綠色制造在絲杠傳動設(shè)計和加工中的應(yīng)用

韓耀華

山東華珠機(jī)械有限公司 山東濟(jì)寧 272000

1 序言

傳統(tǒng)絲杠傳動機(jī)構(gòu)中的絲杠往往采用車削或磨削加工，螺母采用鑄鐵或鑄銅材料。而隨著綠色制造理念的推廣，人們開始認(rèn)真反思：在工業(yè)制造的過程中，如何改善對環(huán)境的影響，如何提高資源的利用率，從而使傳統(tǒng)的制造模式，逐步向現(xiàn)代的制造模式發(fā)展。同時還要考慮如何滿足產(chǎn)品功能的要求，以及控制成本。

性價比是人們重點(diǎn)考慮的問題，但實現(xiàn)高性價比卻不是一件太容易的事情。從絲杠傳動件來看，如何滿足部件所需的要求和性能，是很關(guān)鍵的問題。也就是說，引入綠色制造的理念，就應(yīng)該打破傳統(tǒng)的絲杠傳動機(jī)構(gòu)的制造模式。要在滿足部件功能的情況下，盡可能在設(shè)計中采用冷軋絲杠和工程塑料PA66的螺母。下面具體講述一下。

2 根據(jù)部件功能的需求，合理設(shè)計絲杠副的加工模式

隨著社會的不斷發(fā)展和制造成本的不斷提高，在絲杠和螺母的制造方面，大家也在不斷地尋求成本低、質(zhì)量相當(dāng)?shù)牟牧虾图庸つＪ?。例如，絲杠用無屑的冷軋技術(shù)來代替原有的車削和銑削加工，是一種很好的設(shè)計思路。螺母采用工程塑料，代替原有的鑄鐵和鑄銅材料，也是一種很好的選擇（有些重載或高精度的絲杠副除外）。

在絲杠副的設(shè)計中，過去常常采用這種選擇：無論絲杠副的載荷要求多大，都一律采用鑄鐵或鑄銅螺母，如圖1所示。但是鑄鐵或鑄銅的加工過程，對環(huán)境的影響是不可忽視的。鑄造過程中的廢氣、加工中的切屑以及切削液等都會對環(huán)境造成影響。因此，從綠色制造的理念來考慮如何選擇絲杠副的材料和設(shè)計加工模式，就顯得十分重要。

圖1 采用鑄銅螺母的梯形絲杠副

事實證明，我們完全可以針對功能部件傳動精度的高低、絲杠副承受載荷的大小及部件對絲杠副的其他需求，來認(rèn)真選擇絲杠、螺母的材料和設(shè)計加工模式。

3 用冷軋技術(shù)加工小直徑大導(dǎo)程絲杠是一種很好的選擇

冷軋絲杠是無屑的絲杠加工模式。目前冷軋技術(shù)越來越先進(jìn)，冷軋絲杠的種類也越來越多、長徑比也越來越大，如圖2所示，完全可以代替原有的車削絲杠（除一些有特殊要求的絲杠外）。多頭絲杠、多頭大導(dǎo)程絲杠等冷軋絲杠可以節(jié)省材料，降低成本，提高效率，而且適用性特別強(qiáng)。

圖2 冷軋大導(dǎo)程絲杠

在加工多頭大導(dǎo)程絲杠時，長度越長，加工難度越大。尤其是在加工長徑比＞100的多頭大導(dǎo)程絲杠時，冷軋技術(shù)的加工特性更為突出。

傳統(tǒng)大導(dǎo)程絲杠的制造中，如圖3所示的銑削大導(dǎo)程方牙絲杠，其大導(dǎo)程絲杠為銑削加工，加工過程為有屑加工。這種加工模式不僅浪費(fèi)材料，而且加工效率還低。

圖3 銑削大導(dǎo)程方牙絲杠

引入綠色制造的理念，采用圖4所示的冷軋多頭大導(dǎo)程絲杠，其有9個頭，冷軋后的表面組織還優(yōu)于銑削的大導(dǎo)程絲杠。而且表面粗糙度值也比銑削后的絲杠低，一般表面粗糙度值Ra可達(dá)到3.2～1.6μm，而銑削的大導(dǎo)程絲杠表面粗糙度值Ra只能達(dá)到6.3～3.2μm。這種多頭大導(dǎo)程絲杠螺旋升角很大，絲杠直徑較小。但是由于采用冷軋技術(shù)，就十分容易達(dá)到技術(shù)要求。

