針對(duì)行星滾柱絲杠副產(chǎn)品，分析了標(biāo)準(zhǔn)式、循環(huán)式及反向式等5種主流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，探討了行星滾柱絲杠副設(shè)計(jì)分析方向及磨削、車(chē)削和旋銑等各類(lèi)螺紋加工方式的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了加工中的技術(shù)難點(diǎn)，并提供相應(yīng)的解決方案。
一、序言
近年來(lái)，隨著人形機(jī)器人、汽車(chē)等產(chǎn)品技術(shù)革新，電動(dòng)技術(shù)替代液壓技術(shù)的產(chǎn)品迭代升級(jí)，傳統(tǒng)的滾珠絲杠副、梯形絲杠等傳動(dòng)方式在承載能力、傳動(dòng)效率、精度及壽命等方面已不能完全滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)景需求。行星滾柱絲杠副以滾柱代替滾珠作為載 荷傳遞元件，由于其多點(diǎn)、多體接觸的特點(diǎn)，使得產(chǎn)品具有承載能力強(qiáng)、軸向剛度大、傳動(dòng)效率高、使用壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)性能好及抗沖擊力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為人形機(jī)器人直線(xiàn)執(zhí)行器、新能源汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、航空航天作動(dòng)器、工程機(jī)械伸縮臂以及自動(dòng)化鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的關(guān)鍵零部件之一。 二、行星滾珠絲杠副的分類(lèi)及特點(diǎn)
行星滾柱絲杠副按結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)方式，通?？煞譃闃?biāo)準(zhǔn)式、循環(huán)式、軸承環(huán)式、反向式和差動(dòng)式等結(jié)構(gòu)形式，它們以各自獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)適用于不同的場(chǎng)合，各種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。
（1）標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠副 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主要由絲杠、滾柱、螺母和內(nèi)齒圈等主要零件組成。絲杠為動(dòng)力輸入端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾柱作為滾動(dòng)體，端部齒輪與齒圈嚙合實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)，螺紋分別與絲杠和螺母配合，將軸向力傳遞至螺母，螺母與外部負(fù)載 連接實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)適用范圍廣，可滿(mǎn)足多種不同直徑和導(dǎo)程要求的場(chǎng)合，適合于長(zhǎng)行程、重載、高速應(yīng)用領(lǐng)域。缺點(diǎn)是導(dǎo)程＜2mm，加工難度較大。
（2）循環(huán)式行星滾柱絲杠副 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主要由絲杠、滾柱、螺母、保持架和凸輪環(huán)等零件組成。該結(jié)構(gòu)參與嚙合的螺紋數(shù)量多，滾柱為環(huán)槽結(jié)構(gòu)，可以采用小導(dǎo)程，滿(mǎn)足高定位精度和分辨率要求，適用于高剛度、大承載、高精度等領(lǐng)域。但由 于滾柱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)脫離絲杠，所以在高速條件下運(yùn)行噪聲大。
（3）軸承環(huán)式行星滾柱絲杠副 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主要由絲杠、螺母、滾柱、殼體、端蓋和軸承等零件組成。在高負(fù)載的情況下，減少磨損率較低。該結(jié)構(gòu)主要用于承載能力要求極高的石油、工程機(jī)械等領(lǐng)域，傳動(dòng)效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。
