针对精密滚珠丝杠的新型螺旋滚道研磨机理及关键工艺特性研究

The aim of this project is to improve the accuracy of the domestic precision ball screw pair, Taking raceway performance（Raceway surface parameters, Raceway shape parameter, Raceway accuracy）as the core research object. First of all, the relationship between the performances and the accuracy loss of the ball screw is studied, and the optimal parameters of the raceway are analyzed,the technical target of raceway lapping is put forward; Secondly, a new spiral lapping process is put forward. Based on the existing theory of planar and circular grinding and the structure and dynamics of ball screw, The spatial structure of the abrasive, abrasive and raceway surfaces in the process of 3D helical grinding is studied, The complex motion law of three roller-rolling-shear is analyzed, The nonlinear dynamic model and material removal model of the three are established. So as to reveal the mechanism of the new process, and then establish the mapping relationship between the physical parameters such as lapping cycle, circumferential pressure, lapping speed and the raceway surface parameters; Next, through the establishment of "grinding force friction moment" model under multi physical conditions, the friction force of the grinding force is monitored, and the difficulty of the process is solved; Finally, the test, verification and orthogonal test were carried out to verify the validity of the process and give the optimized process parameters.

本项目以提升国产精密滚珠丝杠副精度保持性为最终目标，以滚道性能指标（滚道表面参数，滚道型面参数，滚道精度）为核心研究对象。首先，研究上述性能指标与滚珠丝杠精度损失间的关系，分析优化滚道性能参数，提出滚道研磨的工艺目标；其次，提出新型螺旋研磨工艺，该工艺已被申请人证明有效。结合现有平面、圆周研磨理论以及滚珠丝杠结构和动力学研究成果，研究三维螺旋研磨过程中磨料、研磨磨具、滚道表面间的空间结构，分析三者“滚-滑-剪切”复合运动规律，建立三者的非线性动力学模型及材料去除模型。从而揭示该新工艺的工艺机理，进而建立研磨周次、周向压力、研磨速度等物理量在工艺过程中与滚道型面参数的映射关系；接下来，通过建立多物理条件下“研磨力-摩擦力矩”模型，实现通过摩擦力矩对研磨力的监测，解决工艺实施的难点问题；最后开展测试、验证及工艺正交试验，验证工艺有效性并给出优化的工艺参数。

本项目以提升国产精密滚珠丝杠副精度保持性为最终目标，滚珠丝杠滚道性能指标为核心研究对象。.首先，研究了滚珠丝杠磨损规律，定量的分析了滚珠丝杠副结构参数、运行使用条件与精度损失间的关系，建立了不同转速条件下节圆直径、螺旋升角、滚珠直径对应的磨损模型。.其次，提出新型螺旋研磨工艺，结合现有圆周研磨理论以及滚珠丝杠结构和动力学研究成果，分析了磨料、磨具、滚道表面三者滚-滑-剪切运动规律，建立了材料去除模型，从而揭示新工艺机理。.在此基础上，设计了柔性研磨螺母工装，主要由柔性研磨螺母加力装置两部分。加力部分由聚氨酯弹性体、聚氨酯缓冲体、研磨外套组成。聚氨酯弹性体和聚氨酯缓冲体需要选择不同的硬度、弹性模量以及径向和轴向尺寸进行加工的，不同的硬度、弹性模量和尺寸决定对研磨螺母最终能施加多大的周向力。柔性研磨螺母是与相应的丝杠配合进行加工的，保证了柔性研磨螺母和丝杠的齿形能够比较精确地配合，其中齿形检测十分重要。通过有限元分析确定了最优的八条缝隙结构。.通过弹性体刚性测试确定了正压力与研磨轴向力的关系，建立了数学模型并进行了试验验证，得到了研磨周向压力的精确控制规律。建立 “研磨力-摩擦力矩”模型，实现通过摩擦力矩对研磨力的监测，解决工艺难点。以此为基础在现有摩擦力矩试验台上发明了丝杠研磨专用装置。.在该样机上针对汉江机床厂生产的滚珠丝杠副开展了工艺试验，验证工艺有效性。结果表明本项目提出的新工艺，使得丝杠螺纹滚道周期行程误差平均降低24.1%，残余压应力平均增加96.8%，有效提升了丝杠副的精度和寿命。.最后针对40根样件开展了工艺正交试验，考虑研磨摩擦力矩、研磨转速、磨粒大小、研磨时间四个因素。评价行程误差、表面粗糙度和残余应力，这三个对精度和寿命有直接影响的指标值。最后得出了针对汉江产该规格丝杠产品最优工艺参数组合为摩擦力矩1～1.5Nm，转速为30rpm，磨粒尺寸600目，磨具往返18次。.上述成果已经初步在生产企业中开展应用。