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丝杠螺纹精度特点分析

发布时间:2019/1/8 9:10:04   来源:安昂传动   作者:admin   浏览量:827

 

  什么是精密滚珠丝杠螺纹滚轧成形技术?
  基於金属塑性变形理论,在CNC精密滚轧机上,一对低速旋转的螺纹轧辊用很高的压力对金属圆棒料实施径向动态强制冷滚轧,通过塑性变形使棒料外圆的金属晶粒产生滑移,并强制金属纤维沿着轧辊齿面垂直轴线方向朝齿间流动而形成所要求的齿形和导程。滚轧成形的精度(包括齿形精度、导程精度、中径精度等)取决於CNC滚轧机的精度、刚度和智慧化水平;轧辊设计的精确度、制造精度和耐用度;滚轧过程中润滑减摩效果;丝杠材料的品质(包括塑性应变能力γ值、延伸率δ、纯净度......)等关键因素。
  以金属塑性变形理论为基础的丝杠螺纹滚轧成形技术,历经半个世纪的演变,在全球科技进步的推动下,特别是HPR(High Precision Rolling)精密滚轧技术的出现,使其滚轧的产品包括RBS(Rolling Ball Screw)和RLS(Rolling Lead Screw)从量变到质变,在成批大量生产中诞生了P3?P5级精密冷轧滚珠丝杠副和Vmax=150m/min的快速静音RBS、RLS驱动产品。笔者在《高效、节能、降耗的绿色螺纹传动装置》(请见本刊2010年9月号第16~21页)一文中已对国内外滚轧成形技术和装备以及RBS、RLS产品的发展做了简单介绍。归纳起来,RBS从量变到质变、从低档迈进高档的原因,有以下五方面:
  (1)新一代的滚轧机引入CNC控制技术和传感技术,轧机的精度高、刚性好,实现了高水平的数控化、智能化,在轧制过程中根据金属塑性变形的状况和滚轧力的变化动态调整滚轧工艺参数。
  (2)轧辊的进给方式从一个轧辊单向进给发展到以工件丝杠(精胚)中心线为基准,用计算机控制一对伺服交流电机完成双轧辊的同步向心μm级精密进给。
  (3)对精密轧辊引进3D优化设计,按材料的变形规律对齿形和导程(螺距)进行修正。并使用优质合金钢,其制造精度和工作寿命大幅提高。
  (4)用於RBS滚轧精胚的材料,其品牌和质量有保证(定点供应渠道,不吃“杂粮”),在合金元素的纯净度、微量元素的含量、晶粒的球化程度、塑性应变能力、延伸率等方面能满足冷滚轧的要求。
  (5)在RBS生产在线配有与CNC精密滚轧机配套的CNC中频淬火设备、CNC自动矫直机、螺纹滚道精密抛光设备及完整的质量控制手段等。
  可以看出,tbi滚珠丝杆这是一个技术含量较高的制造领域,要迈入HPR的门槛并非轻而易举。据了解,海外某些企业虽然购进了先进的轧机甚至全套原装轧辊,也没能轧出P3级精度的产品,还只停留在P5?T7级的水平。其实,关键的核心技术以及制造过程中的诀窍“Know How”是很难用钱买来的,需要用我们自己的智慧刻苦钻研、坚持不懈地实践摸索而获得。
  什么是精密RBS呢?根据国际标准ISO3408-3(2006)《滚珠丝杠副 第3部分 验收条件和验收检验》之规定,其主要技术指标见表1。ISO标准把P0级、P1级、P3级、P5级定义为“定位型(positioning)”。因此,能达到ISO标准中的P5级,P3级,应视为精密RBS产品。
  “精密RBS”VS“MBS”
  笔者把相同精度(P3级)和同一种规格的精密RBS和MBS(磨削滚珠丝杠副)在产品性能方面做了一个简单的(非定量的):
  精密滚珠丝杠螺纹滚道采用两种制造技术所获得的表面粗糙度。
  滚珠丝杠螺纹滚道两种制造技术的表面粗糙度对比
  (引自日刊“机械设计”2004.4)
  相同精度和规格(Φ40×10R-6×4),RBS和MBS产品轴向静刚度。
  相同规格和精度的两种滚珠丝杠副(Φ40×10R-6×4)产品静刚度的对比
  (资料来源:Rexroth)
  从以上对比可以看出:精密RBS具有“同等级质更优”的“芯里美”现象。丝杠螺纹的“精密CNC滚轧技术和装备”以及“CNC硬旋铣技术和装备”正向“螺纹磨削技术和装备”提出了挑战。多年一贯制“螺纹磨削一统天下”的传统工艺和“非磨无以成器”的观念正在发生变化。有国外业内专家指出:“长期处於螺纹磨削阴影下的冷轧螺纹技术,这样的年代一去不复返了。”“将冷轧滚珠丝杠副视为低精度传动元件的概念应该重新评估。”
