旋風(fēng)硬銑削加工技術(shù)及其在精密滾珠絲杠加工中的應(yīng)用＊

宋現(xiàn)春 孫 悅 莊利軍 莊 然 郭英杰

（山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

大型滾珠絲杠多數(shù)為長(zhǎng)度超過(guò)600 mm,直徑超過(guò)100 mm的細(xì)長(zhǎng)桿件，屬于剛性較差的軸類零件。滾珠絲杠中舉足輕重的元素是“螺紋”，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的互換，并且在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的動(dòng)力轉(zhuǎn)換功能、速度功能、同步性能及定位功能中同樣起著關(guān)鍵作用[1]。

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的螺紋加工工藝要采用高速或超高速磨削，采用一夾一頂?shù)难b夾方式，在此過(guò)程中會(huì)造成燒傷與裂紋，引入裝夾與對(duì)刀誤差，不僅限制了加工精度的提高，還會(huì)在很大程度上降低加工效率，這樣不利于加工軸向尺寸長(zhǎng)，整體剛度差的滾珠絲杠；另一方面在磨削加工中會(huì)產(chǎn)生磨粒金屬粉塵、油霧，且冷卻液難以凈化處理，加工成本高，對(duì)環(huán)境污染十分嚴(yán)重。由此可見，傳統(tǒng)的大型螺紋加工工藝方式難以適應(yīng)市場(chǎng)需求。面對(duì)日益激烈的挑戰(zhàn)，及時(shí)優(yōu)化改善加工工藝，做好加工效率與生產(chǎn)成本的合理協(xié)調(diào)是促進(jìn)國(guó)內(nèi)滾動(dòng)功能部件的發(fā)展，推動(dòng)機(jī)械行業(yè)的進(jìn)步的重中之重。

1 旋風(fēng)硬銑削原理

旋風(fēng)硬銑削技術(shù)是一種高效、綠色環(huán)保的螺紋加工技術(shù)[2]。旋風(fēng)硬銑削技術(shù)原理如圖1所示，淬硬軸承鋼GCr15工件（硬度為62～65 HRC）利用刀盤上的多把（6或8）均勻?qū)ΨQ的高強(qiáng)度成型銑刀，借助于刀盤旋轉(zhuǎn)軸線與工件軸線存在的偏心距e依次參與切削，且兩軸線夾角為螺紋的螺旋角。旋風(fēng)銑削加工時(shí)，刀盤與工件同向旋轉(zhuǎn)完成順銑；工件以1～10 r/min低速旋轉(zhuǎn)，而刀盤以每分鐘大于600 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，工件每旋轉(zhuǎn)一周，刀盤沿著工件軸線移動(dòng)一個(gè)螺紋導(dǎo)程的距離，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)螺紋滾道的加工。在切削過(guò)程中，只有旋轉(zhuǎn)到靠近工件一側(cè)才能參與并完成其切削，這就為遠(yuǎn)離工件的刀具足夠的散熱時(shí)間。且每次切削區(qū)域的空間位置不變，切削厚度與寬度都是切入的由小變大，再變?yōu)榍谐龅挠纱笞冃3]。這種技術(shù)與一般銑削相比，單位時(shí)間的金屬切削率更大程度地提高了，并且切削中產(chǎn)生的大部分熱量被薄而狹長(zhǎng)“逗號(hào)”狀切屑帶走，同時(shí)還能夠得到可與磨削相當(dāng)甚至超過(guò)磨削的加工表面質(zhì)量[4-6]，外螺紋旋銑技術(shù)如圖2所示。

圖1 旋風(fēng)硬銑削加工原理圖

圖2 外螺紋旋銑系統(tǒng)

2 旋風(fēng)硬銑削特點(diǎn)

旋風(fēng)銑機(jī)床是一種可以實(shí)現(xiàn)加工大型螺紋的高效能精密專用裝備，用來(lái)加工以淬硬鋼為代表的各種難加工的材料。旋風(fēng)銑床前端有負(fù)責(zé)夾持工件的三爪卡盤，用來(lái)固定工件一側(cè)，位于左側(cè)的工件主軸箱、機(jī)床床身、刀架、尾架、隨動(dòng)支撐及浮動(dòng)支撐部分、在線測(cè)量等共同組成。它的技術(shù)附加價(jià)值很高，徑向移動(dòng)的滑板位于床鞍上，滑板上的銑削頭用來(lái)加工螺旋升角，伺服電機(jī)控制銑削頭的工作。床鞍上的隨動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)隨銑削頭移動(dòng)而隨動(dòng)支撐工件，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋風(fēng)銑床結(jié)構(gòu)示意圖

