滾珠絲杠副外滾道研磨工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究*

林 成，王禹林，歐 屹，馮虎田

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

滾珠絲杠副是一種實(shí)現(xiàn)定位與傳動(dòng)的裝置，是常用的精密滾動(dòng)功能部件，而研磨是一種重要的精密加工方法，可以有效的提高滾珠絲桿的精度和綜合性能[1]，目前研磨工藝主要分為自由磨粒研磨和固結(jié)研磨，可加工各類金屬材料和非金屬材料[2-5]。隨著研磨工藝的進(jìn)一步發(fā)展，近年來也出現(xiàn)了磁力研磨、超聲振動(dòng)輔助研磨等新型研磨方法[6-7]。

但是對于絲杠的高精研磨，由于滾道表面的幾何復(fù)雜性，目前還沒有通用的絲杠研磨裝置，同時(shí)國際先進(jìn)絲杠制造企業(yè)出于技術(shù)保密，市場上也缺乏自動(dòng)化的絲杠研磨設(shè)備。多數(shù)情況下絲杠研磨仍然依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員手工完成，耗時(shí)長，效率低下。Guevarra D S等曾提出了適用于絲杠的研磨裝置，設(shè)計(jì)了絲杠研磨系統(tǒng)并進(jìn)行了研磨試驗(yàn)，結(jié)果表明，絲杠研磨系統(tǒng)可以有效的改善絲杠行程誤差[8-9]。然而Guevarra D S等所做研磨試驗(yàn)的絲杠規(guī)格較小，其公稱直徑為14mm，導(dǎo)程為2mm，有效螺紋長度為260mm，且缺乏研磨工藝參數(shù)對滾道表面質(zhì)量和綜合性能的影響規(guī)律的進(jìn)一步研究。

目前關(guān)于研磨工藝參數(shù)的影響規(guī)律及優(yōu)化，不少學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)的研究。關(guān)佳亮針對鋁合金手機(jī)外殼，通過優(yōu)化研磨壓力、研拋盤轉(zhuǎn)速、研磨墊質(zhì)地和硬度、磨料磨粒大小等參數(shù)的匹配，得到了改善加工表面質(zhì)量的工藝參數(shù)[10]。盧志偉針對止推氣浮軸承工作表面進(jìn)行研磨拋光，對研磨盤轉(zhuǎn)速、研磨壓力、磨料種類及粒度進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，得到了優(yōu)化的研磨工藝[11]。上述研究可以有助于我們深入理解研磨工藝及研磨工藝參數(shù)的影響規(guī)律，但是針對滾珠絲杠滾道研磨工藝，目前還缺乏相關(guān)研磨工藝參數(shù)對滾珠絲杠行程誤差、表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響的進(jìn)一步研究。

本文針對滾珠絲杠滾道研磨工藝，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，運(yùn)用極差法分析研磨力矩、磨粒大小、研磨轉(zhuǎn)速和研磨周期等工藝參數(shù)對絲杠行程誤差、表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了研磨力矩、磨粒大小、研磨轉(zhuǎn)速和研磨周期等工藝參數(shù)，并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的研磨工藝參數(shù)對改善滾珠絲杠的滾道表面質(zhì)量和綜合性能的有效性。

1 滾珠絲杠研磨系統(tǒng)

試驗(yàn)所用絲杠研磨工裝示意圖如圖1所示。端蓋6與研磨外套3以螺紋配合，旋轉(zhuǎn)螺紋端蓋6使拉壓力傳感器產(chǎn)生軸向位移，壓縮聚氨酯彈性體8軸向長度，使其沿半徑方向膨脹，進(jìn)而將研磨壓力傳遞給聚氨酯緩沖體9，再作用于柔性研磨螺母2。柔性研磨螺母2從兩端面切出三條均布的縫隙，形成一個(gè)六片式的研磨螺母，以使柔性研磨螺母受力后易于變形，在聚氨酯緩沖體的作用下與滾珠絲杠外滾道接觸。

