葉文俊 王全寶 胡映秋 楊樹(shù)生 王晶星

(沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南 昆明650203)

梯形絲杠副就是絲桿螺紋為梯形螺紋的絲杠，分公、英制兩種。梯形絲杠副具有承載力大、傳動(dòng)效率高、定位準(zhǔn)確、具有自鎖功能等特點(diǎn)，因而梯形絲杠副在筆者公司的臥式鏜床上得到了較廣泛的應(yīng)用。

某段時(shí)間，用戶反映我公司生產(chǎn)的某型臥式鏜床在使用半年左右后發(fā)生梯形絲杠螺母副磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)床下拖板拖動(dòng)力不足和出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)床的正常使用。為此，相關(guān)人員廣泛收集各方面的信息、深入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和用戶使用現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)機(jī)床絲杠螺母副磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象、原因進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查和研究，針對(duì)各種原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，有效地解決了梯形絲杠螺母副易磨損的問(wèn)題。

1 原因分析

造成梯形絲杠螺母磨損的原因較多，絲杠、螺母的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、加工和裝配工藝、潤(rùn)滑方式等因素都會(huì)影響絲杠副的耐磨性。下面以該型機(jī)床的X向絲杠副為例進(jìn)行分析。

(1)絲杠、螺母的材料

材料的選擇，主要考慮的因素為材料的加工性能、使用性能等。本機(jī)床絲杠材料選用45 鋼，T235 調(diào)質(zhì)處理。由于筆者公司熱處理設(shè)備采用井式爐，調(diào)質(zhì)時(shí)溫度不易保持一致(井口溫度較低)，造成調(diào)質(zhì)后材質(zhì)不均勻，加工后絲杠表面會(huì)存在軟硬不均勻的現(xiàn)象。

螺母的材料選用鑄鋁青銅ZQAl9 -4，其耐磨性、抗震性、加工性能都較好，能夠滿足使用要求。但由于絲杠表面存在軟硬不均勻點(diǎn)，很容易造成銅螺母的快速磨損。

(2)絲杠螺母結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

該臥式鏜床X 向梯形絲杠的參數(shù)如表1。

表1 X 向絲杠參數(shù)表

因?yàn)槁菁y工作面上單位壓力的大小直接影響絲杠副磨損的快慢，所以對(duì)絲杠螺母進(jìn)行耐磨性計(jì)算。耐磨性計(jì)算就是驗(yàn)算工作面上的單位壓力，使其不超過(guò)許用值以限制磨損，計(jì)算如下［1］:

式中:Q 為最大牽引力，N;t 為絲杠螺紋的導(dǎo)程，mm;d節(jié)為絲杠螺紋的平均直徑，mm;L 為螺母的長(zhǎng)度，mm;Z 為螺紋頭數(shù);P 為螺紋工作表面上的實(shí)際平均單位壓力，MPa;［P］為螺紋工作表面上的許用單位壓力，MPa;h 為螺紋工作高度，mm。

工作高度:h=0.5t=0.5 ×8 =4 mm。

圖1 為X 向絲杠受力分析圖，由受力分析可知:

式中:g 為工件重力，N;g1為工作臺(tái)重力，N;g2為上拖板重力，N;g3為其他零件重力，N;F1為上拖板與下拖板間的摩擦力，N;F2為上拖板與下拖板間的粘結(jié)力，N;f1為上拖板與下拖板導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù);μ 為粘結(jié)系數(shù)，MPa;S 為上拖板與下拖板間的粘結(jié)面積，mm2。

已知:g=100000 N，g1=24500 N，g2=12000 N，g3=3500 N，f1=0.12，μ=5 ×10-3MPa，通過(guò)查圖紙:S=507500 m2，則得:

F1=(100000 +24500 +12000 +3500)×0.12 =16800 N

F2=5 ×10-3×507500 =2537.5 N

Q=16800 +2862.5 =19337.5 N

查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)P242 表10. 3 可得［1］，［P］=110 MPa