（4）反向式行星滾柱絲杠副 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主要由絲杠、螺母、滾柱和保持架等零件組成。螺母為動(dòng)力輸入端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滾柱傳遞軸向力后，絲杠軸與負(fù)載連接后在螺母內(nèi)軸向移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)螺母與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)，外形尺寸緊湊，主要用于小負(fù)載、短行程、高速場(chǎng)合的航空航天、人形機(jī)器人等領(lǐng)域。但受螺母內(nèi)螺紋加工限制，導(dǎo)致有效行程較小。
（5）差動(dòng)式行星滾柱絲杠副 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主要由絲杠、螺母、滾柱和保持架等零件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。滾柱和螺母設(shè)計(jì)有環(huán)形槽，環(huán)形槽分別與螺母和絲杠?chē)Ш?，可?shí)現(xiàn)差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，獲得更大減速比，能夠以螺紋大螺距實(shí)現(xiàn)絲杠副小導(dǎo)程輸入。該結(jié)構(gòu)導(dǎo)程更小，適用于負(fù)載較高的中速應(yīng)用場(chǎng)合。但該結(jié)構(gòu)輸出導(dǎo)程受工況影響存在波動(dòng)，具有一定隨機(jī)性。 三、行星滾珠絲杠副設(shè)計(jì)分析與加工技術(shù)
行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，受相關(guān)理論研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工工藝的限制，國(guó)內(nèi)高精度、高傳動(dòng)效率、綜合性能優(yōu)的產(chǎn)品還處于小批量生產(chǎn)驗(yàn)證階段[1]。
3.1 誤差及結(jié)構(gòu)公差設(shè)計(jì)分析
（1）誤差分析與精度分配 由于行星滾柱絲杠副的傳動(dòng)原理為螺紋副和齒輪副同時(shí)嚙合，產(chǎn)品精度和綜合誤差主要由螺紋和齒輪誤差組成，因此，根據(jù)產(chǎn)品的嚙合原理和誤差對(duì)綜合性能的影響，確定誤差分配關(guān)系，為零件加工精度控制提供依據(jù)。根據(jù)不同工作載荷、結(jié)構(gòu)特性、移動(dòng)速度、材料特性及熱處理?xiàng)l件等綜合性能條件，分析各種因素對(duì)摩擦力矩、傳動(dòng)效率、載荷分配和彈性變形等特性的映射關(guān)系，為不同工況的行星滾柱絲杠副設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案。
（2）產(chǎn)品性能特性分析 額定載荷、傳動(dòng)效率、極限轉(zhuǎn)速、軸向剛度及壽命等指標(biāo)是衡量行星滾柱絲杠副性能的關(guān)鍵指標(biāo)，而螺紋嚙合點(diǎn)位置、 嚙合點(diǎn)的強(qiáng)度、嚙合面范圍和嚙合面輪廓直接決定了上述指標(biāo)[2]?；诤掌潖椥越佑|變形理論，根據(jù)行星滾柱絲杠副運(yùn)動(dòng)條件、裝配間隙、材料及硬度等，在考慮誤差影響、加工過(guò)程變形、齒輪副與螺紋副滑動(dòng)因素后，分析嚙合輪廓參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)嚙合區(qū)域大小及位置的影響，螺紋嚙合位置載荷變化對(duì)軸向剛度的影響，以及零件及裝配公差與各類(lèi)誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)合理性。
3.2 行星滾柱絲杠副螺紋加工技術(shù)
高性能、高精度行星滾柱絲杠副產(chǎn)品依靠先進(jìn)的加工工藝與檢測(cè)技術(shù)，工藝流程較長(zhǎng)。為保證產(chǎn)品流暢性和載荷均勻，絲杠、螺母、滾柱批量生產(chǎn)。螺紋螺距精度、齒形輪廓精度、中徑尺寸及一致性控制要求高，尤其是內(nèi)螺紋加工、精確檢測(cè)難 度較大。
目前，從加工工藝方法區(qū)分，較為成熟和批量應(yīng)用的螺紋加工方法有車(chē)削、銑削、磨削和軋制。4種加工方法對(duì)比見(jiàn)表1。 表1 行星滾柱絲杠副螺紋加工方法對(duì)比
車(chē)削工藝是在零件熱處理后，采用高剛性、高精度數(shù)控車(chē)床進(jìn)行硬切削，該方式加工效率高，對(duì)加工裝備的要求不高。切屑可帶走部分切削熱，降低了螺紋表面燒傷或產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)備精度保證下，利用高精度成型刀片，可實(shí)現(xiàn)較好的表面 質(zhì)量和螺紋輪廓穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是無(wú)法加工根部圓弧半徑R≤0.2mm的絲杠螺紋，刀片磨損快。
