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如何抑制滾珠絲杠在加工中產(chǎn)生的變形

在機(jī)械加工中，以長(zhǎng)徑比作為衡量軸類(lèi)零件的剛度的指標(biāo)，長(zhǎng)徑比是指軸類(lèi)零件的長(zhǎng)度與零件的直徑的比。長(zhǎng)徑比≤12的軸叫剛性軸，剛性好；長(zhǎng)徑比≥12的叫柔性軸，剛性差。滾珠絲杠的長(zhǎng)徑比≤12—30，還比較好生產(chǎn)，滾珠絲杠的長(zhǎng)徑比在40—60之間，就比較難生產(chǎn)，而超長(zhǎng)滾珠絲杠的長(zhǎng)徑比大多在60—100,因此剛性很差，加工中容易產(chǎn)生變形，生產(chǎn)難度很大。
超長(zhǎng)滾珠絲杠是一個(gè)難加工的零件，它的精度要求高，超長(zhǎng)滾珠絲杠上有精度要求高的滾珠螺紋（齒型；螺紋的中徑錐度、不圓度、徑跳；螺紋的行程等要求都很高，都需要精密測(cè)量，如：光學(xué)儀器、千分尺、千分表、激光）滾珠螺紋還要進(jìn)行淬火熱處理；還有尺寸精度及圓度、徑向跳動(dòng)要求較高的軸徑。超長(zhǎng)滾珠絲杠又屬于細(xì)長(zhǎng)的軸類(lèi)零件，剛性差（長(zhǎng)徑比大多在60—100或100以上），在加工過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生裂紋、彎曲、螺紋長(zhǎng)度變化等變形問(wèn)題。因此，技術(shù)要求高與剛性很差是超長(zhǎng)滾珠絲杠生產(chǎn)過(guò)程中的一對(duì)主要矛盾，下面就介紹這一對(duì)主要矛盾的兩個(gè)方面。
1、超長(zhǎng)滾珠絲杠的技術(shù)要求高：超長(zhǎng)滾珠絲杠主要部分是滾珠螺紋，對(duì)滾珠螺紋的要求除硬度HRC58外，還有對(duì)在長(zhǎng)度方向要求：2π長(zhǎng)度內(nèi)（即一個(gè)螺距內(nèi)）、300長(zhǎng)度內(nèi)、螺紋全長(zhǎng)內(nèi)的行程誤差，在徑向也有要求，即要求滾珠螺紋部分的徑向跳動(dòng)小，不彎曲，還對(duì)螺紋中徑的變動(dòng)量有要求。超長(zhǎng)滾珠絲杠的兩端有安裝軸徑，它們是超長(zhǎng)滾珠絲杠在使用時(shí)的安裝支撐，因此對(duì)它們不僅本身的尺寸精度高（一般6級(jí)精度），還要求它們對(duì)滾珠螺紋部分的徑向跳動(dòng)也要小，這才能保證超長(zhǎng)滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度。
2、超長(zhǎng)滾珠絲杠的剛性很差，這樣在加工中容易產(chǎn)生變形：加工中的變形分三類(lèi)：（1）受外力變形：如對(duì)滾珠絲杠副GQ10020×6000的橈度及長(zhǎng)度變形計(jì)算，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算絲杠中心線下垂17.312mm,絲杠伸長(zhǎng)mm 0.124=Δ，按兩固定端計(jì)算絲杠中心線下垂3.462mm，絲杠伸mm 0.005=Δ。在加工中絲杠伸長(zhǎng)Δ與絲杠中心線的下垂都會(huì)影響行程精度，可見(jiàn)絲杠的安裝方式對(duì)加工精度的影響很大。
（2）熱變形：由于磨削熱的影響，絲杠在加工中溫度會(huì)升高，以滾珠絲杠副GQ10020×6000為例，絲杠的溫度每升高2度，絲杠會(huì)伸長(zhǎng)0.14mm，如果尾架頂尖仍頂緊絲杠而不能隨絲杠伸長(zhǎng)而縮進(jìn)，絲杠就會(huì)受到約2900公斤的力，如果不采取措施，絲杠就可能會(huì)頂彎，反之如果尾架頂尖能隨絲杠伸長(zhǎng)而縮進(jìn),如果不采取措施，絲杠的這伸長(zhǎng)0.14mm就會(huì)影響行程精度。
