行星滾柱絲杠副滾柱塑性成形的探討

張大偉　趙升噸

西安交通大學(xué)，西安，710049

行星滾柱絲杠副滾柱塑性成形的探討

張大偉趙升噸

西安交通大學(xué)，西安，710049

分析了現(xiàn)有的滾柱零件生產(chǎn)工藝和可能采用的塑性成形方法，提出并探討了一種適于滾柱零件批量化生產(chǎn)的螺紋和花鍵同步滾壓精確塑性成形新方法。數(shù)值研究表明該成形工藝是可行的，該工藝可進(jìn)一步應(yīng)用于具有類似特征的軸類零件的高效精確成形制造。

行星滾柱絲杠；滾柱零件；滾壓；塑性成形

0　引言

滾珠絲杠副主要由絲杠、滾珠、螺母等組成，它以循環(huán)的滾珠作為傳動(dòng)體，以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，具有傳動(dòng)效率高(90%以上)、傳動(dòng)可逆、同步性好等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)床的基本功能部件[1-2]。航空、航天、兵器工業(yè)以及裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，越來越需要大推力、高速度、高精度的傳動(dòng)部件。行星滾柱絲杠(planetary roller screw,PRS)是一種新型的傳動(dòng)部件，行星滾柱絲杠同樣以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，其傳動(dòng)效率與滾珠絲杠傳動(dòng)效率相當(dāng)，明顯優(yōu)于滑動(dòng)絲杠。同滾珠絲杠相比，行星滾柱絲杠具有承載能力高、壽命長(zhǎng)、加速度和速度高、導(dǎo)程可更小等優(yōu)點(diǎn)，故適合于高速、重載、精度要求高的場(chǎng)合，在光學(xué)儀器、機(jī)器人、高精度數(shù)控機(jī)床中都有廣泛的應(yīng)用[3-5]。

行星滾柱絲杠同滾珠絲杠類似，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。一般的行星滾柱絲杠有兩類：標(biāo)準(zhǔn)型和反向式。標(biāo)準(zhǔn)型行星滾柱絲杠為長(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)。反向式行星滾柱絲杠為短絲杠、長(zhǎng)螺母結(jié)構(gòu)，滾柱與絲杠之間無(wú)軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。行星滾柱絲杠主要由絲杠、滾柱、螺母等構(gòu)成，在行星滾柱絲杠副中小滾柱數(shù)量眾多(每一對(duì)螺母和絲杠之間需常要6～12個(gè)小滾柱)，且形狀極為復(fù)雜。

行星滾柱絲杠副中螺母與大絲杠之間均布多個(gè)小滾柱，眾多滾柱同時(shí)承受負(fù)載。滾柱是行星滾柱絲杠副中傳遞載荷的關(guān)鍵零件，其加工制造工藝及質(zhì)量影響著行星滾柱絲杠副的裝配和總體性能實(shí)現(xiàn)。目前，行星滾柱絲杠副中的滾柱零件多采用切削加工方法生產(chǎn)。傳統(tǒng)的切削制造方式加工工序復(fù)雜、生產(chǎn)效率極低、機(jī)械性能差。采用現(xiàn)有塑性成形工藝成形滾柱零件，仍然需要多個(gè)工序先后成形螺紋和花鍵(或齒輪)，存在成形時(shí)間長(zhǎng)、成形質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。而在一次滾壓成形中同時(shí)滾壓成形螺紋和花鍵，可以克服這些問題，實(shí)現(xiàn)高性能、高精度零件的低成本、短周期、低能耗的成形制造。

1　滾柱零件結(jié)構(gòu)及功能

行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)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支撐負(fù)載。因此，行星滾柱絲杠在高速、重載、環(huán)境惡劣等場(chǎng)合的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢(shì)，而且行星滾柱絲杠的導(dǎo)程可以比滾珠絲杠的導(dǎo)程更小。當(dāng)導(dǎo)程很小時(shí)，滾珠絲杠承載能力有限，而行星滾柱絲杠仍具有很高的承載能力，導(dǎo)程為1～2 mm時(shí)，行星滾柱絲杠的承載能力約為滾珠絲杠的20倍[4]。表1從承載能力、旋轉(zhuǎn)速度、壽命、導(dǎo)程、滾動(dòng)體受力狀態(tài)及離心力等方面對(duì)比分析了行星滾柱絲杠和滾珠絲杠[5-7]。