1.滾珠絲杠 2.柔性研磨螺母 3.研磨外套4.拉壓力傳感器支撐架 5.LCM300拉壓力傳感器 6.壓力螺紋端蓋 7.拉壓力傳感器支撐球 8.聚氨酯彈性體 9.聚氨酯緩沖體 10.外套底座圖1 研磨工裝裝配圖

研磨實(shí)驗(yàn)中，將研磨工裝與待研絲杠裝配，一端通過三爪卡盤與伺服電機(jī)相連，另一端通過頂尖固定在尾架上。試驗(yàn)前將磨粒與煤油按3：1的比例調(diào)節(jié)好，均勻的涂覆于絲杠滾道表面，再利用螺紋端蓋的自鎖性，通過旋轉(zhuǎn)螺紋端蓋一定的角度給聚氨酯彈性體施加一個(gè)穩(wěn)定的壓力，同時(shí)表現(xiàn)在合適的摩擦力矩上。研磨的過程中，安裝在工作臺上的隨動(dòng)支撐裝置與絲杠滾道接觸，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋可實(shí)現(xiàn)支撐裝置的上下移動(dòng)，隨動(dòng)支撐可減少由于絲杠研磨裝置的重力產(chǎn)生的彎矩影響。同時(shí)端蓋上的螺栓可作用于托架上的壓力傳感器裝置，可進(jìn)一步測得研磨時(shí)的摩擦力矩，通過軟件的設(shè)置可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的正反轉(zhuǎn)，通過限位開關(guān)可以控制研磨長度。

2 滾珠絲杠研磨正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠滾道的精密研磨，需要合理的選擇研磨的工藝方案。根據(jù)研磨工藝分析，影響絲杠滾道研磨質(zhì)量的工藝參數(shù)有摩擦力矩、研磨顆粒大小、研磨轉(zhuǎn)速、研磨時(shí)間、磨粒種類、研磨混合劑和磨粒與混合劑的比例等，若正交試驗(yàn)考慮因素過多，試驗(yàn)次數(shù)增多，試驗(yàn)材料準(zhǔn)備難度及試驗(yàn)成本增加，特別是試驗(yàn)時(shí)間將過長，難以承受。試驗(yàn)前認(rèn)為研磨摩擦力矩、研磨轉(zhuǎn)速、磨粒大小、研磨時(shí)間等4個(gè)因素較為重要，因此考慮這4種因素的正交試驗(yàn)，每個(gè)工藝參數(shù)取3個(gè)水平，分析各工藝參數(shù)對滾珠絲杠的行程誤差、外滾道殘余應(yīng)力、外滾道表面粗糙度的影響。4因素3水平的正交表如表1所示(每個(gè)研磨周期代表來回研磨6次)。試驗(yàn)時(shí)保持研磨磨粒為綠碳化硅不變，采用煤油與磨粒混合，其質(zhì)量比為3：1。

表1 滾珠絲杠正交研磨試驗(yàn)表

試驗(yàn)所用滾珠絲杠為同一批次原材料加工制得，規(guī)格為4010磨削絲杠：公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm，有效螺紋長度為1050mm，盡量減少了不同批次造成的影響。對九根絲杠初始的行程誤差、殘余應(yīng)力和表面粗糙度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如表2所示，其中行程誤差采用3米激光試驗(yàn)臺，殘余應(yīng)力使用X射線應(yīng)力測定儀測量，表面粗糙度的測量在Taylor Hobson白光干涉儀上完成，需要說明的是經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，絲杠經(jīng)過研磨后左右滾道差異很小，現(xiàn)以右滾道為代表，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。

