金 俊，查文彬，王禹林，溫 貴，歐 屹

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

0 引言

滾珠絲杠是一種實現(xiàn)定位與傳動的裝置，是常用的滾動功能部件之一。然而國內高精度滾珠絲杠的加工水平仍與歐美及日本相差較大，對于精度要求極高的滾珠絲杠仍須通過經驗豐富的工人手工研磨，加工效率低。

研磨是一種高精加工工藝，主要分為自由磨粒研磨和固結磨料研磨，可加工各類金屬材料和非金屬材料[1-4]。隨著研磨工藝的進一步發(fā)展，近年來也出現(xiàn)了磁力研磨、超聲振動輔助研磨等新型研磨方法[5-6]。然而，多數(shù)研磨相關文獻，其研磨對象多為平面或球面等幾何形狀較為簡單的材料表面[7-9]，鮮有對滾珠絲杠滾道研磨的文獻報道。Guevarra D S[10]等提出了絲杠適用的研磨裝置，設計了立式絲杠研磨系統(tǒng)，并進行了研磨試驗，結果表明，研磨后絲杠精度等級由5級變?yōu)?級，全程變動量由9.6μm降為3.8μm。其進一步設計的臥式研磨系統(tǒng)所進行的研磨試驗結果表明，10個來回研磨后，絲杠全程變動量由17.42μm減小至9.2μm，故該裝置在保證研磨效果基礎上具有較高的研磨效率[11]。然而Guevarra D S等人所做研磨試驗的絲杠規(guī)格較小，其公稱直徑為14mm，導程為2mm，有效螺紋長度為260mm，且缺乏研磨對滾道表面粗糙度及殘余應力影響的進一步研究。

本文旨在通過自主設計的滾珠絲杠研磨工裝對磨削絲杠進行研磨試驗，探究自主研制的絲杠研磨裝置及滾珠絲杠研磨工藝的有效性。試驗所用絲杠為正常規(guī)格，其公稱直徑為40mm，導程為10mm，螺紋長度為840mm。試驗除了對比研磨前后絲杠行程誤差外，還研究了滾道表面粗糙度及表面殘余應力的變化情況。

1 絲杠研磨工裝與研磨系統(tǒng)

試驗所用絲杠研磨工裝示意圖如圖1a所示[12]。端蓋5與套筒1以螺紋配合，旋轉端蓋5使墊圈4產生軸向位移，壓縮橡膠圈2軸向長度，使其沿半徑方向膨脹，進而將研磨壓力作用于研磨螺母3。研磨螺母結構如圖1b中所示，分別從兩端面切出3條均布的縫隙，形成一個六片式的研磨螺母，以使研磨螺母受力后易于變形，在橡膠圈的作用下與滾珠絲杠外滾道接觸。

(a)滾珠絲杠研磨工裝示意圖

1.套筒 2.橡膠圈 3.研磨螺母 4.墊圈 5.端蓋6.滾珠絲杠

將研磨工裝與待研絲杠裝配，采用三爪卡盤—頂尖裝夾方式將絲杠固定于研磨試驗臺上。試驗前將磨料涂覆于絲杠滾道表面，再通過套筒及端蓋側面的螺栓旋緊端蓋得到適合的研磨力矩。研磨時由圖2中托架上的隨動裝置抵住滾道表面，控制電機正反轉可使研磨工裝與托架隨絲杠轉動而前進或后退。端蓋上的螺栓可作用于托架上的壓力傳感裝置，可進一步測得研磨時的摩擦力矩。通過軟件設置可調節(jié)電機轉速和正反轉，通過調節(jié)限位開關可控制研磨長度。

圖2 滾珠絲杠研磨試驗系統(tǒng)

2 試驗設計

為研究絲杠的行程誤差、表面粗糙度及表面殘余應力隨研磨時間的變化情況，所制定的研磨試驗方案如圖3所示。

圖3 研磨方案

由于托架裝置的存在，絲杠右端280mm長度無法研磨，有效研磨長度為560mm。研磨螺母長度為80mm。研磨分3個階段，每個階段研磨螺母來回研磨6次，且每個階段中研磨3次后調裝研磨螺母方向以保證研磨不受研磨螺母制造誤差的影響，使絲杠研磨更均勻。階段Ⅰ中，研磨部分為絲杠從左端起到距離左端560mm處，階段Ⅱ中，右極限位置不變，絲杠左端預留120mm完全研磨部分，以便后續(xù)在此完全研磨部分取樣，此段樣件為研磨1個周期后的滾道表面，記為樣件1。階段Ⅲ同理預留100mm完全研磨部分以便取樣，此段樣件為研磨2個周期后的滾道表面，記為樣件2。由幾何關系，階段Ⅲ時完全研磨部分長度為100mm，此段樣件為研磨3個周期后的滾道表面，記為樣件3。此外，研磨所用磨料為綠碳化硅，與煤油1:1混合均勻涂抹于絲杠，階段Ⅰ、Ⅱ所用綠碳化硅磨料粒度為W14(#600)，階段Ⅲ所用綠碳化硅磨料粒度為W7(#1000)。絲杠轉速為30r/min，研磨時摩擦力矩控制在2.5Nm。通過線切割獲得絲杠樣件，切樣時保證樣件1、2、3都在各階段完全研磨段中。在右側原始未磨段中取樣件0。各樣件均為50mm長。

