大直徑重載行星滾柱絲杠徑向鍛造塑性成形的探討

張大偉，張超，趙升噸

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049)

大直徑重載行星滾柱絲杠徑向鍛造塑性成形的探討

張大偉，張超，趙升噸

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049)

行星滾柱絲杠是一種新型的適用于高速、重載、高精度場(chǎng)合的滾動(dòng)功能部件，但其大直徑絲杠均采用切削加工方法制造，效率低、浪費(fèi)材料、影響絲杠機(jī)械性能。本文提出了利用徑向鍛造塑性成形大直徑重載行星滾柱絲杠的新工藝:連續(xù)進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠、間歇進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠。闡明了兩種工藝成形原理，推導(dǎo)了不同工藝過(guò)程中工件運(yùn)動(dòng)和鍛模的幾何參數(shù)及個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，比較了兩種徑向鍛造成形絲杠的迥異。本文提出的徑向鍛造工藝可推廣應(yīng)用到其他大直徑絲杠、螺桿等螺紋類零件。

徑向鍛造;行星滾柱絲杠;螺紋零件;大直徑;運(yùn)動(dòng)特征

0 前言

隨著航空、航天、兵器工業(yè)以及裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)越需要大推力、高速度、高精度、低噪聲的高性能、高壽命的滾動(dòng)功能部件，傳統(tǒng)的功能部件和生產(chǎn)方法已經(jīng)難以滿足新的使用要求。行星滾柱絲杠副(PRS，Planetary Roller Screw)是一種新型的傳動(dòng)部件，同滾珠絲杠副相比，行星滾柱絲杠副具有承載能力高、壽命長(zhǎng)、加速度和速度高、導(dǎo)程可更小等優(yōu)點(diǎn)，故其適合于高速、重載、精度要求高的場(chǎng)合［1-3］。

目前市場(chǎng)上的行星滾柱絲杠副以瑞典SKF、瑞士GSA、瑞士ROLLVIS等品牌的產(chǎn)品為主［4-6］，我國(guó)尚缺少高性能、高精度行星滾柱絲杠生產(chǎn)制造的核心關(guān)鍵技術(shù)。而現(xiàn)有的行星滾柱絲杠多采用切削加工方法生產(chǎn)，不僅效率低、浪費(fèi)材料，而且由于切斷金屬纖維從而降低了零件機(jī)械性能。采用無(wú)切削的體積成形方法成形該類零件，不僅成形效率高、節(jié)能、節(jié)材，是一種綠色制造技術(shù)，而且塑性變形可有效增加零件的表面強(qiáng)度，顯著提高產(chǎn)品的機(jī)械性能。

因此，本文基于已有的裝備、工藝基礎(chǔ)，探討解決行星滾柱絲杠的高效高性能成形制造問(wèn)題，構(gòu)建了徑向鍛造成形大直徑重型絲杠新工藝構(gòu)架，闡明了其成形原理，推導(dǎo)了成形過(guò)程中模具和鍛件應(yīng)滿足的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確定了工件運(yùn)動(dòng)特征和錘頭幾何參數(shù)及數(shù)目之間的關(guān)系。

1 行星滾柱絲杠研究現(xiàn)狀及現(xiàn)有加工工藝

同滾珠絲杠類似，行星滾柱絲杠也是一種可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化的傳動(dòng)裝置，它以滾柱的行星運(yùn)動(dòng)取代滾珠絲杠中的滾珠循環(huán)，用眾多滾柱的螺紋段來(lái)支撐負(fù)載。滾柱兩段齒輪保證行星運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，使?jié)L柱能在惡劣環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。標(biāo)準(zhǔn)型行星滾柱絲杠基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為長(zhǎng)絲杠、短螺母結(jié)構(gòu)，滾柱與螺母之間無(wú)軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of planetary roller screw

早在上個(gè)世紀(jì)40年代就出現(xiàn)了循環(huán)式滾柱絲杠的發(fā)明專利，隨后其結(jié)構(gòu)形式不斷豐富和完善，至上個(gè)世紀(jì)90年代行星滾柱絲杠副已發(fā)展成為較成熟的系列產(chǎn)品，在航空、航天、船舶、兵器、多自由度機(jī)器人等方面廣泛應(yīng)用。

行星滾柱絲杠裝配要求嚴(yán)格、成形制造困難，價(jià)格昂貴。瑞典、瑞士、美國(guó)、德國(guó)都有多家成規(guī)模的生產(chǎn)行星滾柱絲杠的企業(yè)。但高端產(chǎn)品和大部分的市場(chǎng)都被SKF、GSA、ROLLVIS等西方發(fā)達(dá)國(guó)家公司壟斷，其核心技術(shù)保密，很少見(jiàn)諸文獻(xiàn)報(bào)道。加州大學(xué)戴維斯分校的Velinsky等［2，7，8］闡述行星滾柱絲杠運(yùn)動(dòng)學(xué)、工作效率等方面的問(wèn)題，但并未涉及其成形制造。