  RBS从量变到质变,从低端迈向高端,tbi螺杆是丝杠螺纹制造技术的重大突破,是绿色成形制造技术在线性传动领域中的重要成果。
  但是,几乎可以肯定的是:“CNC精密滚轧螺纹技术和装备”绝对不会取代“CNC精密螺纹磨削技术和装备”。高档数控机床所需的P2级、P1级、甚至P0级高精度滚珠丝杠副,只能采用高精度、高性能的CNC螺纹磨床来完成,“非磨无以成器”更不能一概否定。更何况,对RBS精度有重大影响的精密轧辊,还离不开用高精度、高性能的CNC螺纹磨床精加工。
  反过来,“CNC精密滚轧螺纹技术”和“CNC螺纹硬旋铣技术”的出现,又成为推动CNC螺纹磨削技术向高效自动化、高精度化、智能化、绿色化、大型化发展的助推器,产生了逼近态势。这也是数控机床国家重大专项攻关中急需解决的关键问题。
  精密RBS悄然进入CNC装备领域
  不同挡次的数控机床和CNC工业装备对滚珠丝杠副的精度等级提出不同的要求。
  近年,数控机床向高精度、高性能、多轴联动复合化方向发展,在新修订的ISO3408-3标准中,也增加了P0级,以满足高精度CNC磨床、CNC坐标镗床、CNC超精加工机床等高档数控机床的需要。从表3可以看出:大多数常用的数控机床用於伺服进给系统的滚珠丝杠副还都集中在P3级、P5级这个精度档次。因此,能够达到P3级、P5级的精密RBS进入CNC装备领域是水到渠成、自然而然的事,是RBS提升档次後的必然结果。
  用於CNC机床和CNC工业装备的精密冷轧滚珠丝杠副
  北京PCA霹西自动化公司(成立於1990年,是北京航空材料研究院与制造RBS着称的德国Neff公司的合资企业),当年就是利用Neff公司的冷滚轧滚珠丝杠,自己再配制滚珠螺母组装销售。混装的RBS产品多数达到P5、T7级,少数达到P3级。该公司是我国最早将精密RBS引入中国市场并在CNC工业装备和数控机床中成功应用的企业。据北京PCA公司肖长华总经理介绍,其RBS产品在我国中、低端数控机床中,用户的满意度较高(返修率很低),虽然比国内同规格同精度的售价略高,而且还是“座销”的经营方式,老用户依然喜欢用他们的产品。此外,南京优励聂夫公司、深圳威远公司也从国外购进冷轧丝杠,从事RBS混装产品的生产营销,其中有不少精密RBS产品用於数控机床。实际上精密RBS(丝杠进口)早已不声不响地进入我国数控机床市场。
  笔者五年前曾在深圳与德国Rexroth公司在香港的“博世力士乐(中国)有限公司”业务总经理肖瑞华博士交谈中就得知:Rexroth从2006年开始就把大部分螺纹磨床转出去了,集中全力批量生产RBS产品。至今滚珠丝杠副总销售量中RBS约占80%?90%。该公司成功地使用PROFIROLL公司的CNC精密滚轧机,并掌握了核心技术,成为本国“CNC滚轧机—轧辊—滚轧技术”总体解决方案的直接受益者。RBS产品的精度多数为P5-T7级,少数为P3级。因占用生产车间面积缩小、操作工人减少、批量大、生产周期很短、废品率很低,RBS的售价同比低於磨削产品的30%左右,在欧洲闭环控制的CNC机床中广泛应用。Rexroth公司对产业结构和制造工艺所作出的重大调整反映了该公司对精密RBS制造技术和市场前景的信心。也是低碳经济时代制造技术绿色化的一个值得业内人士关注的信号。
  为什么P3级P5级精密RBS产品能够迈入CNC机床和CNC工业装备领域并受到用户青睐呢?除了前述精密RBS具有“同等级质更优”的特征外,笔者认为还有以下原因:
  (1)在数控机床功能部件的设计选用中,那种忽视滚珠丝杠性能指标(动态预紧转矩、轴向刚度、疲劳寿命……)而一味片面追求导程精度的设计思路已经过时了。
  (2)精密RBS导程精度的误差分布线性好,易於补偿,通过CNC闭环、半闭环反馈补偿,能够又好、又快、又省地满足主机定位精度和tbi丝杆价格要求。
  从事RBS专业生产的企业,当突破了精密冷滚轧的核心技术,其产品质量稳定,并达到量产水平後,将会出现以下前景:
