SKR7620內螺紋磨削中心的設計研究*

周 斌 楊 震 田廣利 趙曉東

（漢江機床有限公司螺磨所，陜西漢江 723003）

隨著絲杠制造業的飛速發展，絲杠加工已出現擠壓、旋銑等多項新技術，效率大大提高。但是螺母加工技術卻沒有大的突破，仍然采用傳統的分步磨削工藝，使得螺母加工效率低、精度不高、中徑一致性差，已成為絲杠制造行業進一步發展的瓶頸。漢機公司在多年螺母加工經驗基礎上，針對螺母加工的技術要求及工藝特點設計開發了內螺紋磨削中心SKR7620，有效地解決了傳統分步磨削工藝的精度和效率問題。

1 滾珠螺母工藝分析

以GQ40×8規格滾珠螺母為例，如圖1，除零件滾道需精密磨削外，螺母外圓及端面與滾道中心均有同心及垂直要求0.01 mm，表面粗糙度值小于Ra0.8 μm。另外返向器孔位置必須在螺紋滾道的中心上。

目前的螺母加工工藝通常為:粗車外圓、端面、內孔—做反向器孔—車螺紋—淬火—磨外圓、端面—校正外圓、端面后磨螺紋。上述工藝精加工存在如下問題:

首先，工件外圓、端面和螺紋在不同的機床上分兩次加工，需二次裝夾工件和找正內、外圓同心，效率低且加工精度不高。

其次，磨螺紋時無法保證插管孔在螺紋滾道的中心，影響絲杠副的綜合精度。

因此，用戶迫切需要開發能復合磨削工件外圓、端面、螺紋的內螺紋磨削中心，要求此機床能較好地解決插管孔不在螺紋滾道中心的問題;同時要求機床加工效率高，保證加工工件中徑一致性。

2 內螺紋磨削中心設計及難點

一次裝夾工件完成滾珠螺母的內滾道、外圓及端面磨削，保證工件螺紋滾道精度要求，內、外圓及端面同心和垂直要求;保證螺母插管孔在螺紋滾道的中心位置要求;同時在批量生產中還要保證螺母滾道中徑尺寸一致性0.01 mm/100件要求，以上三點是機床的設計目標。為完成設計目標，如何將螺紋磨削的功能和外圓端面磨削的功能有效地結合起來，高效、可靠地完成工件所有磨削加工要求是本機床要解決的主要問題之一。同時利用自動對刀技術可靠地保證插管孔在螺紋滾道的中心位置，是本機床要解決的另一主要問題。另外解決內螺紋磨削磨桿剛性問題，提高內螺紋磨削進給軸定位精度，保證絲杠螺母批量加工中中徑尺寸一致性在0.01 mm/100件以內也是本機床要解決的問題。

3 機床總體設計及結構

3．1 機床總體設計

SKR7620內螺紋磨削中心機床總體結構如圖2所示，其主要組成見圖3。

機床由外向里分3個功能區域:①內螺紋磨削區域。②在線測量、自動對刀區域（接觸式和非接觸式兩種）;接觸式，以滾珠絲杠螺母插管孔中心對刀;非接觸式，用于返向器螺母對刀。③外圓及端面磨削區域。

機床根據螺母加工工藝，利用螺母返向器插管孔對刀，對帶法蘭的螺母，用高精度三爪卡盤或高精度六爪自定心卡盤夾持工件，完成內螺紋滾道、外圓、端面一次裝夾磨削加工。

3．2 機床的精度指標

磨削滾珠螺母滾道，其精度為:

圓弧內螺紋精度，基本導程極限偏差為0.004 μm;300 mm長度上累計偏差為0.006 μm;有效長度內導程累計公差為0.009 μm。

外圓精度，圓度為 0.003 μm;圓柱度為 0.003 μm;表面粗糙度Ra0.32 μm。

3．3 機床結構

機床由SIEMENS 840DSL系統控制實現六軸三聯動。各數控軸控制如下:Z軸為工作臺縱向運動;X軸為工作臺橫進運動;V軸為測量頭上、下運動;Y軸為內圓磨具上、下運動;B軸為內圓磨具回轉運動（扳螺旋升角）;C軸為頭架主軸回轉運動。