因P＞［P］，即螺母螺紋工作面上的實(shí)際工作單位壓力超過(guò)許用壓力值，導(dǎo)致螺母易磨損，要改善磨損情況需減小螺母螺紋工作面上的單位壓力。

(3)表面粗糙度

絲杠螺母的表面粗糙度是直接影響絲杠螺母耐磨性的重要因素，表面粗糙度值越大，摩擦系數(shù)越大，兩相互運(yùn)動(dòng)表面的磨損就越快。另外表面粗糙度還影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性、零件的強(qiáng)度等，故對(duì)零件提出合理的表面粗糙度要求，是幾何精度設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的方面［2］。

初始設(shè)計(jì)的絲杠和螺母表面粗糙度值為Ra3.2 μm，粗糙度值偏大，所以容易造成螺母磨損。

(4)加工和裝配工藝

老工藝絲杠、螺母按圖紙給定的精度單獨(dú)加工，由于牙形角偏差，絲杠、螺母的公差帶允差等因素的影響，二者會(huì)出現(xiàn)配合不好或者配合間隙過(guò)大、過(guò)小的情況，一旦出現(xiàn)這些情況，就會(huì)使絲杠螺母副易磨損。

開(kāi)始時(shí)由于交貨周期緊，絲杠座的裝配定位沒(méi)有配備專(zhuān)用的工裝，用絲杠直接裝配定位。由于絲杠上螺紋段的外圓是不連續(xù)表面，其他外圓段相對(duì)較短或者精度不高不方便定位(見(jiàn)圖2)，所以對(duì)裝配工人的技能要求較高。絲杠座一旦定位不好，絲杠的正、側(cè)向與導(dǎo)軌面的正、側(cè)向平行超差，也會(huì)出現(xiàn)絲杠螺母副易磨損的現(xiàn)象。

(5)潤(rùn)滑方式

絲杠螺母的潤(rùn)滑采用油池潤(rùn)滑(Z 向)和齒輪飛濺潤(rùn)滑(Y 向)。油池潤(rùn)滑是在油池的底部打小孔并塞入毛線，油液沁滿毛線后淋到絲杠螺母副上進(jìn)行潤(rùn)滑。這種潤(rùn)滑方式會(huì)因裝配人員塞入毛線的松緊程度而影響絲杠螺母的潤(rùn)滑效果;齒輪飛濺潤(rùn)滑也會(huì)因齒輪轉(zhuǎn)速的高低及淋到齒輪上油液的多少而使絲杠螺母的潤(rùn)滑不充分。潤(rùn)滑不好，必然會(huì)導(dǎo)致螺母易磨損［3］。

2 改進(jìn)方法

根據(jù)上述的原因分析，采取了下述改進(jìn)方法來(lái)解決絲杠螺母副易磨損的問(wèn)題。

(1)材料

絲杠材料由45 鋼改為 YF45MnV 結(jié)構(gòu)鋼。YF45MnV 是一種易切削非調(diào)質(zhì)鋼，其硬度為230～260 HB，稍高于45 鋼調(diào)質(zhì)態(tài)(45 鋼T235 的硬度為220～250 HB)，而切削性能僅相當(dāng)于45 鋼的正火態(tài)。車(chē)削后絲杠表面硬度均勻，并能改善絲杠加工的表面粗糙度，而且無(wú)需調(diào)質(zhì)工序，故材料更改后不僅提高了加工效率、降低了成本，而且提高了絲杠的質(zhì)量、精度和耐磨性［4］。

螺母材料由鑄鋁青銅ZQAl9 -4 改為鋁基合金ZTBZA31YB。ZTBZA31YB 鋁基合金是以密度2.7 t/m3的鋁合金元素為基礎(chǔ)，添加21 種金屬元素，采用特殊工藝將合金液中氫氣、氫原子排除，采用激冷、復(fù)合激冷鑄造工藝，有效杜絕了疏松、針孔等鑄造缺陷，大幅度提高了合金的減磨耐磨特性和綜合技術(shù)性能。與銅合金相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn):密度小了4.8 t/m3(ZQAl9-4 密度為7.5 t/m3)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小了1/2 以上;硬度高為142～147 HB(ZQAl9-4 硬度為100～110 HB);摩擦系數(shù)小0.035～0.038(鑄銅為0.07～0.08)，故其耐磨壽命比鑄銅延長(zhǎng)2～4 倍以上。

(2)結(jié)構(gòu)

