綠色制造在絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)和加工中的應(yīng)用
2022-1-4 來(lái)源： 山東華珠機(jī)械有限公司 作者：韓耀華
摘要 : 針對(duì)傳統(tǒng)絲杠加工模式成本高、效率低和影響環(huán)境等方面的問(wèn)題，引入綠色制造的理念，提出用冷軋絲杠、工程塑料螺母來(lái)代替一些行業(yè)中所用的傳統(tǒng)車削、磨削絲杠和鑄鐵、鑄銅螺母。該設(shè)計(jì)理念具有先進(jìn)性并能夠顯著降低成本，提高效率。尤其是小直徑的大導(dǎo)程絲杠和工程塑料螺母在表面粗糙度、耐磨性、耐蝕性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)車削、銑削加工模式，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程更綠色環(huán)保。
關(guān)鍵詞 : 綠色制造 ; 冷軋絲杠 ; 多頭大導(dǎo)程 ;工程塑料 ; 軌道交通
1、序言
傳統(tǒng)絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的絲杠往往采用車削或磨削加工，螺母采用鑄鐵或鑄銅材料。而隨著綠色制造理念的推廣，人們開(kāi)始認(rèn)真反思 : 在工業(yè)制造的過(guò)程中，如何改善對(duì)環(huán)境的影響，如何提高資源的利用率，從而使傳統(tǒng)的制造模式，逐步向現(xiàn)代的制造模式發(fā)展。同時(shí)還要考慮如何滿足產(chǎn)品功能的要求，以及控制成本。
性價(jià)比是人們重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，但實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比卻不是一件太容易的事情。從絲杠傳動(dòng)件來(lái)看，如何滿足部件所需的要求和性能，是很關(guān)鍵的問(wèn)題。也就是說(shuō)，引入綠色制造的理念，就應(yīng)該打破傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造模式。
要在滿足部件功能的情況下，盡可能在設(shè)計(jì)中采用冷軋絲杠和工程塑料 PA66 的螺母。下面具體講述一下。
2 、根據(jù)部件功能的需求，合理設(shè)計(jì)絲杠副的加工模式
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和制造成本的不斷提高，在絲杠和螺母的制造方面，大家也在不斷地尋求成本低、質(zhì)量相當(dāng)?shù)牟牧虾图庸つＪ健＠?，絲杠用無(wú)屑的冷軋技術(shù)來(lái)代替原有的車削和銑削加工，是一種很好的設(shè)計(jì)思路。螺母采用工程塑料，代替原有的鑄鐵和鑄銅材料，也是一種很好的選擇（有些重載或高精度的絲杠副除外）。在絲杠副的設(shè)計(jì)中，過(guò)去常常采用這種選擇 :無(wú)論絲杠副的載荷要求多大，都一律采用鑄鐵或鑄銅螺母，如圖 1 所示。但是鑄鐵或鑄銅的加工過(guò)程，對(duì)環(huán)境的影響是不可忽視的。鑄造過(guò)程中的廢氣、加工中的切屑以及切削液等都會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。因此，從綠色制造的理念來(lái)考慮如何選擇絲杠副的材料和設(shè)計(jì)加工模式，就顯得十分重要。
圖 1 采用鑄銅螺母的梯形絲杠副
事實(shí)證明，我們完全可以針對(duì)功能部件傳動(dòng)精度的高低、絲杠副承受載荷的大小及部件對(duì)絲杠副的其他需求，來(lái)認(rèn)真選擇絲杠、螺母的材料和設(shè)計(jì)加工模式。
3、用冷軋技術(shù)加工小直徑大導(dǎo)程絲杠是一種很好的選擇
冷軋絲杠是無(wú)屑的絲杠加工模式。目前冷軋技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，冷軋絲杠的種類也越來(lái)越多、長(zhǎng)徑比也越來(lái)越大，如圖 2 所示，完全可以代替原有的車削絲杠（除一些有特殊要求的絲杠外）。多頭絲杠、多頭大導(dǎo)程絲杠等冷軋絲杠可以節(jié)省材料，降低成本，提高效率，而且適用性特別強(qiáng)。
圖 2 冷軋大導(dǎo)程絲杠
在加工多頭大導(dǎo)程絲杠時(shí)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，加工難度越大。尤其是在加工長(zhǎng)徑比＞ 100 的多頭大導(dǎo)程絲杠時(shí)，冷軋技術(shù)的加工特性更為突出。傳統(tǒng)大導(dǎo)程絲杠的制造中，如圖 3 所示的銑削大導(dǎo)程方牙絲杠，其大導(dǎo)程絲杠為銑削加工，加工過(guò)程為有屑加工。這種加工模式不僅浪費(fèi)材料，而且加工效率還低。
圖 3 銑削大導(dǎo)程方牙絲杠
