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

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离合器毂是某变速箱换挡机构中的关键零件，其齿槽的形位公差(对称度)直接影响整车的换挡性能。经过三次的工艺试验均未到达设计的质量要求，本文结合滚珠丝杠副传动的理论依据，经过实验数据分析解决离合器毂的产品品质符合性，对涉及到机械加工的质量攻关的项目具有-定借鉴意义。

1 齿轮毂的工艺方案介绍齿轮毂受力特点是既承受齿轮的纯滚动传动又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为20CrMnTi，采用的热处理为渗碳淬火，表面硬度HRC58-62，有效硬化层深 0.8-1.2，芯部硬度HRC33-45。

从工艺经济性角度考虑，加上其结构的局限性，槽的成型直接由热前机加工艺和热处理保证，热后不再进行加工。经过不同时间三批次共36件的跟踪试验发现，热处理渗碳淬火造成的变形在 0.08 mm以内。根据工艺过程公差分配原则，精铣槽工序需要将对称度控制在 O.07 aim内，否则整个工艺过程结果将无法保证。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 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。

表 1 齿轮毂工艺过程表工序号 工序描述 用逢10 下料20 锻造 获得锻坯30 等温正火 改善内部组织、降低内部应力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80 清根 齿槽底部圆弧清根。留单边O rarl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 )l1O 磨内孔 孔最终尺寸成塑120 磨齿 齿形齿廓最终成型表 2 主要设备和刀具技术条件序号 要求名称 具体技术要求I 工作台规格 ，ira400 nun2 回转直径 4，500rain3 敷控系坑 半闭环 FANUC控制系统4 最小分度 l 05 工作台回转精度 5 36006 定位精度 x、Y、Z定位精度 0.01mint全程7 重复定位精度 X、Y、Z重复定位精度0.005 tara8 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 9 主轴锥度 Is07388/1 lIT40#10 刀柄 山特维克整体式瓶压刀柄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2.2零件夹紧定位方案以 84孔位定位基准，使用胀套芯轴工装夹紧，消除普通芯轴与孔的配合间隙，其夹紧示意如图 1所示。

-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-)，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间隙造成的总精度误差为：QIl Q D (4)QA 口AA.口 口 (5)Q △ (6)△A 且A，p(a-咕)△阳-帼) (7)口 (A ) (8)△cD△印(cD)△，P(C-D) (9)艿cD ( )6 ( ) (10)其中，△ 为走刀方向自A向B时，配合间隙；△ ( 为走刀方向自A向B时，配合间隙；6，9( . )为走刀方向自A向 B时，接触弹性变形量；( 为走刀方向自A向B时，接触弹性变形量；△ D)为走刀方向自C向D时，配合间隙；△ (C-.D)为走刀方向自C向D时，配合间隙；( )为走刀方向自C向D时，接触弹性变形量；( 。)为走刀方向自C向D时，接触弹性变形量。

丝杆与滚珠的螺母与滚珠的丝杠与滚珠的螺母与滚珠的丝杆与滚珠的螺母与滚珠的丝杠与滚珠的螺母与滚珠的利用瑞典 SECO刀具提供的软件计算各个切削力，结果如下：主切削力 F82 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 ：- 5 睾( 口) (cD)2×1.412 55 X 10-f 0.015 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：- 56y口) y(c-呻。)2×1.412 55 X 10 0.008 mm在现场实际检测到的 X轴丝杠反向间隙为0.052 mm，Y轴丝杠反向间隙为0.043 mm。即X轴：△.r )△ (c-D) 0.052 mm，Y轴 ：△y(A )△Y(C-D) 0.043 mm。

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，大猩以叠加，故有：Qx 研 ( )(△ ( A州 D) 0.0150.0520.067 mmQy y y(cD)(△y △y(c- 0.0080.0430.05l 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-Ql、/QxQy V0.0670.051 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-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-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-种方案好。

5 结果验证按照方案-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- 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.o62# O O.01 nl3 O.15 0.03 O.O2 0.15 7# O∞ O.0l 0.02 O.06 0.∞ O.05 O.063# 0 0.O3 0.1O O.15 0m 0.04 Ol5 槲 0.0o 0.∞ n04 0.0l O.02 00l 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，o50 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39Equipment Manufacturing Technology No.6，201 3看出，方案-与方案二的走刀路线主要区别是：采用方案-目的是减少加工过程中空行程运行时间，提高了生产效率 ，然而零件对称度达到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槽的方向敲与方案-相反。方案二加工效率虽然比方案-低-些，但其加工精度能满足工艺设计0.07 mm的设计要求。

6 其他应用诚介绍箱壳体类的零件是某个功能部件的基础零件，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，就不得不考虑加工过程中滚珠丝杠副反向间隙和接触弹性变形对加工精度的影响，正确选用加工路径，方能加工出较高质量的产品。

箱壳体类零件孔系关系示意图如图5所示。若按本图放置的图样加工时，不得不考虑孔系相对位置关系对加工精度的影响，确保在加工所有孔时滚珠丝杠副反向间隙和接触弹性变形在走刀方向上的- 致性。

精镗孔工序正确的走刀路径如图5(a)所示：A孔B孔叶过渡点O C孔，而不是A孔 B孔-÷C孔(如图5(b))。

实际加工结果也验证了按图5(a)方式的走刀路径的加工精度要好于按图5(b)方式的走刀路径的加工精度。按图5(a)方式走刀后 A孔对C孔的位置度达到0.025 mlTl，而按图5(b)方式走刀A孔对 C孔的位置度达到0.060 mm。

(a)正确的走刀路径 (b)不正确的走刀路径图5 箱壳体加工路径示意图7 结束语半闭环数控系统或开环数控系统虽然定位精度较差，但造价相对较低，维护简单，成本较低，仍具有广阔的市常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损状态且长期得不到专业维护保养的实际厂况中，安排加工顺序时需要考虑滚珠丝杠副反向间隙和加工过程中接触弹性变形对加工精度的影响，合理安排加工走刀路径确保走刀方向始终-致”才能加工出符合质量要求的产品。故本研究课题在使用半闭环或开环数控系统加工精度要求较高 (特别是位置公差要求较高)的零件具有较好的推广借鉴作用。