將螺母長(zhǎng)度由120 mm 加長(zhǎng)至205 mm，這樣

所以P=107.29 MPa ＜［P］=110 MPa，滿足梯形絲杠設(shè)計(jì)要求。

(3)表面粗糙度

修改圖紙，把絲杠、螺母牙形的表面粗糙度值由Ra3.2 μm 改為Ra1.6 μm。

針對(duì)新材料，首先選用合適的刀具，然后匹配切削用量，保證絲杠、螺母加工后的表面粗糙度值達(dá)到Ra1.6 μm，以減小摩擦，保證配合性質(zhì)的穩(wěn)定性，提高絲杠螺母副的耐磨性。

(4)工藝

為了使絲杠、螺母的牙形角相吻合、配合間隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求，二者螺紋的精車(chē)工序采用配對(duì)加工法:即一件絲杠精車(chē)好后，根據(jù)絲杠的實(shí)際螺紋尺寸來(lái)精車(chē)配對(duì)螺母的螺紋，精加工完成后打編號(hào)成套入庫(kù)。配對(duì)加工法可有效保證絲杠螺母副的配合精度，減小磨損。

采用空殼定位法來(lái)定位裝配絲杠座?？諝ざㄎ环ㄊ窃诰哂羞B接定位要求的零、部件未進(jìn)行裝配前，利用工裝進(jìn)行預(yù)定位，相互位置確定后，再進(jìn)行各自部件的裝配，進(jìn)而完成整個(gè)裝配工作的一種方法［5］。

如圖3 所示，利用工裝測(cè)量套和測(cè)量軸，以導(dǎo)軌面為基準(zhǔn)先找正測(cè)量軸的正、側(cè)向母線，即先校準(zhǔn)絲杠座，然后配作絲杠座的定位銷(xiāo)孔。絲杠座預(yù)定位完成后，拆下工裝測(cè)量套和測(cè)量軸，然后再安裝絲杠。這樣就能較好地保證絲杠與導(dǎo)軌面的平行，減小因裝配誤差而導(dǎo)致的絲杠螺母磨損。

(5)潤(rùn)滑方式

改用容積式潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)潤(rùn)滑絲杠螺母副。容積式潤(rùn)滑系統(tǒng)，由電動(dòng)間隙潤(rùn)滑泵供油，油量分配器(PDI)將潤(rùn)滑油按選定的注油量輸送到各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，潤(rùn)滑周期可根據(jù)需要在PC 中設(shè)定。

眾所周知，要使運(yùn)動(dòng)副的摩擦減小，必須在運(yùn)動(dòng)副表面保持適當(dāng)?shù)那鍧嵉臐?rùn)滑油膜，即維持摩擦表面之間恒量供油以形成油膜。周期定量供油，既可使油膜不被損壞又不會(huì)產(chǎn)生污染和浪費(fèi)，是一種非常好的潤(rùn)滑方式，可以較好地減小摩擦，進(jìn)而減小運(yùn)動(dòng)副的磨損。

采取以上改進(jìn)措施后，該型臥式鏜床的絲杠螺母副實(shí)際使用驗(yàn)證結(jié)果為:使用2 年后仍然工況良好，磨損甚微。使用壽命的延長(zhǎng)，減少了維修、更換的費(fèi)用，相應(yīng)降低了成本。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)梯形絲杠螺母副的磨損情況，首先從材料、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、加工和裝配工藝、潤(rùn)滑方式等方面進(jìn)行了多因素的原因分析，然后針對(duì)不同的原因采取了一系列的改進(jìn)方法，實(shí)踐證明，這些改進(jìn)方法有效地解決了梯形絲杠螺母副易磨損的難題。

由于采用了新材料、新工藝，不僅保證了絲杠螺母副的精度和使用要求，而且提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，提高了機(jī)床的經(jīng)濟(jì)效益。故而拋磚引玉，與廣大同行共享。

［1］戴曙.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［2］甘永立. 幾何量公差與檢測(cè)［M］.7 版. 上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.5 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］付承云，李祥文，羅秀珍. 機(jī)床零件用鋼及熱處理JB/T6609 -2008［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］李躍年.空殼定位法在裝配中的應(yīng)用［J］. 金屬加工:冷加工，2012(19):41 -44.