表1　行星滾柱絲杠和滾珠絲杠比較

行星滾柱絲杠副中螺母絲杠之間均布6～12個(gè)小滾柱(Velinsky等[3]認(rèn)為9或13個(gè)滾柱)，滾柱承受負(fù)載，其結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜如圖1c所示，中部為螺紋段，兩端為小模數(shù)花鍵或齒輪。滾柱零件中傳遞載荷元件為滾柱螺紋段，滾柱兩端花鍵或齒輪同螺母內(nèi)固定齒圈嚙合(標(biāo)準(zhǔn)型PRS)或者同絲杠兩端的花鍵或齒輪嚙合(反向式PRS)，確保滾柱軸向平行，容易保證滾柱在惡劣環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(a)標(biāo)準(zhǔn)型PRS(b)反向式PRS

(c)滾柱零件圖1　行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)

行星滾柱絲杠副的運(yùn)動(dòng)特征是螺紋嚙合和花鍵(齒輪)嚙合的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，加之螺母絲杠之間的滾柱數(shù)目較多，從而導(dǎo)致行星滾柱絲杠裝配難度較大。如果不能保證行星滾柱絲杠副中每個(gè)滾柱的切齒位置在螺紋的同一起點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生螺紋嚙合和花鍵或齒輪嚙合的相位沖突問題[5]。滾柱零件的加工工藝和加工質(zhì)量決定著行星滾柱絲杠副的裝配難度成功與否，影響著行星滾柱絲杠整體性能的實(shí)現(xiàn)。

2　滾柱零件現(xiàn)有加工工藝

目前行星滾柱絲杠副中的滾柱零件多采用切削加工方法生產(chǎn)，一般先車削螺紋，然后用插齒方法加工花鍵或齒輪。采用傳統(tǒng)的切削方法加工成形滾柱零件，需要多組刀具和機(jī)床先后不同時(shí)間分別加工螺紋和花鍵，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)切削的滾壓成形螺紋、花鍵零件，不僅成形效率高、節(jié)能、節(jié)材，并且塑性變形可有效增加零件的表面強(qiáng)度[8]。螺紋、花鍵冷滾壓成形工藝通常有板式冷搓和輪式滾壓兩種加工法，但是板式冷搓成形難以加工直徑較大的零件，并且機(jī)床調(diào)整比較復(fù)雜，成形零件精度也低于輪式滾壓成形精度[9-10]。

采用現(xiàn)有的滾壓成形工藝滾壓成形同時(shí)具有螺紋和花鍵齒形特征，仍然是不同時(shí)間內(nèi)分別成形螺紋和花鍵。一種方法是多個(gè)工步多臺(tái)設(shè)備分別成形螺紋和花鍵，另一種方法是一臺(tái)設(shè)備安裝兩種模具，先后分別成形螺紋和花鍵，這些會(huì)增加成形時(shí)間，增加滾壓設(shè)備的尺寸和復(fù)雜程度。

現(xiàn)有方法成形螺紋、花鍵同軸零件的比較分析如表2所示。不論采用切削或滾壓成形，都是在不同時(shí)間內(nèi)分別成形螺紋和花鍵(或齒輪)特征。目前切削加工、無(wú)切削的塑性成形在同時(shí)帶有螺紋和花鍵的軸類零件的實(shí)際生產(chǎn)中都存在一定的應(yīng)用范圍，但是在批量成產(chǎn)中都存在成本高、效率低等問題，并且也難以保證螺紋花鍵相對(duì)位置的一致性，難以滿足高性能、高精度零件的成形制造需要。