3 旋風(fēng)硬銑削優(yōu)勢(shì)

（1）減少切削產(chǎn)生的熱量

在切削液冷卻中，旋風(fēng)硬銑削無(wú)需使用切削液實(shí)現(xiàn)干切削（壓縮空氣制冷）。加工區(qū)域中火花四濺，產(chǎn)生的切削熱傳入切屑，由于自身細(xì)長(zhǎng)且薄的特點(diǎn)將熱量迅速排出。

（2）提高加工精度與表面質(zhì)量

在刀具使用中，旋風(fēng)硬銑削常用于切削加工的刀具材料為PCBN材料，使用性能良好；在加工過(guò)程中，高速銑床憑借自身高剛度與精度，進(jìn)行漸進(jìn)式的切向斷續(xù)切削方式，切削深度小。

（3）提高切削速度，提高生產(chǎn)率，降低加工成本

硬旋銑技術(shù)與傳統(tǒng)切削相比有著“質(zhì)的飛躍”。與磨削加工相比，加工效率是其3～5倍；與傳統(tǒng)切削相比，刀具使用壽命提高了70%。

（4）代替某些制造工藝

硬度60～65 HRC的零件可以通過(guò)高速切削來(lái)完成，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電火花加工、磨削加工這種高強(qiáng)度與高硬度加工。

A：隨著不斷發(fā)展，我們也需要更多復(fù)合型人才，僅是印刷專業(yè)的學(xué)生不能夠滿足企業(yè)自身發(fā)展的需要。雅昌成立之初的定位就是藝術(shù)印刷。正是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的正確選擇和清晰定位，才能脫穎而出，成為行業(yè)中的佼佼者。關(guān)于人才需求，在內(nèi)部人才培養(yǎng)方面，雅昌把所有利潤(rùn)全部投入到技術(shù)的研發(fā)和相關(guān)人員的培訓(xùn)上；就人才招聘方面，雅昌對(duì)人才需求已從印刷類轉(zhuǎn)為藝術(shù)類。

4 旋風(fēng)銑技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

4.1 旋風(fēng)硬銑削技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者對(duì)旋風(fēng)銑技術(shù)展開了深入的研究與思考，主要體現(xiàn)在旋風(fēng)銑機(jī)床與硬切削刀具的研究使用中。黃祖堯[7]從螺紋旋風(fēng)硬銑削的工作原理出發(fā)，通過(guò)旋風(fēng)硬銑削能夠加工出的工件精度更高，表面質(zhì)量更好，并將旋風(fēng)硬銑削技術(shù)直接應(yīng)用在淬硬工件的實(shí)例。高乃坤等[8]在旋風(fēng)硬銑削技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，指出這一先進(jìn)制造技術(shù)可以降低切削力，切削溫度小，熱應(yīng)力小，工作平穩(wěn)，振動(dòng)小生產(chǎn)效率高等主要特點(diǎn)；并對(duì)旋銑加工工藝進(jìn)行了全面探索與研究，對(duì)經(jīng)過(guò)旋風(fēng)硬銑削加工后的滾珠絲杠進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，穩(wěn)定性高于磨削加工，但是在高精度方面與磨削加工還有差距。湖南工程學(xué)院的譚立新[9-12]開展了影響加工質(zhì)量的各種因素進(jìn)行了理論分析，并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論：考慮到彎曲變形，切削速度的提高會(huì)造成工件彎曲變形，對(duì)小徑工件影響較為明顯，而大徑工件的變形有所減小，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論分析基本相符。曹勇等[13]等人對(duì)影響螺紋表面粗糙度的加工工藝參數(shù)進(jìn)行了研究分析與數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。

