《装备制造技术））２ｏ１３年第６期 滚珠丝杠副接触弹性变形和反向间隙 对加工精度的影响分析 陆振华 （广西柳工机械股份有限公司，广西柳州５４５００７） 摘要：首先介绍齿轮毂整体的工艺过程思路，接着介绍精铣齿轮毂齿槽需要的设备、刀具、工装夹紧技术要求，着重介 绍通过加工试验对比两种加工走刀路线对加工精度的影响，最后探讨造成此两种走刀路径方案对加工精度影响的主要 原因，并将研究结果推广到箱壳体类零件精镗孔加工中，取得了较好的结果。 关键词：齿轮毂；两种走刀路径；加工精度 中图分类号：ＴＨ１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５４ｌ５×【２Ｏ１３）０６－０Ｏ３７一ｏ４ 离合器毂是某变速箱换挡机构中的关键零件， 表１ 齿轮毂工艺过程表 其齿槽的形位公差（对称度）直接影响整车的换挡性 工序号 工序描述 用逢 能。经过三次的工艺试验均未到达设计的质量要求， １０ 下料 ２０ 锻造 获得锻坯 本文结合滚珠丝杠副传动的理论依据，经过实验数 ３０ 等温正火 改善内部组织、降低内部应力 据分析解决离合器毂的产品品质符合性，对涉及到 ４０ 粗车 粗轮廓成型，减少，膏加工余量．有利于精加工变形控制 ５０ 精车 精轮廓成型 机械加工的质量攻关的项目具有一定借鉴意义。 ６０ 液齿 齿型粗成型 ７０ 粗铣槽 齿槽粗成型，有利于齿槽精加工变形控制，留单边０．２咖余量 １ 齿轮毂的工艺方案介绍 ８０ 清根 齿槽底部圆弧清根。留单边Ｏ ｒａｒｌｌ余量 ９０ 精铣槽 齿槽精成型（关键工序） １０ｏ 渗碳淬火 获得齿轮热处理特性（关键工序） 齿轮毂受力特点是既承受齿轮的纯滚动传动又 ｌ１Ｏ 磨内孔 孔最终尺寸成塑 １２０ 磨齿 齿形齿廓最终成型 必须承受较大的扭矩，因此要求具备耐磨性和具有 较高的强度。鉴于此功能要求，本齿轮毂采用的材料 表２主要设备和刀具技术条件 为２０ＣｒＭｎＴｉ，采用的热处理为渗碳淬火，表面硬度 序号 要求名称 具体技术要求 Ｉ 工作台规格 ，ｒｉａ４００ ｎｕｎ ＨＲＣ５８—６２，有效硬化层深０．８一１．２，芯部硬度 ２ 回转直径 ４，５００ｒａｉｎ ＨＲＣ３３—４５。 ３ 敷控系坑 半闭环ＦＡＮＵＣ控制系统 从工艺经济性角度考虑，加上其结构的局限性， ４ 最小分度 ｌ ０ ５ 工作台回转精度 ５ ３６００ 槽的成型直接由热前机加工艺和热处理保证，热后 ６ 定位精度 ｘ、Ｙ、Ｚ定位精度０．０１ｍｉｎｔ全程 不再进行加工。经过不同时间三批次共３６件的跟踪 ７ 重复定位精度 Ｘ、Ｙ、Ｚ重复定位精度０．００５ ａｔｒａ ８ 静态主轴跳动 ３０ ｎｕｎ处径向跳动￣０．００５柚．３００栅处径向跳动Ｇ０．０１胁 试验发现，热处理渗碳淬火造成的变形在０．０８ ｍｍ ９ 主轴锥度 Ｉｓ０７３８８／１ ｌＩＴ４０＃ 以内。根据工艺过程公差分配原则，精铣槽工序需要 １０ 刀柄 山特维克整体式瓶压刀柄 将对称度控制在Ｏ．０７ ａｉｍ内，否则整个工艺过程结 ｌ１ 央头 瑞典山特维克 １２离精度高强度｛夔压央头 ｌ２ 铣刀 １２±０．０３咖瑞典山特维克整体式硬质合垒立钪刀 果将无法保证。因此，精铣槽工序、渗碳淬火工序为 齿轮毂齿槽成型的两道关键工序。 ２．２零件夹紧定位方案 鉴于上述原因，齿轮毂的整个工艺方案如表１ 以 ８４孔位定位基准，使用胀套芯轴工装夹紧， 所示。 消除普通芯轴与孔的配合间隙，其夹紧示意如图１ 所示。 ２ 齿轮毂精铣槽Ｊｊｕ－ｒ艺方案介绍 ２．１设备及刀具技术方案 设备及刀具技术条件如表２所示。 一 图１齿轮毂夹紧定位及原理示意图 收稿日期：２０１３—０３—０７ 作者简介：陆振华（１９７７一），男，广西宾阳人，工程师，硕士学位，研究方向为数控加工工艺、刀具和齿轮加工工艺。 ３７ 《装备制造技术）２０１３年第６期 加工切削产生的滚珠丝杠副接触弹性变形量和反向 在现场实际检测到的Ｘ轴丝杠反向间隙为 间隙造成的总精度误差为： ＱＩｌ＝ ＋Ｑ Ｄ （４） （５） ＱＡ 口＝ＡＡ．＋口＋ 口 ０．０５２ ｍｍ，Ｙ轴丝杠反向间隙为０．０４３ ｍｍ。即 Ｘ轴：△．＝ｒ“ ）＋△ （ｃ一＋Ｄ） ０．０５２ ｍｍ， Ｙ轴：△ｙ（Ａ ）＋△Ｙ（Ｃ－－＊Ｄ） ０．０４３ ｍｍ。 Ｑ ＝△ ＋ △Ａ 且＝Ａ，ｐ（ａ—咕）＋△阳“—帼） 口＝ ＋ （Ａ ） （６） （７） （８） （９） （１０） 如图４所示，走刀路线从Ａ—Ｂ再从Ｃ Ｄ造成 的丝杠弹性变形矢量方向相同，大小可以叠加，故有： Ｑｘ＝ ＝＿＋研＋ （ ）＋（△ （＾ ＋Ａ州 Ｄ）） ＋ ｙ（ｃ＿＋Ｄ】）＋（△ｙ ＿＋ ＋△ｙ（ｃ一 △ｃ＿＋Ｄ＝△印（ｃ＿＋Ｄ）＋△，｜Ｐ（Ｃ－－＊Ｄ） 艿ｃ＿＋Ｄ＝ （ ）＋６ （ ） ０．０１５＋０．０５２＝０．０６７ ｍｍ Ｑｙ＝ ｙ 其中， △ 为走刀方向自Ａ向Ｂ时， 丝杆与滚珠的 配合间隙； △ （ 为走刀方向自Ａ向Ｂ时， 螺母与滚珠的 配合间隙； ６，９（ ．＋ ）为走刀方向自Ａ向Ｂ时， 丝杠与滚珠的 接触弹性变形量； （ 为走刀方向自Ａ向Ｂ时， 螺母与滚珠的 接触弹性变形量； △ Ｄ）为走刀方向自Ｃ向Ｄ时， 丝杆与滚珠的 配合间隙； △ （Ｃ－．￣Ｄ）为走刀方向自Ｃ向Ｄ时， 螺母与滚珠的 配合间隙； （ ）为走刀方向自Ｃ向Ｄ时， 丝杠与滚珠的 接触弹性变形量； （ 。）为走刀方向自Ｃ向Ｄ时， 螺母与滚珠的 接触弹性变形量。 利用瑞典ＳＥＣＯ刀具提供的软件计算各个切削 力，结果如下： 主切削力Ｆ＝８２ ０６３．７ Ｎ 切深抗力 ＝４ ７６６．８ Ｎ 进给抗力 ＝１２ ３５６．６ Ｎ 联立（８）、（１０）和学术论文《滚珠丝杠副接触变 形影响因素分析》【１］中的公式（１４），将进给抗力 代 人，得到由于切削力产生的ｘ轴滚珠、丝杠与螺母的 弹性变形量为： 一５（＾ 口）＋ （ｃ＿＋Ｄ）＝２×１．４１２ ５５ Ｘ １０－ｆ ＝０．睾 ０１５ ｍｌｎ 同样地，联立（８）、（１０）和学术论文《滚珠丝杠副 接触变形影响因素分析》【 】中的公式（１４），将切深抗 力 代人，得到由于切削力产生的Ｙ轴滚珠、丝杠 与螺母的弹性变形量为： 一５ ６ｙ“＿＋口）＋ ｙ（ｃ－呻。）＝２×１．４１２ ５５ Ｘ １０ ＝０．００８ ｍｍ ＝０．００８＋０．０４３＝０．０５ｌ ｍｍ 因此，由滚珠与丝杠、螺母产生的弹性变形量和 丝杠反向间隙造成的精度误差即设备进给系统造成 的精度误差大小为： ｒ—ｆ———Ｔ厂———— ———————Ｔ Ｑ—Ｑｌｌ＝、／Ｑｘ＋Ｑｙ＝ Ｖ０．０６７＋０．０５１ ＝０．０８４ｍｍ 总而言之，考虑到工装定位精度造成的加工误 差、工作台回转精度造成的加工误差和材料的均匀 性造成的加工精度等因素，采用方案一的走刀路线 （即改进前的走刀路线），零件的制造精度必定大于 ０．０８４ ｍｍ。 