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丝杠是一种精度很高的零件,它能精确地确定工作台坐标位置,将旋转运动转换成直线运动,面且还要传递一定的动力,所以在精度、强度及耐磨性等方面都有很高的要求。所以,丝杠的加工从毛坯到成品的每道工序都要周密考虑,以提高其加工精度。

1、丝杠的分类


机床丝杠按其摩擦特性可分为三类:即滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。


由于滑动丝杠结构简单,制造方便,所以在机床上应用比较广泛。


滑动丝杠的牙型多为梯形。这种牙型比三角形牙酬具有效果高,传动性能好,精度高,加工方便等优点。


滚动丝杠义分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。滚珠丝杠与滚柱丝杠相比而言,摩擦力小,传动效率高,精度也高,因而比较常用,但是其制造工艺比较复杂。


静压丝杠有许多的优点,常被用于精密机床和数控机床的进给机构中。其螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同。但牙形高于同规格标准螺纹1.5~2倍,目的在于获得良好油封及提高承载能力。但是调整比较麻烦,而且需要一套液压系统,工艺复杂,成本较高。


2、丝杠的结构特点及技术要求


(1)丝杠结构的工艺特点


丝杠是细长柔性轴,它的长度L与直径D的比值很大,一般为20~50,刚性较差。结构形状复杂,有很高的螺纹表面要求,还有阶梯、沟槽等,所以,在加工过程中易出现变形。


(2)精度等级


在国家标准GB785-65中,对普通梯形螺纹精度是按中径公差划分的。共有五项基本参数:即外径D、内径D1、中径D2、螺距T及牙形半角α/2。由于丝杠要传递准确运动,因此,按JB2886-81规定,丝杠及螺距的精度,根据使用要求分为6个等级:4、5、6、7、8、9(精度依次降低)。


各级精度丝杠应用范围如下:4级为目前最高级,一般很少应用;5级用于精密仪器及机密机床,如坐标镗床、螺纹磨床等;6级用于精密仪器、精密机床和数控机床;7级用于精密螺纹车床、齿轮加工机床及数控机床;8级用于一般机床,如卧式车床、铣床;9级用于刨床、钻床及一般机床的进给机构。


一般所说的精密丝杠是指5、6、7级丝杠。精密丝杠有淬硬丝杠和不淬硬丝杠两种。前者的耐磨性较好,能较长时间保持加工精度,但加工工艺复杂,必须有高精度的螺纹磨床和专门的热处理设备,而后者只需要精密丝杠车床。


滚珠丝杠副和滚珠丝杠的精度等级也分为六个等级。


(3)技术要求


对于丝杠的技术要求可分为如下几项:


①精度等级;


②表面粗糙度;


③单个螺距允差和定长上的累积允差;


④中径圆度允差;


⑤外径相等性允差;


⑥外径圆跳动允差;


⑦牙形半角允差;


⑧中、外、内径允差等项。


3、材料的选择


丝杠材料的选择是保证丝杠质量的关键,一般要求是:


(1)具有优良的加工性能,磨削时不易产生裂纹,能得到良好的表面光洁度和较小的残余内应力,对刀具磨损作用较小。


(2)抗拉极限强度一般不低于588MPA。


(3)有良好的热处理工艺性,淬透性好,不易淬裂,组织均匀,热处理变形小,能获得较高的硬度,从而保证丝杠的耐磨性和尺寸的稳定性。


(4)材料硬度均匀,金相组织符合标准。常用的材料有:不淬硬丝杠常用T10A,T12A及45等;淬硬丝杠常选用9MN2V,CRWMN等。其中9MN2V有较好的工艺性和稳定性,但淬透性差,常用于直径≤50MM的精密丝杠;CRWMN钢的优点是热处理后变形小,适用于制作高精度零件,但其容易开裂,磨削工艺性差。


丝杠的硬度越高越耐磨,但制造时不易磨削。


4、丝杠加工的典型工艺过程


在丝杠的加工为了获得较高的精度,加。下工艺过程应考虑以下几点:


(1)对外圆和螺纹可分多次加工,逐步减少切削量,从而逐步减少切削力和内应力,减少加工误差,提高加工精度。


(2)每次粗加工外圆及粗加工螺纹后都要进行时效处理,以便消除内应力。丝杠的精度要求越高,时效处理的次数也越多。


(3)每次时效处理后都要重新打中心孔或修磨中心孔,以修止时效处理时产生的变形;并除去氧化皮等,使加工有可靠而精确的定位基面。


(4)每次加工螺纹前,先加二L丝杠外圆(切削量很小),然后以丝杠外圆和两端中心孔作为定位基面加丁:螺纹,逐步提高螺纹加工精度。


丝杠加工过程中校直和热处理工序,是保证丝杠精度,防止弯曲变形的关键工序。但是校直本身会产生内应力,这对精度要求较高的丝杠来说是不利的。因为内应力有逐渐消失的倾向,由于内应力的消失会引起丝杠的变形,这就影响了丝杠精度的保持。所以,对精度要求高、直径较大的精密丝杠,在加工过程中不较直,而是采用加大径向总余量和工序间余量的方法逐次切去弯曲变形,经多次时效处理和把工序划分的更细的方法来解决变形问题。


为避丝杠因自重引起弯曲变形,存放对应垂直放置,热处理时要在井式炉中进行。


一般不淬硬丝杠的螺纹经车削而成,而淬硬丝杠的螺纹在螺纹磨床上磨出螺纹。但对牙形半角大和大螺距、丝杠、螺纹的粗加工还是在淬硬前车削为好。


6、丝杠的热处理


首先要求对毛坯进行热处理,由于精密级和一普通级两类丝杠用料不同,它们的热处理方式也就不同。毛坯的热处理要求:(1)消除毛坯制造产生的内应力;(2)控制硬度以适应机械加。工的切削性能,一般切削硬度控制在HBS140~248之间为宜。


通常含碳量在0.25%~0.5%的中碳钢用正火,含碳量0.5%~0.8%的亚共析钢或共析钢用退火。对于含碳量在0.8%~1.2%的过共析钢,由于其组织中存在粗片状珠光体及网状渗碳体,硬度比较高,要采取球化退火热处理(球化退火是将毛坯加热到750~780℃后,以40~40℃/时的速度冷却至500~550℃,然后在空气中自然冷却)。


7、基面的选择


由于热处理使丝杠产生变形,而义不允许有冷直法校直,必须用切削方法纠止。如果仍采用原来的中心孔就会使加工余量过大。另外,中心孔本身也会有变形,因此对于不淬硬丝杠采用切去原中心孔,重新打中心孔(最后一次修正中心孔工序除外)的方法。在重新打中心孔之前,找出丝杠径向圆跳动量为最大的圆跳动量的一半的两点,而后用中心支架支撑在这两点上并按外圆找正,切去原米的中心孔,重新打中心孔,这样就可使总加工余量减少很多。对于淬硬丝杠只能采用每次研磨中心孔的方法进行修正。


加工丝杠时,理论上是以中心孔为主要基面,外圆为辅助基面。实际上,在加工螺纹时,外圆本身的圆柱度和圆度,跟刀套与丝杠的配合精度,跟刀套与两顶尖连线的同轴度都成为影响螺纹加工精度的因素。因此工艺过程应为:在热处理后先加工外圆,再加工螺纹,以加工后的外圆定位。这样,终磨时外圆精度要求也相应地提高。

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