銑削工藝是在零件淬火后，采用高精度專(zhuān)用加工設(shè)備，以工件外圓為基準(zhǔn)，利用安裝在高速旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上的成型銑刀，實(shí)現(xiàn)螺紋滾道加工。該方法加工效率高，加工過(guò)程中刀盤(pán)與工件同向旋轉(zhuǎn)，工件旋轉(zhuǎn)速度低，絲杠加工精度較高。優(yōu)點(diǎn)是采用干 切削綠色環(huán)保，加工工序短，生產(chǎn)率高。缺點(diǎn)是前期設(shè)備投入較大，對(duì)刀具的精度、耐磨性和壽命要求高。
磨削工藝是以中心孔及外圓為基準(zhǔn)，核心在于螺紋磨床、磨削參數(shù)、熱處理參數(shù)及變形控制[3]。一般分為粗加工、半精加工和精加工，該方法加工的螺紋輪廓精度、螺距精度、中徑尺寸及一致性精度最高，表面粗糙度值較低，產(chǎn)品精度保持性高，壽命長(zhǎng)，可加工小螺距行星絲杠。缺點(diǎn)是加工工序多、效率較低，制造成本較高，受材料和磨削參數(shù)影響大。
軋制工藝是材料在軟態(tài)情況下采用擠壓方式加工，使材料產(chǎn)生塑性變形，然后進(jìn)行淬火處理，經(jīng)拋光后表面光滑。該方法加工自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)成本低，效率高，加工長(zhǎng)徑比大，適合系列化大批 量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是加工的產(chǎn)品精度低，無(wú)法準(zhǔn)確控制螺紋底部較小的圓弧半徑，齒形精度取決于軋輥精度及壽命，設(shè)備成本高。 綜上所述，行星滾柱絲杠螺紋的加工方法較多，多工藝路線(xiàn)并存，可滿(mǎn)足不同產(chǎn)品加工需求， 需依據(jù)產(chǎn)品精度、性能要求和應(yīng)用領(lǐng)域選用適合的加工方法。 四、技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施
1）外螺紋磨削加工 絲杠、滾柱螺紋作為傳動(dòng)的關(guān)鍵特征，其精度要求非常高，在實(shí)際生產(chǎn)中由于機(jī)床本身傳動(dòng)系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致磨削螺紋的中徑、導(dǎo)程及螺距產(chǎn)生誤差。砂輪在磨削過(guò)程中的損耗和接觸變形影響了砂輪的修整精度和磨削中徑的 一致性，導(dǎo)致產(chǎn)生齒形誤差、中徑錐度誤差及各螺旋線(xiàn)的中徑不一致。為滿(mǎn)足裝配和性能需求，在加工時(shí)應(yīng)合理安排冷熱加工工序，減小零件彎曲變形；根據(jù)設(shè)計(jì)材料，選擇合適的熱處理工藝及參數(shù)，保證零件的淬火層深度及組織均勻性，控制熱 后零件的軸向變形量，保證螺紋導(dǎo)程精度；使用高精度磨削設(shè)備，根據(jù)零件規(guī)格設(shè)置磨削參數(shù)及砂輪修整方式，增加砂輪修整的合理性，保證螺紋齒形加工精度。
（2）內(nèi)螺紋磨削加工 行星螺母內(nèi)螺紋加工時(shí)，除保證加工精度外，還需解決螺距≤0.6mm時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)問(wèn)題。傳統(tǒng)檢測(cè)方法在小螺距時(shí)，由于鋼球直徑太小，無(wú)法穩(wěn)定放置在螺紋滾道，所以測(cè)量難度大且測(cè)量精度差，不適用于螺母中徑的測(cè)量。反向式行星螺母作為較為特殊的一種零件，其較大的長(zhǎng)徑比導(dǎo)致內(nèi)螺紋磨削時(shí)，磨桿與螺母內(nèi)孔干涉，且螺旋線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，砂輪磨損快，齒底R(shí)角保持性差。
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為保證零件加工精度，解決上述問(wèn)題，行星螺母內(nèi)螺紋磨削加工需要選擇合適的砂輪，針對(duì)硬度較高的螺母應(yīng)選取粒度＞200的CBN砂輪，制定合理的磨削參數(shù)，確保齒根部圓角R滿(mǎn)足要求。利用高精度專(zhuān)用加工設(shè)備，保證內(nèi)螺紋的加工精度和尺 寸一致性。利用干涉磨削及彎頭磨具等方法，解決反向式螺母內(nèi)螺紋磨削干涉問(wèn)題。開(kāi)發(fā)專(zhuān)用內(nèi)螺紋檢測(cè)裝置，達(dá)到高效、準(zhǔn)確的臨床檢測(cè)需求。
五、關(guān)鍵加工設(shè)備
下面舉例介紹幾款能滿(mǎn)足目前高精度行星滾柱 絲杠副螺紋加工需求的專(zhuān)用磨削設(shè)備。