相比之下，方案二的走刀路径中不论工作台转 到任何角度，刀具均需要回到原始的下刀点，确保的 每次走刀方向始终相同，因而消除的滚珠丝杠副反 向间隙造成的误差。此外，由于走刀方向始终一致， 因抵抗切削抗力产生的弹性变形量大小相等，方向 也同向。故采用方案二的走刀路径，可以忽略滚珠丝 杠副受力弹性变形和反向间隙的影响，零件的加工 精度必然比第一种方案好。 ５ 结果验证 按照方案一和方案二的走刀路线，分别加工５ 件，实测记录见表４。 表４ 不同走刀路线实测记录表 方案一 方案二 编号 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ 对称度 编号 ＾ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ 对称蕴 ｌ＃ ０ Ｏ．０２ Ｏ．１】 Ｏ．Ｉ４ ＯＯ３ ０－ｏ３ Ｏ．１４ ６鼻 Ｏｍ Ｏ１ ０．０４ Ｏ．０２ ｎＯ６ Ｏ．Ｏｌ ０．ｏ６ ２＃ Ｏ Ｏ．０１ ｎｌ３ Ｏ．１５ ０．０３ Ｏ．Ｏ２ ０．１５ ７＃ Ｏ∞ Ｏ．０ｌ ０．０２ Ｏ．０６ ０．∞ Ｏ．０５ Ｏ．０６ ３＃ ０ ０．Ｏ３ ０．１Ｏ Ｏ．１５ ０ｍ ０．０４ Ｏｌ５ 槲 ０．０ｏ ０．∞ ｎ０４ ０．０ｌ Ｏ．０２ ０＿０ｌ ０．０４ 坤 ０ ０．Ｏ１ ０．１２ Ｏ．１４ ０．０４ ０．０６ ０．１４ ９ ０ｍ ｎ位 ０．∞ ０．０ｌ ０５ ０．ｏ２ ０，ｏ５ ０ ０．０２ ００８ ０．１２ ０．０６ Ｏ∞ Ｏ．１２ １附 ０．∞ Ｏ．０ｌ ｎ０ｌ ｎ０２ ０．∞ ０．０３ Ｏ．０５ 平均 ０Ｉ４ 平均 ０．０５ 由于本设备采用的半闭环控制系统虽具角度检 测反馈功能，但是运动执行元件不能直接反映运动 的实际位置，并将测量值反馈给ＣＮＣ装置，与指令进 行比较，对实际的定位精度有较大影响。从图３可以 ３９ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．６，２０１ ３ 工精度。按图５（ａ）方式走刀后Ａ孔对Ｃ孔的位置度 ０２５ ｍｌＴｌ，而按图５（ｂ）方式走刀Ａ孔对Ｃ孔的 采用方案一目的是减少加工过程中空行程运行 达到０．看出，方案一与方案二的走刀路线主要区别是： 时间，提高了生产效率，然而零件对称度达到 位置度达到０．０６０ ｍｍ。 ０．１６ Ｂｉｎ，未达到工艺设计要求；而方案二的走刀路线 不管工件旋转到０ｏ、６０ｏ、１２０ｏ，在铣槽之前，铣刀 必回位到下刀点０，加工Ｃ槽和Ｄ槽的方向恰好与 方案一相反。方案二加工效率虽然比方案一低一些， 但其加工精度能满足工艺设计０．０７ ｍｍ的设计要求。 （ａ）正确的走刀路径 （ｂ）不正确的走刀路径 ６ 其他应用场合介绍 图５ 箱壳体加工路径示意图 箱壳体类的零件是某个功能部件的基础零件， ７结束语 其必然是关键件，形位公差特别是孔位位置度要求 较高。若采用半闭环数控控制系统精镗孔系，就不得 半闭环数控系统或开环数控系统虽然定位精度 不考虑加工过程中滚珠丝杠副反向间隙和接触弹性 较差，但造价相对较低，维护简单，成本较低，仍具有 变形对加工精度的影响，正确选用加工路径，方能加 广阔的市场。采用半闭环或开环数控系统加工较高 精度零件时，特别是在滚珠丝杠副长期处于同步磨 工出较高质量的产品。 损状态且长期得不到专业维护保养的实际厂况中， 箱壳体类零件孔系关系示意图如图５所示。