國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)首先對(duì)行星滾柱絲杠進(jìn)行了研究［9］，隨后天津大學(xué)［10］、西北工業(yè)大學(xué)［11］都對(duì)行星滾柱絲杠工作原理展開(kāi)研究，但都未涉及到其成形制造。西安交通大學(xué)系統(tǒng)研究了行星滾柱絲杠副運(yùn)動(dòng)特征，確定了基本設(shè)計(jì)參數(shù)，采用傳統(tǒng)切削加工工藝制造出行星滾柱絲杠副，如圖2所示，并成功應(yīng)用于160 t壓力機(jī)上。然而這種加工方法浪費(fèi)材料、效率十分低下，成本高，滾柱零件質(zhì)量(螺紋齒輪相對(duì)位置)不穩(wěn)定，性能水平和使用壽命有待提高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而國(guó)外公開(kāi)的產(chǎn)品樣本中采用滾軋塑性成形方法制造的行星滾柱絲杠直徑小于45 mm［6］。

圖2 160t壓力機(jī)用行星滾柱絲杠副Fig.2Planetary roller screw for 160t press machine

采用減材(切削)加工制造行星滾柱絲杠，存在浪費(fèi)材料、加工工藝不穩(wěn)定、加工周期長(zhǎng)等問(wèn)題。尤其是高速、重載、高性能的行星滾柱絲杠成形質(zhì)量難以控制，產(chǎn)品性能、精度保持時(shí)間、使用壽命等不穩(wěn)定，不能很好地滿足高速、重載、低噪聲及工況惡劣情況下的使用要求。而徑向鍛造成形工藝是一種局部連續(xù)漸進(jìn)成形方法，不僅成形效率遠(yuǎn)大于切削加工，而且塑性變形可有效增加零件的表面強(qiáng)度，顯著提高產(chǎn)品的機(jī)械性能。

2 徑向鍛造成形大直徑絲杠

基于現(xiàn)有的徑向鍛造技術(shù)，提出了兩種徑向鍛造成型大直徑重載行星滾柱絲杠的方法:連續(xù)進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠和間歇進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠。在錘頭徑向鍛打過(guò)程中，連續(xù)進(jìn)給徑向鍛造成形工藝，成形工件邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)給;而間隙進(jìn)給徑向鍛造成形工藝，工件僅作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.1 連續(xù)進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠

成形原理如圖3所示，多個(gè)錘頭徑向同步鍛打，鍛打間隙工件旋轉(zhuǎn)送進(jìn)，送進(jìn)距離較小，成形過(guò)程中可根據(jù)要求更換機(jī)械手夾持端。錘頭具有螺紋形狀特征，多個(gè)錘頭的螺紋形狀連接組成和所成形絲杠相匹配的內(nèi)螺紋面。

圖3 連續(xù)進(jìn)給徑向鍛造成形原理圖Fig.3Basic forming principle of continuous feeding radial forging

鍛打間隙工件旋轉(zhuǎn)角度為θc，送進(jìn)距離為lc，為了使錘頭多次鍛打成形的螺紋能夠相互銜接，二者之間的關(guān)系應(yīng)滿足

式中，P為所成形絲杠的導(dǎo)程。

工件旋轉(zhuǎn)角速度ω和軸向進(jìn)給速度v應(yīng)滿足

一般旋轉(zhuǎn)角度θc應(yīng)在式(3)范圍內(nèi)選擇

式中，N為徑向鍛造錘頭數(shù)目。

以四錘頭徑向鍛造成形過(guò)程為例，其絲杠徑向鍛造成形過(guò)程如圖4所示。工件邊旋轉(zhuǎn)邊送進(jìn)，錘頭打擊鍛造，使工件上成形絲杠段2/3～ 3/4部分成形出螺紋形狀;之后機(jī)械手夾持工件另一端，原夾持機(jī)械手松開(kāi)并退出，工件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并送進(jìn)，錘頭不斷打擊、提起，使工件上成形絲杠段未成形部分成形出螺紋形狀。

圖4 連續(xù)徑向進(jìn)給鍛造成形絲杠過(guò)程示意圖Fig.4Continuous feeding radial forging forming process for PRS

2.2 間歇進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠

成形原理如圖5所示，工件旋轉(zhuǎn)，多個(gè)錘頭徑向同步鍛打，錘頭打擊范圍內(nèi)成形螺紋形狀后，工件快速送進(jìn)并旋轉(zhuǎn)一定角度，在新的成形區(qū)內(nèi)，工件旋轉(zhuǎn)，錘頭徑向鍛打，直至成形所要求長(zhǎng)度的絲杠?？焖偎瓦M(jìn)距離不大于錘頭有效長(zhǎng)度，成形過(guò)程中可根據(jù)要求更換機(jī)械手夾持端。錘頭應(yīng)具有內(nèi)螺紋形狀特征，多個(gè)錘頭的螺紋形狀連接組成和所成形絲杠相匹配的內(nèi)螺紋面。

圖5 間歇進(jìn)給徑向鍛造成形原理圖Fig.5Basic forming principle of intermittent feeding radial forging