（1）行星絲杠螺紋磨削設(shè)備 陜西漢江機(jī)床有限公司生產(chǎn)的SK7420B×750數(shù)控絲杠磨床主要用于行星絲杠副絲杠螺紋滾道、滾珠絲杠螺紋精密磨削等單線(xiàn)及多線(xiàn)螺紋加工。該機(jī)床采用西門(mén)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)。Z軸和X軸采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，全閉環(huán)控制；C軸使用直驅(qū)技術(shù)，全閉環(huán)控制，有效提高多線(xiàn)螺紋螺距精度，可保證螺距誤差±0.0015mm。砂輪主軸部分采用后置式電動(dòng)機(jī)與靜壓軸承組合的形式，提高磨削后的表面質(zhì)量；配備智能磨削軟件，具有自動(dòng)循環(huán)、砂輪自動(dòng)在線(xiàn)修整、修整量自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，保證中徑一致性。該機(jī)床最大頂尖距750mm，磨削工件直徑20～200mm，可磨螺距0.25～24mm。
SK7420B×750數(shù)控絲杠磨床
江蘇晨光生產(chǎn)的CGK1080數(shù)控螺紋磨床采用單行程磨削循環(huán)，具有全程自動(dòng)循環(huán)磨削、多頭螺紋 磨削、動(dòng)態(tài)對(duì)刀、螺距補(bǔ)償、中徑錐度補(bǔ)償以及砂輪修正量自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，機(jī)床具有很高的回轉(zhuǎn)精度和剛度、耐磨性。
（2）行星滾柱螺紋磨削設(shè)備 陜西漢江機(jī)床有限公司生產(chǎn)的SK7120數(shù)控螺紋塞規(guī)磨床適用于行星絲杠副滾柱螺紋滾道、滾珠絲杠螺紋精密磨削等單線(xiàn)及多線(xiàn)螺紋加工。該機(jī)床針對(duì)滾柱中徑一致性高的要求，提升了機(jī)床本身傳動(dòng)系統(tǒng)定位精度及 重復(fù)定位精度，能夠有效保證滾柱中徑尺寸批量加工穩(wěn)定性。最大頂尖距350mm，磨削工件直徑20～200mm，可磨螺距0.25～6mm，磨削螺紋相鄰螺距 誤差±0.002mm。
（3）行星螺母磨削設(shè)備 陜西漢江機(jī)床有限公司生產(chǎn)的SK7605數(shù)控內(nèi)螺紋磨床主要用于公稱(chēng)直徑8～25mm的行星螺母及三角螺紋的單線(xiàn)與多線(xiàn)磨削加工。該機(jī)床采用西門(mén)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)。Z軸、X軸和C軸均實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制；配備高性能頭架，工件轉(zhuǎn)速可達(dá)80r/min；可配備成形或插補(bǔ)修整器，通過(guò)X軸、Z軸聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)砂輪的快速、精準(zhǔn)修整；定制了專(zhuān)用自動(dòng)夾緊裝置，可快速確定工件角向，重復(fù)裝夾精度≤0.01mm；配置兩套高速電主軸，無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)粗精磨削；磨削軟件可二次開(kāi)發(fā)，具有靈活實(shí)現(xiàn)各種砂輪形狀修整和工件磨削的能力。該機(jī)床可磨螺紋導(dǎo)程0.5～12mm， 相鄰螺距誤差±0.002mm。
SK7605數(shù)控內(nèi)螺紋磨床 江蘇晨光生產(chǎn)的CGK7630D數(shù)控內(nèi)螺紋磨床采用全閉環(huán)控制，具有動(dòng)態(tài)對(duì)刀、螺距補(bǔ)償、變位螺距螺母自動(dòng)補(bǔ)償及砂輪修正量自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/span>
除上述設(shè)備外，為滿(mǎn)足行星滾柱絲杠副巨大的市場(chǎng)需求，還應(yīng)從提高加工效率、加工精度入手，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，配置專(zhuān)用裝夾、檢測(cè)裝置，研制更高效的專(zhuān)用加工設(shè)備。
六、結(jié)束語(yǔ)
行星滾柱絲杠副作為精密傳動(dòng)元件，由于加工難度大，影響了國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)展，但鑒于其在數(shù)控機(jī)床、汽車(chē)、機(jī)器人、石油和航空航天領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)，行星滾柱絲杠副必然擁有廣闊的市場(chǎng)前景。本文對(duì)比分析了各種行星滾柱絲杠副螺 紋加工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了螺紋加工的難點(diǎn)并提出了相應(yīng)的解決措施，介紹了部分目前滿(mǎn)足高精度螺母加工需求的專(zhuān)用磨削設(shè)備。