在硬切削刀具的研究方面，哈爾濱理工大學(xué)的劉獻(xiàn)禮教授[14]主要介紹了PCBN復(fù)合片刀具在切削淬硬鋼，鑄鐵等材料時(shí)的切削性能以及刀具在不同切削情況下表現(xiàn)出的特殊規(guī)律，將這些特殊規(guī)律充分應(yīng)用于切削加工中，創(chuàng)造其應(yīng)有的技術(shù)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院的朱紅雨[15]等人通過(guò)對(duì)硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工PCBN刀具主要失效形式的研究，提出了PCBN刀片設(shè)計(jì)是旋風(fēng)硬銑削降低刀具成本的可行性方法。哈爾濱理工大學(xué)的嚴(yán)復(fù)鋼[16]等人進(jìn)行了PCBN刀具切削淬硬CGr15軸承鋼的實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)了金屬軟化效應(yīng)產(chǎn)生的條件以及金屬軟化效應(yīng)是否會(huì)對(duì)已加工表面產(chǎn)生影響。

4.2 旋風(fēng)硬銑削技術(shù)的發(fā)展

旋風(fēng)銑削在我國(guó)國(guó)內(nèi)很多機(jī)械制造公司都有所應(yīng)用，最主要的使用在一般鋼材各種螺紋軟銑的旋風(fēng)銑頭，這種技術(shù)突破推廣于20世紀(jì)60～70年代。在此之后，旋風(fēng)銑床逐漸在大連機(jī)床廠、北京機(jī)床研究所、山東博特和南京工藝等投入使用，利用旋風(fēng)銑床完成精密滾珠絲杠的高效粗加工。哈爾濱汽輪機(jī)廠將內(nèi)旋銑加工方法應(yīng)用在汽輪機(jī)高中壓缸英制螺紋接配與重型機(jī)械中，旋風(fēng)硬銑削技術(shù)與高效綠色制造技術(shù)上相結(jié)合不僅可以進(jìn)行60 HRC以上的滾珠絲杠與滾珠螺母的硬銑削，達(dá)到更高加工表面質(zhì)量，可以完成大導(dǎo)程滾珠絲杠副與精密滾珠絲杠副的批量生產(chǎn)，適用于大直徑內(nèi)螺紋加工上[17]，還可以實(shí)現(xiàn)由軟銑到硬銑的巨大突破，具有深刻的研究意義與開闊的應(yīng)用前景。

我國(guó)有關(guān)旋風(fēng)銑削的工藝參數(shù)還在“低精度”“軟銑”范圍，并且旋風(fēng)銑床主要依賴國(guó)外引進(jìn)，南京工藝在2004年首次引進(jìn)了德國(guó)公司的PW160型CNC旋風(fēng)硬銑機(jī)床，在2009年又引進(jìn)同公司的PW300HP型1 000 mm CNC旋風(fēng)硬銑機(jī)床，可以精銑出整體800 mm以上的大型滾珠絲杠副[18]，如圖4所示。我國(guó)漢江機(jī)床廠自主研發(fā)的HJO92型旋風(fēng)銑床，單次銑長(zhǎng)度最大可達(dá)800 mm[19]，如圖5所示。

圖4 PW300HP旋風(fēng)硬銑機(jī)床

圖5 漢江機(jī)床廠自主研發(fā)的8 m旋風(fēng)機(jī)床

相應(yīng)時(shí)期旋風(fēng)銑削技術(shù)已經(jīng)在很多西方發(fā)達(dá)國(guó)家推廣使用。CNC旋風(fēng)銑機(jī)床與高剛度精密定位刀盤首次在我國(guó)舉辦的Metalstes’西德金屬加工展覽會(huì)被展出，并且在此之后德國(guó)企業(yè)向中國(guó)機(jī)床滾動(dòng)功能部件企業(yè)介紹了旋風(fēng)銑削技術(shù)。在展出的高精度精密定位刀盤基礎(chǔ)上改進(jìn)后的刀盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 高剛度精密定位旋風(fēng)銑刀盤

5 旋風(fēng)銑技術(shù)的主要應(yīng)用

隨著旋風(fēng)銑技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，它的研究成果或者技術(shù)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。張廣明等[20]在滾珠絲杠滾道硬車加工技術(shù)研究中，針對(duì)滾珠絲杠螺紋滾道的特點(diǎn)，研究CBN刀具技術(shù)結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了螺紋滾道加工以車代磨。劉順華[21]在旋風(fēng)銑削在螺旋件中的應(yīng)用研究中介紹CNC旋風(fēng)銑削工藝的應(yīng)用，并提出了旋風(fēng)銑削是加工制造螺紋及螺旋線的優(yōu)選方法。溫隆生等[22]在文章旋風(fēng)銑削螺紋在蝸桿加工中的應(yīng)用提出旋風(fēng)銑削對(duì)蝸桿加工具有借鑒意義。