表2　同時(shí)具有螺紋和花鍵特征零件加工方法比較

3　同步滾壓精確成形滾柱零件

3.1成形原理

基于現(xiàn)有的螺紋、花鍵滾壓成形技術(shù)，提出了一種滾柱零件塑性成形新工藝，在一次滾壓成形中同時(shí)成形滾柱的螺紋段和花鍵(齒輪)段，如圖2所示。其成形原理為：帶有成形模具的一對(duì)滾輪，安裝在兩傳動(dòng)主軸上，成形模具由螺紋牙形段和花鍵齒形段構(gòu)成；兩主軸做同步、同方向旋轉(zhuǎn)，一軸或兩軸同時(shí)做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件反向旋轉(zhuǎn)；同時(shí)滾壓成形滾柱零件不同部位的螺紋和花鍵。

圖2　滾柱零件一次滾壓成形原理圖

螺紋嚙合可等效處理為螺旋齒輪副嚙合[11]。因此零件花鍵部分的齒數(shù)Z、零件螺紋部分的螺紋頭數(shù)n、滾壓模具上相應(yīng)的花鍵段的齒數(shù)Z2、滾壓模具上相應(yīng)的螺紋段的螺紋頭數(shù)n2，應(yīng)滿足下式：

(1)

在一次滾壓成形中，同時(shí)成形螺紋和花鍵，不僅有效地縮短了成形零件的時(shí)間，而且可以在現(xiàn)有滾壓成形設(shè)備結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)這個(gè)成形過程，同時(shí)在此過程中螺紋段的嚙合可促進(jìn)工件旋轉(zhuǎn)，從而提高花鍵段的分齒精度。該成形過程高效、節(jié)能、節(jié)材且成形質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)度、高精度滾柱零件的生產(chǎn)要求，特別易于保證螺紋和花鍵相對(duì)位置穩(wěn)定。而螺紋和花鍵相對(duì)位置一致性是行星滾柱絲杠副中避免螺紋嚙合同齒輪嚙合相位沖突的基本條件[5]。

此外在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速器等中也存在類似的同時(shí)帶有螺紋和花鍵或小模數(shù)齒輪的軸類零件，如圖3所示，該類零件往往是傳遞力和扭矩的關(guān)鍵軸類零件。反向式行星滾柱絲杠副中絲杠(圖1b)也同時(shí)帶有螺紋和花鍵或小模數(shù)齒輪。利用滾壓塑性變形同時(shí)成形小滾柱螺紋和花鍵齒形新工藝，也可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于該類零件的少切削或無(wú)切削高效精確成形制造。

(a)轉(zhuǎn)向軸

(b)變速器輸出軸圖3　汽車上同時(shí)具有螺紋和花鍵的典型零件

表2從成形過程特征、采用設(shè)備數(shù)量、設(shè)備復(fù)雜程度、成形時(shí)間等方面列表比較螺紋和花鍵同軸零件不同加工方法的特點(diǎn)。由表2分析可知，現(xiàn)有方法都是在不同時(shí)間內(nèi)成形不同的形狀特征，一般需要相應(yīng)的多臺(tái)設(shè)備。當(dāng)在同一臺(tái)設(shè)備成形不同形狀特征時(shí)，設(shè)備的尺寸和復(fù)雜程度都增加，并且難以保證螺紋花鍵的相對(duì)位置穩(wěn)定一致。而螺紋花鍵同步成形技術(shù)能在同一時(shí)間內(nèi)成形螺紋和花鍵，需要設(shè)備數(shù)量少并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成形時(shí)間更短，并能易于保證螺紋和花鍵相對(duì)位置一致性。

3.2數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)通過在計(jì)算機(jī)上虛擬實(shí)現(xiàn)成形過程，不僅可以準(zhǔn)確描述材料性能和變形行為，還可以獲取成形過程詳細(xì)的場(chǎng)變量信息[12]。而且隨著計(jì)算機(jī)和CAE技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬已成為分析、優(yōu)化復(fù)雜成形問題之高效、經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)有力工具之一。本節(jié)對(duì)3.1節(jié)描述的工藝過程進(jìn)行了有限元分析，初步分析該工藝成形特征，探討該成形工藝的可行性。