（3）殘余應(yīng)力變形：其產(chǎn)生原因分三類(lèi)①絲杠在生產(chǎn)過(guò)程中由于外力的作用，如軋制園鋼；運(yùn)輸保管；加工中的初車(chē)、校直、磨削等造成絲杠的彎曲等塑性變形，因此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。②絲杠在生產(chǎn)過(guò)程中由于工藝的需要，先加熱到高溫，在高溫時(shí)塑性好，熱應(yīng)力得到松弛而變小。后在冷卻過(guò)程中，塑性變差，再由于冷卻過(guò)程快，絲杠各部分冷卻速度不均勻，絲杠表面冷卻快，芯部冷卻慢，表面受壓應(yīng)力，芯部受拉應(yīng)力。這樣產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫熱應(yīng)力。③絲杠在熱處理時(shí)，因?yàn)榻鹣嘟M織的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫組織應(yīng)力，如：由于馬氏體的比容（單位重量的體積）比球狀珠光體的比容大，絲杠在感應(yīng)淬火時(shí)，芯部仍為球狀珠光體，體積與長(zhǎng)度沒(méi)有要改變的趨勢(shì)，而表層由球狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，有了體積變大，長(zhǎng)度增加的趨勢(shì)，這樣使絲杠變長(zhǎng)，同時(shí)，表層受芯部的約束，受壓應(yīng)力，反之芯部受拉應(yīng)力。
凡在零件內(nèi)部的各種內(nèi)應(yīng)力，統(tǒng)稱(chēng)殘余應(yīng)力，零件內(nèi)部的一部分存在殘余壓應(yīng)力，則零件內(nèi)部的另一部分就存在殘余拉應(yīng)力，而且兩者方向相反，數(shù)值相等，處于暫時(shí)的相對(duì)平衡狀態(tài)。當(dāng)殘余應(yīng)力過(guò)大，兩者的數(shù)值超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，零件就會(huì)變形，甚至開(kāi)裂。如：絲杠在磨削過(guò)程中產(chǎn)生部分淬硬層被磨去，特別是不對(duì)稱(chēng)均等的磨去，絲杠內(nèi)部的殘余應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)就被破壞，絲杠產(chǎn)生彎曲。又如：絲杠在磨削過(guò)程中由于磨削用量大，冷卻不充分，局部溫度過(guò)高，超過(guò)淬火溫度，產(chǎn)生二次淬火，造成在晶體的界面處的殘余應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)就被破壞，從而產(chǎn)生裂紋。
減少超長(zhǎng)滾珠絲杠滾道磨削加工中變形的辦法，提高超長(zhǎng)滾珠絲杠剛性的安裝方法，超長(zhǎng)滾珠絲杠的加工時(shí)，其在機(jī)床上的安裝方法主要有；頂尖—頂尖；卡盤(pán)—頂尖；卡盤(pán)—中心架?？ūP(pán)—中心架多用于超機(jī)床規(guī)格磨絲杠。為了提高超長(zhǎng)滾珠絲杠安裝剛性，上述三種辦法都以絲杠外園為輔助基準(zhǔn)，采用輔助加上中心架。但中心架使用的不當(dāng)，會(huì)引起誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生超長(zhǎng)滾珠絲杠的變形，因此，中心架使用要盡量遵守以下原則：
中心架的安裝要與滾珠絲杠幾何精度檢驗(yàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則：按照滾珠絲杠副的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（該標(biāo)準(zhǔn)等效于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），滾珠絲杠幾何精度檢驗(yàn)是放在兩個(gè)等高的V型鐵上，V型鐵各距滾珠螺紋的兩端2倍節(jié)徑的距離。因此要求最靠近滾珠螺紋的兩端的中心架，安裝時(shí)也盡量在距兩端2倍節(jié)徑的距離上。