  对於传动型低精度的RBS(T7~T10级),在各类机械装备的传动装置中,RBS产品因产能大、周期短、成本低,能迅速进入多元化的市场。在我国当前劳动力成本、原材料成本上扬的情况下,用低碳技术制造的绿色产品,是“低端混战”中杀出的一匹黑马。
  对於定位型精密RBS(P5~P3级),当其进入CNC机床和CNC工业装备领域将使主机功能部件的成本下降,并提高主机的低碳化水平。
  总之,无论普通RBS或精密RBS,在低碳经济时代,都是具有市场潜力的新兴的低碳型滚动功能部件。
  结语
  本人在北京机床研究所的科研生产一线长期从事精密机床、数控机床所需精密螺纹传动装置的试验研究、技术攻关和生产实践。近年,基於对绿色制造技术的关注,研究和分析了丝杠螺纹滚轧成形技术的有关文献和信息。笔者的心愿是:愿与业内人士共同分享这些信息并借以唤起业内人士和用户对这一绿色制造技术和产品的关注和重视。本人不是从事金属冷滚轧专业的,文中恐有不当之处,敬请批评赐教。
  借此机会感谢蔡蔚先生(原昆明冷轧技术研究所所长)、何新波博士(北京科技大学教授、博导)、肖长华先生(北京PCA公司总经理)、杨耀慈先生(原南京工艺装备厂副总师)、吴伟先生(福建南靖长青精密丝杠公司总经理)、李一前先生(深圳威远精密机械公司总经理)、谭小锋先生(德国宝飞螺公司上海首席代表)、孟令元先生(美国肯尼福公司中国区代表)、肖瑞华博士(博世力士乐(中国)公司业务总经理)等在调研中提供的信息和帮助。
  黄祖尧先生是中国机床工具工业协会滚动功能部件分会高级顾问,北京机床研究所教授级高工、国务院特殊津贴专家。从2004年起,黄先生开始从绿色制造的角度调研、观察国内外丝杠螺纹滚轧成形技术及RBS的发展,并提出一些独到的见解和关於发展的若干建议。在当前倡导低碳、循环经济的潮流下,黄先生的研究对中国机床工业和装备制造业的发展具有积极的意义。
  精密RBS产品的特点
  精密RBS除具有螺旋滚动摩擦传动副的基本物理特徵外,基於无屑滚轧成形与金属切削制造工艺的差异还具有以下特点:
  1.滚轧成形後的滚道表面,在强大的滚压力作用下金属内部组织的缺陷得到弥补、金属纤维不但没有被切断,内部组织更致密。因此,机械强度和疲劳寿命得到提高,据有关文献介绍:抗拉强度提高20%~30%、疲劳强度提高20%~40%、抗剪强度提高5%。
  2.作为无屑加工,其资源利用率高。对优质钢材的利用率高达80%~90%,比切削加工节省材料15%~30%。
  3.螺纹滚道表面经过滚轧和抛光後表面光滑,表面粗糙度最高可达Ra0.5~0.8μm。并避免了切削和磨削加工中易产生的“振纹”、“裂纹”、“齿面烧伤”、“硬点”等影响疲劳寿命的缺陷。
  4.轧辊的寿命和在一次加工中的耐用度远远高於切削刀具和砂轮。同一批滚轧出来的滚珠丝杠,它们的导程精度、齿形精度、中径圆度和圆柱度等重要精度指标具有较高的“同一性”,这就带来三个难得的优点:(1)当RBS用於多轴驱动时,它的“同步性”功能得到凸显。例如:在“重心双驱动型加工中心中”一对“双胞胎型”的P3级精密RBS,能又好又省地完成同步、双驱动的功能;(2)因为滚珠丝杠副的动态预紧转矩偏差dTpp是与丝杠的中径圆度、圆柱度呈函数关系,因此,精密RBS的dTpp更优於一般滚珠丝杠;(3)导程误差的离散性小、曲线较平滑,便於CNC补偿。
  5.比磨削加工的生产效率高出几十倍,生产效率很高,有利於实现标准化、专业化大批生产。由於精密RBS产品具有很高的互换性,“丝杠”和“螺母”可分离成为独立的商品,更为“短周期库存性”的生产和营销模式创造了条件。
  6.低能耗、低材耗、低油耗、短周期使制造成本大大降低。特别是当制造工艺稳定後,其效果更明显。
  7.对环境的负面影响小,是宜人化的制造技术。处於恒温封闭环境的精密螺纹磨削,含有磨粒和金属粉尘的油雾,十分不利於工人的健康。采用真空强排油雾的措施虽然可以改善工况,但并非所有企业都能做到。
  8.对於超细长(L/D≥50)、大导程和超大导程(导程角φ≥17°)、多头螺纹丝杠,采用RBS是最佳选择。因为大螺旋角的齿形乾涉问题、细长丝杠的弯曲变形问题一直以来是螺纹磨削的难点。而CNC滚轧技术在这方面有其独特优势。


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