表2 絲杠初始參數(shù)值

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 行程誤差結(jié)果與分析

比較表3極差分析的極差值可以得出，各工藝參數(shù)對絲杠滾道全程變動(dòng)量的影響程度從大到小依次為研磨力矩、綠碳化硅磨粒大小、研磨周期、研磨轉(zhuǎn)速；對磨后V2π的影響程度由大到小的排列順序?yàn)椋貉心チ?研磨轉(zhuǎn)速>綠碳化硅磨粒大小>研磨周期。由圖2可以看出，試驗(yàn)編號1、2、3的絲杠的全程變動(dòng)量Vu和1～6絲杠的V2π經(jīng)過研磨后有了一定程度的改善，其中全程變動(dòng)量由7.17μm下降為4.56μm，下降36.4%，2π變動(dòng)量由2.68μm下降為1.91μm，下降28.7%，說明較小的研磨力矩參數(shù)對改善絲杠行程誤差很關(guān)鍵。試驗(yàn)編號7、8、9絲杠的磨后V2π和Vu均明顯變差，Vu由初始的7.14μm增大到21.79μm，V2π由初始的2.56μm增加到8.69μm，這主要是由于3.5 N·m的研磨力矩過大，磨粒對絲杠起反作用，破壞了滾珠絲杠精度，所以研磨過程中應(yīng)該避免使用過大的研磨力矩。

表3 磨后滾道全程變動(dòng)量Vu和2π變動(dòng)量V2π正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與極差分析

圖2 磨后行程變動(dòng)量Vu和V2π變化

3.2 殘余應(yīng)力結(jié)果及分析

表面殘余應(yīng)力的增加可有效提高滾珠絲杠的疲勞壽命[12]，是正交研磨試驗(yàn)的重要評價(jià)指標(biāo)之一。由表2可知研磨前絲杠滾道的殘余應(yīng)力基本在-150MPa～-200MPa之間。如圖3所示，經(jīng)過研磨后，絲杠表面殘余應(yīng)力均有著不同程度的改善，其中試驗(yàn)8的殘余應(yīng)力達(dá)到了-603MPa左右，以殘余應(yīng)力值為指標(biāo)，數(shù)值越小越好。且變化趨勢表明，磨粒越粗、研磨力矩越大、研磨時(shí)間越長，那么殘余壓應(yīng)力越大，這是由于上述3個(gè)因素越大可導(dǎo)致磨粒對絲杠滾道表面微切削、梨耕及壓痕作用更顯著，絲杠外滾道表面塑性變形越嚴(yán)重，使得殘余壓應(yīng)力增大，有利于延長絲杠的使用壽命。

圖3 磨后殘余應(yīng)力RS變化

3.3 表面粗糙度結(jié)果及分析

對滾道磨后表面粗糙度進(jìn)行正交分析，如圖4所示，經(jīng)過研磨后，絲杠表面的粗糙度基本沒有改善，其中第4、6、7、8、9根絲杠的表面粗糙度甚至大幅度惡化了，粗糙度從1μm增大到3μm左右，這主要是因?yàn)檫^大的研磨力矩和研磨顆粒會(huì)導(dǎo)致磨粒對表面產(chǎn)生微切削、梨耕、壓痕作用，這些作用會(huì)使表面產(chǎn)生的坑洼分布不均，反使表面粗糙度增加。

圖4 磨后表面粗糙度Ra變化

4 絲杠研磨參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 綜合評分法

絲杠的研磨工藝能有效增加滾道表面殘余應(yīng)力，因此若依單指標(biāo)極差分析，則將殘余應(yīng)力作為最主要的考慮指標(biāo)，由前文殘余應(yīng)力極差分析可知研磨工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為C1A3D3B2(磨粒大小為W14(#600)、研磨力矩為3.5 Nm、研磨試驗(yàn)為3周期、研磨轉(zhuǎn)速為30rpm)，具體含義見表4，但此時(shí)摩擦力矩過大，會(huì)存在行程誤差過差的問題。

表4 滾珠絲杠研磨參數(shù)釋義表

因此為具體衡量多指標(biāo)的影響程度，采用綜合評分法，將各個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一為1～10分，便于數(shù)學(xué)分析。指標(biāo)換算具體操作為，將某個(gè)指標(biāo)中最好的數(shù)值設(shè)為10，最差的數(shù)值設(shè)為1，其余的數(shù)值按比例，換算成1～10之間的數(shù)值。