工件間歇送進(jìn)距離li不大于錘頭有效長(zhǎng)度la，即

為了使先后徑向鍛造區(qū)域的螺紋能夠銜接上，工件間歇送進(jìn)的同時(shí)或間歇送進(jìn)后徑向鍛打前工件應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度φ，旋轉(zhuǎn)角度φ應(yīng)滿足

徑向鍛造時(shí)，工件僅作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了使不同錘頭鍛打成形的螺紋能夠銜接，工件旋轉(zhuǎn)角度θi應(yīng)滿足

式中，n為所成形絲杠的頭數(shù)。

同時(shí)為了保證工件周向不留鍛造死角，完全成形螺紋形狀，工件旋轉(zhuǎn)角度θi應(yīng)同時(shí)滿足

以四錘頭徑向鍛造成形過(guò)程為例，其絲杠徑向鍛造成形過(guò)程如圖6所示。工件間歇送進(jìn)，錘頭打擊鍛造，使工件上成形絲杠段2/3～3/4部分成形出螺紋形狀;機(jī)械手夾持工件另一端，原夾持機(jī)械手松開(kāi)并退出，工件間歇送進(jìn)，錘頭徑向打擊，完成整個(gè)絲杠的成形。

圖6 間歇徑向進(jìn)給鍛造成形絲杠過(guò)程示意圖Fig.6Intermittent feeding radial forging forming process for PRS

2.3 兩種成形工藝的比較

連續(xù)徑向鍛造和間歇徑向鍛造成形絲杠所用的模具結(jié)構(gòu)是相同的，如圖7所示。多個(gè)錘頭的螺紋形狀連接組成和所成形絲杠相匹配的內(nèi)螺紋面，對(duì)錘頭軸向位置精度和鍛打同步性要求都比較高。由于連續(xù)徑向鍛造成形絲杠時(shí)軸向送進(jìn)距離lc遠(yuǎn)小于間歇送進(jìn)徑向鍛造成形絲杠時(shí)的軸向送進(jìn)距離li，因此前者錘頭具有螺紋形狀特征的有效長(zhǎng)度la可小于后者錘頭上螺紋段長(zhǎng)度。

圖7 錘頭結(jié)構(gòu)Fig.7Structure of forging die

同樣由于連續(xù)徑向鍛造軸向送進(jìn)距離較小，塑性變形區(qū)域較小，因此成形載荷較小。但進(jìn)給量小、旋轉(zhuǎn)角度下，控制精度要求高。相比之下間隙進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠時(shí)，接觸變形區(qū)域就大了許多，成形載荷也會(huì)顯著增加，可能是前者成形過(guò)程的數(shù)倍或十幾倍以上。但是間歇徑向鍛造成形的效率遠(yuǎn)大于連續(xù)徑向鍛造成形。根據(jù)公式(6)和(7)，間歇進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠的規(guī)格范圍受到限制，連續(xù)徑向鍛造成形絲杠規(guī)格范圍更廣泛。

由于絲杠零件徑向鍛造成形過(guò)程中塑性變形僅發(fā)生在工件表層區(qū)域，因此還可將上述兩種徑向鍛造工藝和中高頻感應(yīng)加熱相結(jié)合，以成形采用變形抗力大、硬度高、難變形材料的絲杠零件。

3 結(jié)論

基于現(xiàn)有的徑向鍛造技術(shù)，提出了兩種徑向鍛造成型大直徑重載行星滾柱絲杠的方法。根據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)和不同成形工藝中工件運(yùn)動(dòng)特征，確定了工件軸向送進(jìn)距離、軸向送進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)角速度等參數(shù)和所成形絲杠幾何參數(shù)、錘頭數(shù)目、模具結(jié)構(gòu)等參數(shù)之間的關(guān)系。相對(duì)于間歇進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠，連續(xù)進(jìn)給徑向鍛造成形絲杠成形載荷小、加工范圍廣，但效率低、控制精度要求高。

［1］劉更，馬尚君，佟瑞庭，等.行星滾柱絲杠副的新發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2012，36(5):103 -108.

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Discussion of plastic forming process for large diameter planetary roller screw using radial forging

ZHANG Da-wei，ZHANG Chao，ZHAO Sheng-dun
(School of Mechanical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

The planetary roller screw(PRS)is a new mechanical transmission device that is suitable for the working conditions of high-speed，heavy-load and high-precision.However，the large diameter screw in PRS is generally manufactured by machining process.Since the machining process leads to low efficiency，waste of material and poor mechanical properties，a new process using radial forging to plastic form the large diameter PRS was described in this paper，which including continuous feeding radial forging forming and intermittent feeding radial forging forming.The basic forming principles of the two kinds of radial forging processes were illuminated，and the relationship between the movement of workpiece and the geometric parameters and number of forging dies were deduced.The differences between two kinds of radial forging processes were also compared.The radial forging processes presented in this paper can be applied to other large diameter threaded parts.

radial forging;planetary roller screw;threaded parts;large diameter;movement feature

TG316

A

1001-196X(2014)06-0014-05

2014-04-28;

2014-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51335009);國(guó)家自然科學(xué)基金(51305334);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(XJJ2013035);西安交通大學(xué)“新教師科研支持計(jì)劃”資助項(xiàng)目。

張大偉(1982-)，男，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。