漢江機(jī)床有限公司的鄧順賢[23]分析了應(yīng)用于大型滾珠絲杠的旋風(fēng)銑床的設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并針對(duì)這種機(jī)床的規(guī)格參數(shù)與研制進(jìn)行了深入研究。韓長(zhǎng)生[24]在論文中介紹了一種能夠在同一機(jī)床加工多種規(guī)格氣瓶錐螺紋的車削加工設(shè)備，可有效解決不同規(guī)格氣瓶不便于在同一機(jī)床加工的問(wèn)題。南京彩云機(jī)械電子制造有限公司與高校合作研制成功“CYHM-10-500五軸四聯(lián)動(dòng)環(huán)面蝸桿旋風(fēng)銑床”并通過(guò)專家鑒定[25]。

旋風(fēng)銑床中執(zhí)行單元是旋風(fēng)銑頭，它是影響機(jī)床加工精度與效率的直接因素，高速精密加工中需要高運(yùn)轉(zhuǎn)精度的電主軸與刀盤配合來(lái)完成高速切削。然而電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要有嚴(yán)格的制造工藝，還需要考慮很多技術(shù)難題：內(nèi)置電動(dòng)機(jī)散熱、高速主軸的動(dòng)平衡、主軸支撐方式。我國(guó)對(duì)電主軸的研究開展于20世紀(jì)70年代，高速電主軸的結(jié)構(gòu)形式與性能指標(biāo)設(shè)計(jì)多種多樣，但都會(huì)帶來(lái)很多技術(shù)問(wèn)題?？紤]到生產(chǎn)率與加工精度兩方面，現(xiàn)在的電主軸大多是以內(nèi)置主軸電機(jī)的形成集成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是唯一的最佳選擇。

6 旋風(fēng)銑技術(shù)的材料選用

6.1 刀具材料

為了適應(yīng)市場(chǎng)上日趨激烈的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，超硬刀具材料聚晶立方氮化硼PCBN逐漸被挖掘出來(lái)，將PCBN刀具應(yīng)用于硬態(tài)切削中可以改善傳統(tǒng)加工工藝：淬硬-磨削的制造工藝，可以對(duì)硬度大于50 HRC的淬硬鋼進(jìn)行直接切削，實(shí)現(xiàn)工件尺寸精度小于13 μm，表面粗糙度達(dá)到Ra=0.3 μm與Ra=6～16 μm的突破，這種以車代磨工藝不僅提高工件生產(chǎn)率具有巨大潛能，降低能量損耗提高工件的疲勞強(qiáng)度，成本低廉，而且還屬于綠色制造技術(shù)，清潔生產(chǎn)工藝，保護(hù)環(huán)境。

6.2 刀具特點(diǎn)

高性能的刀片材料和精密的刀具、刀盤制造技術(shù)為旋風(fēng)硬銑削技術(shù)提供了主要的技術(shù)支持和保障，綜合考慮機(jī)床性能，加工要求，經(jīng)濟(jì)性多方面因素，適合用于螺紋旋風(fēng)硬銑削最合理的刀具材料為PCBN刀具。

（1）高硬度與高耐磨性

CBN材料與金剛石材料有著相似的晶體結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)，且有著相同化學(xué)鍵類型，從而二者的硬度與強(qiáng)度也極為相似。對(duì)耐磨材料切削時(shí)PCBN刀具的耐磨性是硬質(zhì)合金的50倍。大連理工大學(xué)的張凌飛等人進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)得出在高速重載條件下，PCBN刀具在硬態(tài)切削的耐磨特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)磨削，且加工工件的磨損量很小[26]。

（2）性能較為穩(wěn)定

具有很高的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性。CBN材料的耐熱性高達(dá)1 500 ℃，高于陶瓷與硬質(zhì)合金的常溫硬度。CBN材料化學(xué)性能穩(wěn)定，在1 200～1 300 ℃不與鐵等材料反應(yīng)，在2 000 ℃以下不與碳反應(yīng)。