3 試驗結果與分析

3.1 行程誤差結果與分析

如圖4所示為絲杠行程誤差動態(tài)測量臺，可測得絲杠正反向行程誤差。絲杠行程誤差隨研磨周期變化情況如表1所示，其中2π變動量V2π與全程變動量Vu如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，初始時左右滾道的行程誤差較為一致，研磨2個周期后左右滾道的全程變動量Vu先變好再變差且2周期后Vu與初始值相近，而在此過程中2π變動量V2π變差，這可能是由于研磨2個周期后出現(xiàn)過研磨，使行程誤差反而變差。換用W7的綠碳化硅磨料再進行1個周期的研磨，2π變動量V2π、300mm行程變動量V300及全程變動量Vu均出現(xiàn)下降。研磨后，左滾道全程變動量由10.52μm下降為5.63μm，下降46.5%，右滾道全程變動量由9.53μm下降為7.22μm，下降24.2%，說明自制的研磨工裝可改善滾珠絲杠的行程誤差。

圖4 3m激光絲杠行程誤差動態(tài)測量臺

研磨周期VuV2πV300研磨010.524.5210.52研磨17.795.797.79研磨29.877.289.87研磨35.633.395.63

(b)正向行程誤差(右滾道)

圖5 2π變動量隨研磨周期變化

圖6 全程變動量隨研磨周期變化

3.2 表面粗糙度結果及分析

各樣件表面粗糙度的測量在Taylor Hobson白光干涉儀上完成，如圖7所示。試驗后各樣件的表面粗糙如表2所示。滾道表面粗糙度隨研磨周期數(shù)變化如圖8所示。可知，左右滾道初始表面粗糙度并不一致，左滾道表面粗糙度較差，其Ra為0.4352μm，而右滾道表面粗糙度較低，其Ra為0.1906μm。研磨1、2周期內較為光滑的右滾道表面粗糙度持續(xù)增加，顯然是因為W14磨粒對右滾道而言過粗，此時研磨無法獲得更光滑的表面。左滾道在此過程中先增后減，這可能是由于研磨前期磨粒對表面微切削、梨耕、壓痕作用而產生的坑洼分布不均，反使表面粗糙度增加。

由圖8發(fā)現(xiàn)樣件2左右滾道表面粗糙度數(shù)值接近，說明研磨可使粗加工導致的左右滾道表面粗糙度差異降低。經過第3研磨周期后，滾道表面粗糙度進一步降低，這主要是因為此研磨過程將綠碳化硅的磨粒大小由W14換為W7。并且，由圖8可知此研磨周期內左右滾道粗糙度變化較為一致。

圖7 Taylor Hobson白光干涉儀

次數(shù)樣件0樣件1樣件2樣件3左滾道10.41570.64470.36780.304320.40430.76540.42670.254330.51450.60850.30860.259840.43450.72640.40170.224750.40680.69270.42410.2861平均值0.43520.68760.38580.2658右滾道10.18340.24730.38220.315720.18810.20670.31300.266630.18600.29570.30100.308040.18640.42920.44450.289250.20900.32360.37570.2419平均值0.19060.30050.36330.2843

圖8 滾道表面粗糙度Ra平均值隨研磨周期的變化

3.3 殘余應力結果及分析

表面殘余應力影響滾珠絲杠的疲勞壽命[13]，是研磨試驗后檢測的重要參數(shù)之一。測量所用X射線應力測定儀如圖9所示。樣件殘余應力如表3所示，其隨研磨周期變化情況如圖10所示。由表3可知，滾道表面始終呈現(xiàn)殘余壓應力。初始時滾道表面壓殘余應力較小，隨著研磨期數(shù)增加，樣件殘余壓應力逐漸增大。這是由于磨粒對滾道表面的微切削、梨耕及壓痕作用，使?jié)L道表面形成一定塑性變形，增大了殘余應力。隨研磨周期數(shù)增加，滾道表面塑性變形程度增大，故而滾道表面殘余應力也增大。研磨三個周期后，可將殘余壓應力增大2～3倍，滾道表面的殘余壓應力平均值可達-450MPa以上，有利于延長絲杠的使用壽命。

圖9 X射線殘余應力測定儀

測量次數(shù)樣件0樣件1樣件2樣件31-163.1-209.2-408.9-532.22-161.7-212.8-282.6-450.23-148.2-321.1-340.2-497.24-206.8-317.7-373.8-4605-163.3-321.9-271.2-473.5平均值-168.6-276.5-335.3-482.6

圖10 表面殘余應力平均值隨研磨周期數(shù)的變化

4 結論

本文主要介紹了自行研制的滾珠絲杠研磨裝置，并進行了單絲杠分段研磨試驗。試驗總結如下：

(1)使用自制的研磨裝置可有效改善滾珠絲杠的行程誤差。在W14綠碳化硅磨料、30r/min轉速、2.5Nm研磨力矩的研磨參數(shù)下，研磨2個周期后，即研磨12個來回，行程誤差變差，出現(xiàn)過研磨現(xiàn)象；

(2)研磨工藝可減小前期絲杠粗加工時導致的左右滾道表面粗糙度差異。研磨后滾道所能達到的表面粗糙度與磨粒大小及初始表面有關，較細磨?？色@得更光滑的滾道表面，但若初始表面較為光滑則可能出現(xiàn)研磨后表面粗糙度增大的情況；

(3)研磨工藝對滾道表面殘余應力影響較為明顯，經過3個研磨周期后，可使殘余壓應力增加2～3倍，殘余壓應力值可達-450MPa，有利于絲杠的疲勞壽命。

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