4 機床關鍵部件設計研究

4．1 精密進給工作臺結構

機床頭架安裝在兩坐標工作臺上，由SIEMENS交流伺服電動機驅動頭架主軸回轉，通過電子齒輪箱與工作臺縱向運動聯動生成螺紋。工作臺縱向運動、橫向工件進刀運動由SIEMENS直線電動機直接驅動，海德漢光柵尺實現閉環控制，使直線運動定位坐標達到了較高的精度。首臺機床利用激光干涉儀實際測量，定位精度為0.001 5 mm，重復定位精度為0.000 6 mm，分辨率為0.000 1 mm，使機床在加工工件時，螺紋中徑尺寸一致性在機床精度上有了可靠的保證。直線電動機工作臺如圖4所示。

4．2 砂輪修整

頭架側面裝有電動機直接驅動的金剛碟輪，實現砂輪任意截面形狀的修形，為內螺紋干涉磨削試驗研究提供條件，也可根據用戶對效率的要求方便地實現金剛滾輪成形修整。

4．3 內圓磨具及砂輪架結構研究

內圓磨具為高速電主軸，內磨砂輪架由兩軸控制，砂輪架數控回轉角度，砂輪架上、下運動。砂輪修整時，磨頭扳至水平;修整結束，磨頭自動回轉至磨削角度，上、下自動調整中心高進入磨削狀態，這樣可以根椐不同工件選擇長度不同的磨桿，減小了磨桿加工過程中的變形，提高了工件加工的精度和精度穩定性。內磨砂輪架結構如圖5所示。滾道磨削結束后，頭架X軸運動至外磨區域磨削螺母外圓及端面。

4．4 外圓磨具

外圓砂輪主軸采用滾動磨具。滾動磨具能在無間隙和預緊下工作，調整容易，維修更換方便，無需專門的供油設備，使用精度高。近年來在國、內外螺紋磨床上得到廣泛的應用，效果很好。外圓砂輪主軸在磨削螺母外圓、端面時采用斜切入方式加工工件。

4．5 自動對刀裝置

機床配置在線測量和自動對刀裝置，用測量頭來測量工件尺寸及螺紋磨削起始點，測頭可以在5個方向觸發，利用機床的X、Z、C、V軸及觸發信號來測量工件尺寸。測量頭觸發，發出觸發信號給系統，系統自動記錄當前坐標，并通過R參數進行數學運算得到所需的的測量結果。該裝置有如下用途:

（1）測量外圓、端面磨削前的尺寸確定磨削余量和磨削起始點;

（2）測量外圓、端面磨削后的尺寸確定磨削余量和判斷是否需要繼續磨削、成品檢驗的參考;

（3）測量螺紋磨削的起始點。

為方便不同用戶使用，機床還設計了非接觸式自動對刀系統，可快速、方便地實現自動對刀，如圖6。

4．6 內螺紋磨削磨桿

在內螺紋磨床上，磨桿通常使用合金結構鋼或合金工具鋼材料，其彈性模量小、剛性不足，造成磨削過程中容易讓刀，隨著吃刀量的增加，讓刀量成正比增長，工件中徑尺寸精度及表面粗糙度難以達到批量生產圖紙要求。

通過對合金鋼淬火材料磨桿和高剛性粉末冶金材料成分的分析和力學性能、應用性能對比試驗，研究了高剛性粉末冶金磨桿的剛性、磨桿材料的選擇和磨桿結構設計與制造技術，分析計算磨桿在磨削過程中的受力大小，變形量及所需剛性，最終設計制造出高剛性粉末冶金磨桿，并使其在數控內螺紋磨削中心上成功應用，解決了如何保證絲杠螺母批量加工中中徑尺寸一致性的問題，如圖7所示。

5 結語

近年來，漢機公司在數控螺紋磨床的開發和研制上取得了長足的進步，螺紋加工設備的多項技術獲得突破，SKR7620內螺紋磨削中心開發應用了自動對刀、在線測量、直線電動機和多功能模塊化設計等多項新技術。機床在精度、效率及功能上有了較大的提高，解決了滾珠螺母插管孔不在滾道中心的老問題;機床一次裝夾磨削螺母滾道、外圓、端面，保證了螺紋滾道與外圓安裝基準的同心，達到了用戶的使用要求，在機床外觀及做工的精細程度上也有了很大的改觀，同國外進口螺紋加工設備的差距正在一步步縮小。