中心架的安裝要與滾珠絲杠行程精度檢驗(yàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則：在絲杠動(dòng)態(tài)檢查儀上檢驗(yàn)滾珠絲杠行程精度,絲杠的安裝是用頂尖—頂尖，輔助加上中心架的安裝形式，因此，中心架對(duì)絲杠的安裝位置的距離，要記下來(lái)告訴檢測(cè)中心，以便檢驗(yàn)滾珠絲杠行程精度時(shí)，照以上位置放中心架。
為盡量提高絲杠的安裝剛性，中心架的數(shù)量要盡可能多些，但過(guò)多數(shù)量的中心架，會(huì)增加輔助工時(shí)。一般中心架的數(shù)量按下述經(jīng)驗(yàn)選擇：公稱(chēng)直徑≤φ80的絲杠，每700mm左右用一個(gè)中心架，φ80＜公稱(chēng)直徑≤φ160，每1000mm左右用一個(gè)中心架的布置。并且為了調(diào)整方便，中心架的個(gè)數(shù)盡量用奇數(shù)。
中心架要盡量調(diào)整到頭、尾架中心線上，還要盡量保證絲杠不變形：辦法是以最靠近頭架一段外園為基準(zhǔn)，將絲杠上架中心架的各段外園及最靠近尾架一段外園的尺寸磨至同大,圓度要好，圓度在0.01左右，并且滾珠絲杠在頭、尾架頂尖上旋轉(zhuǎn)（不用中心架），各段外園的徑向跳動(dòng)要小，在0.02左右。再找正它們的上、側(cè)母線在0.01左右。
絲杠與中心架支撐塊的接觸長(zhǎng)度要達(dá)到1.5—2倍螺距；中心架調(diào)整好后，一定要將支撐塊緊固，以免磨削過(guò)程中，支撐塊的位置變動(dòng)；磨削螺紋開(kāi)始前，要記下各中心架之間絲杠的徑向跳動(dòng)值，作為磨削螺紋過(guò)程中，監(jiān)測(cè)絲杠是否變形，中心架工作是否可靠的依據(jù)。
滾珠絲杠的上、側(cè)母線找正好，絲杠被中心架托起后，特別是中間的中心架托起絲杠后，絲杠就會(huì)給頭、尾架頂尖施力，（如對(duì)滾珠絲杠副GQ10020×6000，此力可達(dá)3噸）因此，中心架調(diào)整好后，要適當(dāng)調(diào)整尾架手輪，避免絲杠被頂彎曲。但要注意，在松開(kāi)中心架以前，要適當(dāng)調(diào)整尾架手輪，保證絲杠不會(huì)掉下來(lái)。
在磨削過(guò)程中，操作者不能離開(kāi)崗位，要細(xì)心觀察火花，注意聽(tīng)磨削聲音，并且要經(jīng)常檢查各個(gè)中心架之間絲杠的徑向跳動(dòng)值，把這些值與磨削前記下的各個(gè)中心架之間絲杠的徑向跳動(dòng)值比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)徑向跳動(dòng)值變大，說(shuō)明絲杠彎曲變形大，須及時(shí)調(diào)整尾架上的手輪，避免絲杠被頂彎曲。并做好交班記錄，必要時(shí)要停止磨削，卸下絲杠，送校直、時(shí)效后再磨。
安排合適的工藝路線，選擇適當(dāng)?shù)那邢饔昧?；超長(zhǎng)滾珠絲杠的加工要分粗車(chē)、精車(chē)、淬火后粗磨、半精磨、精磨等多道工序加工，逐步提高超長(zhǎng)滾珠絲杠的精度。在保證質(zhì)量的前提下，選擇適當(dāng)?shù)那邢饔昧?，避免由于切削用量過(guò)大，將絲杠頂彎，特別是要注意避免由于磨削用量過(guò)大，產(chǎn)生磨削裂紋。
要保證絲杠熱處理的質(zhì)量；保證熱處理的質(zhì)量，特別是保證淬火后的金相組織，這對(duì)消除裂紋特別重要。此外，超長(zhǎng)滾珠絲杠的加工過(guò)程中，還安排多處熱處理的低溫時(shí)效處理和校直，這對(duì)減少絲杠殘余應(yīng)力和彎曲變形也很重要。

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