（3）導(dǎo)熱性良好

CBN材料導(dǎo)熱性是硬質(zhì)合金的20倍，僅次于金剛石材料，PCBN材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加。

（4）摩擦系數(shù)較低

PCBN材料摩擦系數(shù)隨溫度升高而減小，大約為0.1～0.3。PCBN刀具材料屬性如表1所示。

表1 用于螺紋旋風(fēng)硬銑削的PCBN刀具材料屬性

6.3 工件材料

精密滾珠絲杠作為機(jī)械制造中重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高制造精度與精度保持性的目的，確保能夠充分發(fā)揮滾珠絲杠的優(yōu)異性能，工件選材需要具有高的耐磨性與尺寸穩(wěn)定性。我國(guó)通常選取高碳低合金鉻軸承鋼CGr15、GCr15SiMn，這些淬硬材料通過(guò)高溫油中淬火與回火熱處理，淬硬性與耐磨性更加顯著。

7 銑削熱變形實(shí)驗(yàn)分析

前期開展的旋風(fēng)銑削加工滾珠絲杠熱變形的研究表明，影響切削力與銑削熱的銑削要素會(huì)受到機(jī)床自身性能、刀具性能、工件材料等多重因素的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)合DEFORM的有限元仿真，對(duì)于給定工件參數(shù)的滾珠絲杠，最小熱變形的加工參數(shù)為：銑削速度為666 r/min、銑削深度為0.14 mm 、進(jìn)給量為0.1 mm/r，銑削參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 銑削參數(shù)設(shè)置

在此工藝參數(shù)下，利用ANSYS軟件建立旋風(fēng)硬銑絲杠的溫度場(chǎng)仿真模型與熱伸長(zhǎng)仿真模型，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的正確性，并得出對(duì)應(yīng)的熱伸長(zhǎng)量，總結(jié)滾珠絲杠的熱變形規(guī)律。仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)直接耦合分析法分析絲杠熱伸長(zhǎng)量變化：通過(guò)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與命令流的創(chuàng)建得到溫度-位移耦合單元，如圖7所示；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)：絲杠的自由端安裝一個(gè)浮動(dòng)接觸的位移傳感器，來(lái)間接測(cè)量絲杠的熱伸長(zhǎng)量，如圖8所示。

圖7 ANSYS仿真模擬圖

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)位移示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得與仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖9所示。

由圖9所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以1 400 mm為分界點(diǎn)，熱伸長(zhǎng)量變化較大的一段是加工前1 400 mm的絲杠，當(dāng)進(jìn)入熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，熱伸長(zhǎng)量逐漸勻速增加，銑床三爪卡盤與絲杠接觸端的熱量傳遞作用會(huì)使得快加工完畢時(shí)的絲杠熱變形量有所減少。仿真過(guò)程中，開始到穩(wěn)態(tài)時(shí)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，呈現(xiàn)出先低后高的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析，數(shù)據(jù)相差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了熱伸長(zhǎng)量模型的正確性并得到了熱伸長(zhǎng)量一直呈現(xiàn)逐漸增加的結(jié)論。

圖9 熱伸長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

8 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)滾珠絲杠朝向智能化、高精度與高速度方向發(fā)展，隨著對(duì)滾珠絲杠市場(chǎng)需求量逐年上漲，人們對(duì)滾珠絲杠使用性能與制造精度的要求也隨之提高。“螺紋”是滾珠絲杠傳動(dòng)副中的核心要素，在多種距離與不同載荷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)互換中有著關(guān)鍵顯著的的作用，這一現(xiàn)象引得世界各國(guó)滾珠絲鋼制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。高速硬旋風(fēng)銑技術(shù)作為一種高效低耗、綠色環(huán)保的先進(jìn)制造加工技術(shù)，可以完成各種淬硬及難加工材料的切削以及進(jìn)行磨削加工的某些工作，面對(duì)日益激烈的挑戰(zhàn)，我們還需努力研發(fā)符合我國(guó)國(guó)情、具有中國(guó)特色的CNC旋風(fēng)銑床，及時(shí)優(yōu)化改善旋風(fēng)銑削加工工藝，做好加工效率與生產(chǎn)成本的合理協(xié)調(diào)，共同推進(jìn)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。