例如，滾道殘余應(yīng)力指標(biāo)中，試驗(yàn)號8最好(-603.5MPa)，設(shè)為10分，試驗(yàn)號5最差(-202.5MPa)，設(shè)為1分，其余試驗(yàn)號對應(yīng)指標(biāo)按比例換算，如試驗(yàn)號1為-280.9MPa，則對應(yīng)的分?jǐn)?shù)為1+(280.9-202.5)/[(603.5-202.5)/9]=2.760分。

為綜合考慮殘余應(yīng)力RS、粗糙度Ra及行程誤差Vu、V2π的影響，綜合指標(biāo)Z1按式(1)所示，由于殘余應(yīng)力為主要考慮指標(biāo)，為突出殘余應(yīng)力指標(biāo)的影響，其權(quán)重設(shè)為2，其余指標(biāo)權(quán)重均為1：

Z1=2RS+Ra+Vu+V2π

(1)

將滾道各指標(biāo)均轉(zhuǎn)換為1～10分，按上式相加得到綜合指標(biāo)Z1，并對綜合指標(biāo)Z1進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5所示。其中A代表摩擦力矩，B代表研磨轉(zhuǎn)速，C代表磨粒大小，D代表研磨周期?？梢园l(fā)現(xiàn)以Z1為指標(biāo)，滾珠絲杠滾道的最優(yōu)工藝參數(shù)組合均為A1C1B2D3。

表5 依綜合評分法綜合指標(biāo)計(jì)算

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證最優(yōu)水平組合，進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)方案的研磨參數(shù)如下：取摩擦力矩1.5Nm，研磨顆粒大小為W7(#1000)，研磨轉(zhuǎn)速為30rpm，研磨周期為3個(gè)周期，也就是優(yōu)化組合A1C1B2D3。

對綜合指標(biāo)Z1的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果及Z1計(jì)算值如表6所示。對比表5中綜合指標(biāo)Z1可以發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)所得的綜合指標(biāo)Z1均大于表5中的Z1值，說明在正交分析下所得的水平組合更優(yōu)，優(yōu)化的水平組合A1C1B2D3得到驗(yàn)證。選擇該水平組合，可兼顧殘余應(yīng)力、行程誤差及表面粗糙度指標(biāo)，更為合理?？梢园l(fā)現(xiàn)該組合所得殘余應(yīng)力較大，但是表面粗糙度較差，后續(xù)可采用更細(xì)的磨粒進(jìn)行研磨，進(jìn)而改善絲杠表面粗糙度。

表6 綜合指標(biāo)Z1的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

文章采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行了滾珠絲杠研磨試驗(yàn)，并進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)總結(jié)如下：

(1)在W10(#800)綠化硅磨料、1.5 N·m研磨力矩的研磨參數(shù)下，全程變動(dòng)量和2π變動(dòng)量均有效改善了。研磨力矩是影響行程變動(dòng)量的主要因素，研磨過程應(yīng)避免使用過大的研磨力矩，防止出現(xiàn)過磨現(xiàn)象。

(2)在W14(#600)綠化硅磨料、3.5 N·m研磨力矩、30rpm轉(zhuǎn)速研磨參數(shù)下，研磨3個(gè)周期，絲杠的表面殘余應(yīng)力改善最明顯，達(dá)到-603MPa，提高約2倍，磨粒大小是影響殘余應(yīng)力的主要因素，摩擦力矩次之；對于絲杠表面粗糙度，研磨力矩是影響表面粗糙度最重要的因素，研磨時(shí)間次之。

(3)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的工藝參數(shù)是有效的，其中選擇研磨力矩為1.5N·m，磨粒粒度為W14(#600)，研磨試驗(yàn)為3周期、研磨轉(zhuǎn)速為30rpm時(shí)，可兼顧殘余應(yīng)力、行程誤差及表面粗糙度指標(biāo)，研磨后行程變動(dòng)量Vu改善到5.5μm，V2π改善到1.7μm，殘余壓應(yīng)力值可達(dá)-430MPa，有利于滾珠絲杠表面質(zhì)量和綜合性能的提高。