圖4 冷軋多頭大導(dǎo)程絲杠

4 采用冷軋技術(shù)加工微型絲杠更為有利

普通的微型絲杠和單頭、多頭大導(dǎo)程微型絲杠，其加工方式如果采用車削和磨削，則加工效率很低，制造成本比較高，難度也不小。圖5所示的微型絲杠副就采用了多頭磨削微型絲杠。

圖5 采用多頭磨削微型絲杠的微型絲杠副

一般來說，微型絲杠副的載荷都比較小，有一些轉(zhuǎn)速也不高，軸向定位精度也不會太高。在這種情況下如果采用車削和磨削的加工模式，浪費(fèi)人力物力。冷軋后的微型絲杠，其表面粗糙度值Ra一般可達(dá)1.6～0.8μm，該類產(chǎn)品完全可以用工程塑料螺母來代替。

對于公稱直徑為20～50mm的梯形絲杠副，如果載荷不大，運(yùn)行速度較慢，也完全可以采用此種加工模式。如果加工公稱直徑較小、要求轉(zhuǎn)速較高且行程較長的絲桿副時，為了提高絲杠的耐磨性，絲杠的表面處理可以采用鹽浴硫碳氮共滲技術(shù)，其表面硬度≥550HV，滲層厚度為0.2～0.3mm。

5 采用工程塑料螺母有利于降低制造成本和提高資源效率

工程塑料PA66現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工及軌道交通等眾多領(lǐng)域中，其特點(diǎn)是：具有可塑性、耐磨性、強(qiáng)度較高且耐沖擊、耐油和耐腐蝕等。在較高的溫度下，也能保持較高的強(qiáng)度和剛度，尤其是在自潤滑方面，在絲杠傳動機(jī)構(gòu)中，更能夠顯示其獨(dú)特性。

因工程塑料螺母（見圖6）采用注塑工藝，所以在制造過程中，螺母不僅較為容易滿足單頭或多頭大導(dǎo)程的要求，也能滿足微型螺母的需求。注塑成型的螺母，不需要再加工，從而降低了制造成本，提高了資源效率。

圖6 工程塑料螺母

對于載荷較小、精度要求不高且只用于傳動的絲杠，甚至定位精度要求不是很高的微型絲杠，螺母都可以采用工程塑料PA66等材質(zhì)。由于螺母采用工程塑料，所以制造成本和難度大大降低，效率實現(xiàn)成倍提高，同時縮短了工期，提高了企業(yè)競爭力。而且螺母的互換性較強(qiáng)，也方便整機(jī)（設(shè)備）的后期維護(hù)。

對于載荷不大、精度要求不高、公稱直徑在50mm以下的傳動類絲杠，甚至重復(fù)定位要求不高的絲杠副來說，螺母完全可以采用工程塑料，如PA66或尼龍66的材質(zhì)等。這種設(shè)計理念的推廣應(yīng)用也是加快推廣綠色制造理念的一種措施。

6 試驗案例

工程塑料螺母在軌道交通中地鐵門系統(tǒng)和交通安全門系統(tǒng)的傳動領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，但在其他領(lǐng)域應(yīng)用還不多，例如：木工機(jī)械、化工機(jī)械、電工設(shè)備和儀器儀表等行業(yè)。下一步要在這些領(lǐng)域中大力推廣這種設(shè)計理念。

我公司做過的地鐵門系統(tǒng)中傳動機(jī)構(gòu)采用的冷軋多頭大導(dǎo)程絲杠副，其絲杠為冷軋，螺母采用工程塑料PA66。對1件左右旋9個頭的冷軋大導(dǎo)程絲杠副進(jìn)行試驗，其每一側(cè)的載荷為60kg，共計120kg。1min往復(fù)“跑合”11.5次，螺母“跑合”長度750mm。在絲杠牙形表面粗糙度值Ra＝1.6μm的情況下，其PA66大導(dǎo)程螺母“跑合”了150萬次（見圖7），仍然可以繼續(xù)正常使用，絲杠兩側(cè)磨損也很小

圖7 “跑合”了150萬次以后的多頭冷軋絲杠副

7 結(jié)束語

綜上所述，綠色制造理念貫穿著整個機(jī)械制造行業(yè)。只要對功能部件的力學(xué)性能和功能需求有充分的了解，就可以大膽選用冷軋絲杠和工程塑料這種組合的絲杠副，來作為傳動機(jī)構(gòu)。這樣可以大大降低成本，減弱對環(huán)境的影響，同時，還能夠滿足其部件的功能需求，盡量避免大材小用，功能過剩。