標(biāo)準(zhǔn)漸開線花鍵冷滾壓成形過程最大接觸比小于或稍大于1[13]，可考慮花鍵齒形的對(duì)稱性、滾壓過程中相關(guān)參數(shù)的周期性，對(duì)模型進(jìn)行周期對(duì)稱處理[13-14]。然而螺紋形狀在周向不是對(duì)稱的，難以按照文獻(xiàn)[13-14]的有限元建模方法進(jìn)行簡(jiǎn)化。因此本文在文獻(xiàn)[13-14]有限元模型的基礎(chǔ)上，在DEFORM軟件環(huán)境下發(fā)展了完全的整體構(gòu)件3D有限元模型。成形過程為室溫下的冷成形，變形材料為AISI-1045，摩擦因子為0.12。

花鍵滾壓滾成形過程中接觸是不連續(xù)的，接觸面積是波動(dòng)變化的[15]，因此花鍵滾壓成形過程中的載荷是波動(dòng)的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10]也證明了這一點(diǎn)。由于加載變形區(qū)同整體工件相比微小，加載模具徑向進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)耦合，有限元分析中可能會(huì)導(dǎo)致有限元單元的內(nèi)力出現(xiàn)波動(dòng)。有限元模擬成形過程中的兩個(gè)滾壓模具的滾壓力變化如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)滾壓力數(shù)據(jù)存在較大的波動(dòng)。

圖4　成形過程的滾壓力

從圖4可以看出徑向滾壓力遠(yuǎn)大于切向力，徑向是主要變形方向。當(dāng)滾壓模具徑向進(jìn)給結(jié)束后，壓縮量逐漸降至零，隨后進(jìn)入精整階段。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，滾壓模具徑向進(jìn)給結(jié)束后，滾壓力壓開始下降。

滾柱螺紋段和花鍵段同步滾壓成形后的應(yīng)變場(chǎng)分布如圖5所示。從圖5可以看出，塑性變形僅發(fā)生在成形螺紋和花鍵的部分區(qū)域，其他部分幾乎沒有塑性變形；而且劇烈的塑性變形僅發(fā)生在這些區(qū)域的表層。滾壓成形后的滾柱零件形狀(圖5)表明，該成形工藝可以同時(shí)滾壓成形工件上螺紋牙型和花鍵齒型。

圖5　滾壓成形后的應(yīng)變場(chǎng)

4　結(jié)論

(1)滾柱零件中部為螺紋段，兩端為小模數(shù)花鍵或齒輪，滾柱零件中傳遞載荷元件為滾柱螺紋段，滾柱兩端花鍵或齒輪確保滾柱軸向平行。滾柱零件的加工工藝和加工質(zhì)量決定著行星滾柱絲杠副的裝配和整體性能的實(shí)現(xiàn)。

(2)滾柱零件上的螺紋段和花鍵段同步滾壓成形是一種高效、節(jié)能、節(jié)材、成形質(zhì)量穩(wěn)定的精確塑性成形新工藝。數(shù)值研究表明，該成形新工藝可以同時(shí)滾壓成形滾柱零件上螺紋牙型和花鍵齒型。該精確塑性成形新工藝易于保證螺紋和花鍵相對(duì)位置穩(wěn)定，有利于避免行星滾柱絲杠副中相位沖突問題。

(3)利用滾壓塑性變形同時(shí)成形滾柱螺紋和花鍵齒型新工藝，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于反向式行星滾柱絲杠副中大直徑絲杠以及具有類似特征的軸類零件的少切削或無(wú)切削高效精確成形制造。

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(編輯郭偉)

Discussion of Plastic Forming for Roller in PRSs

Zhang DaweiZhao Shengdun

Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049

The existing production process of roller parts in PRS was analyzed, and the possibility of existing plastic forming processes using to manufacture roller was discussed. A new plastic forming process for mass manufacture of rollers was introduced, where the thread and spline shapes of the roller were formed by simultaneously rolling. The feasibility of the new plastic forming process was investigated by numerical simulation, and this process was also suitable for high efficiency precision manufacture of shaft part with similar features.

planetary roller screw(PRS); roller part; rolling; plastic forming

2013-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305334)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(51335009)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M530420)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XJJ2013035)

TG335DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.017

張大偉，男，1982年生。西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。主要研究方向先進(jìn)加工工藝及設(shè)備。發(fā)表論文30余篇。趙升噸，男，1962年生。西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。