通过优化导轨和滑块的加工工艺路线，大大减少了装夹次数，提高了加工效率及产品的加工精度，产品合格率明显提高。通过采取合理分配精磨留量并保持一定次数的往复无火花磨削等措施，提高了滚道表面粗糙度，消除了振纹。采用专用工装，控制好滑块前期工序的加工误差，保证相邻面的垂直度、平行度0.02，使滑块返向孔达到设计要求。2.返向器设计由于滚动直线导轨副常处于高速直线运动状态，因而其总体性能及可靠性十分重要，尤其是对返向器部分的设计制造相当重要。通过三维仿真，优化设计了十字交叉式返向结构，采用高强度工程塑料，有效解决了返向流畅性问题，满足了使用要求。3.装配工艺精心设计装配工艺，产品经反复清洗、测试后，其预紧力及动、静载荷符合装配工艺要求，运动状态良好。4.关键工序控制措施直线滚动导轨副由滑块和导轨两大关键部件组成，其精度主要包括：滚道成形面精度、滚道之间及各滚道与基准面的位置精度、滚道粗糙度、导轨直线度以及滚道与基准面的平行度等。滑块、导轨的精加工采用成形磨削方式，即用成形金刚滚轮将砂轮修整成形并用以磨削滚道型面。将其基准面安装在夹具上，校正定位后，金刚石滚轮修整出所需截形的成形砂轮来参与磨削。5.正确选择砂轮导轨、滑块精磨后，要求其滚道粗糙度达到Ra0.4m以上，同时，滚道及其成形面的几何精度也应满足设计要求。磨削时采用往复式成形磨削，因而切除率高，负荷大，发热量也大。根据上述要求，选用了粒度细、磨粒硬度高、成形精度保持性好、有一定的自锐性且有较大容屑空间的砂轮。选用陶