若 安排加工顺序时需要考虑滚珠丝杠副反向间隙和加 按本图放置的图样加工时，不得不考虑孔系相对位 工过程中接触弹性变形对加工精度的影响，合理安 置关系对加工精度的影响，确保在加工所有孔时滚 排加工走刀路径确保走刀方向“始终一致”才能加工 珠丝杠副反向间隙和接触弹性变形在走刀方向上的 出符合质量要求的产品。故本研究课题在使用半闭 一致性。 环或开环数控系统加工精度要求较高（特别是位置 精镗孔工序正确的走刀路径如图５（ａ）所示：Ａ 公差要求较高）的零件具有较好的推广借鉴作用。 孔＿＋Ｂ孔叶过渡点Ｏ Ｃ孔，而不是Ａ孔 Ｂ孔－÷Ｃ 孔（如图５（ｂ））。 参考文献： 实际加工结果也验证了按图５（ａ）方式的走刀路 【１】，王文竹，孙志礼，等．滚珠丝杠副接触变形影响因素 径的加工精度要好于按图５（ｂ）方式的走刀路径的加 分析【Ｊ］．东北大学学报：自然科学报，２０１１，３２（４）：５６７—５７０． Ｔｈｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｆｆｅｃｔ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅｒｖｅ Ｇａｐ ｏｆ Ｂａｌｌ Ｓｃｒｅｗ ＬＵ Ｚｈｅｎ．．ｈｕａ （Ｇｕａｎｇｘｉ Ｌｉｕｇｏｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｉｕｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｘｉ ５４５００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｈｔｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｈｕｂ，ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｉｌｌｉｎｇ ｇｅａｒ ｈｕｂ ｃｏｇｇｉｎｇ ｎｅｅｄ ｔｏｏｌ，ｆｉｘｔｕｒｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｏｏｌ ｐａｔｈ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｆｉｎ￣ｎｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｆｏ ｈｔｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｆｏ ｔｏｌ ｐａｔｈ ｓｃｈｅｍｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌ￣．ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｘ ｓｈｅⅡｐａｒｔｓ ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｏｒｉｎｇ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｕｂ ｇｅａｒ；ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｅｅｄ；ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