引入綠色制造的理念，采用圖 4 所示的冷軋多頭大導(dǎo)程絲杠，其有 9 個(gè)頭，冷軋后的表面組織還優(yōu)于銑削的大導(dǎo)程絲杠。而且表面粗糙度值也比銑削后的絲杠低，一般表面粗糙度值 Ra 可達(dá)到 3.2~1.6μm，而銑削的大導(dǎo)程絲杠表面粗糙度值 Ra 只能達(dá)到 6.3~3.2μm。這種多頭大導(dǎo)程絲杠螺旋升角很大，絲杠直徑較小。但是由于采用冷軋技術(shù)，就十分容易達(dá)到技術(shù)要求。
圖 4 冷軋多頭大導(dǎo)程絲杠
4 、采用冷軋技術(shù)加工微型絲杠更為有利
普通的微型絲杠和單頭、多頭大導(dǎo)程微型絲杠，其加工方式如果采用車削和磨削，則加工效率很低，制造成本比較高，難度也不小。圖 5 所示的微型絲杠副就采用了多頭磨削微型絲杠。
圖 5 采用多頭磨削微型絲杠的微型絲杠副
一般來(lái)說(shuō)，微型絲杠副的載荷都比較小，有一些轉(zhuǎn)速也不高，軸向定位精度也不會(huì)太高。在這種情況下如果采用車削和磨削的加工模式，浪費(fèi)人力物力。冷軋后的微型絲杠，其表面粗糙度值 Ra 一般可達(dá) 1.6~0.8μm，該類產(chǎn)品完全可以用工程塑料螺母來(lái)代替。
對(duì)于公稱直徑為 20~50mm 的梯形絲杠副，如果載荷不大，運(yùn)行速度較慢，也完全可以采用此種加工模式。如果加工公稱直徑較小、要求轉(zhuǎn)速較高且行程較長(zhǎng)的絲桿副時(shí)，為了提高絲杠的耐磨性，絲杠的表面處理可以采用鹽浴硫碳氮共滲技術(shù)，其表面硬度≥ 550HV，滲層厚度為0.2~0.3mm。
5、采用工程塑料螺母有利于降低制造成本和提高資源效率
工程塑料 PA66 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工及軌道交通等眾多領(lǐng)域中，其特點(diǎn)是 : 具有可塑性、耐磨性、強(qiáng)度較高且耐沖擊、耐油和耐腐蝕等。在較高的溫度下，也能保持較高的強(qiáng)度和剛度，尤其是在自潤(rùn)滑方面，在絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，更能夠顯示其獨(dú)特性。
因工程塑料螺母（見(jiàn)圖 6）采用注塑工藝，所以在制造過(guò)程中，螺母不僅較為容易滿足單頭或多頭大導(dǎo)程的要求，也能滿足微型螺母的需求。注塑成型的螺母，不需要再加工，從而降低了制造成本，提高了資源效率。
圖 6 工程塑料螺母
對(duì)于載荷較小、精度要求不高且只用于傳動(dòng)的絲杠，甚至定位精度要求不是很高的微型絲杠，螺母都可以采用工程塑料 PA66 等材質(zhì)。由于螺母采用工程塑料，所以制造成本和難度大大降低，效率實(shí)現(xiàn)成倍提高，同時(shí)縮短了工期，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。而且螺母的互換性較強(qiáng)，也方便整機(jī)（設(shè)備）的后期維護(hù)。
對(duì)于載荷不大、精度要求不高、公稱直徑在50mm 以下的傳動(dòng)類絲杠，甚至重復(fù)定位要求不高的絲杠副來(lái)說(shuō)，螺母完全可以采用工程塑料，如 PA66 或尼龍 66 的材質(zhì)等。這種設(shè)計(jì)理念的推廣應(yīng)用也是加快推廣綠色制造理念的一種措施。
6、試驗(yàn)案例
工程塑料螺母在軌道交通中地鐵門系統(tǒng)和交通安全門系統(tǒng)的傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，但在其他領(lǐng)域應(yīng)用還不多，例如 : 木工機(jī)械、化工機(jī)械、電工設(shè)備和儀器儀表等行業(yè)。下一步要在這些領(lǐng)域中大力推廣這種設(shè)計(jì)理念。
我公司做過(guò)的地鐵門系統(tǒng)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的冷軋多頭大導(dǎo)程絲杠副，其絲杠為冷軋，螺母采用工程塑料 PA66。對(duì) 1 件左右旋 9 個(gè)頭的冷軋大導(dǎo)程絲杠副進(jìn)行試驗(yàn)，其每一側(cè)的載荷為60kg，共計(jì) 120kg。1min 往復(fù) “跑合” 11.5 次，螺母 “跑合” 長(zhǎng)度 750mm。在絲杠牙形表面粗糙度值 Ra ＝ 1.6μm 的情況下，其 PA66 大導(dǎo)程螺母 “跑合” 了 150 萬(wàn)次（見(jiàn)圖 7），仍然可以繼續(xù)正常使用，絲杠兩側(cè)磨損也很小。
圖 7 “跑合”了 150 萬(wàn)次以后的多頭冷軋絲杠副
7、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，綠色制造理念貫穿著整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)。只要對(duì)功能部件的力學(xué)性能和功能需求有充分的了解，就可以大膽選用冷軋絲杠和工程塑料這種組合的絲杠副，來(lái)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣可以大大降低成本，減弱對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)，還能夠滿足其部件的功能需求，盡量避免大材小用，功能過(guò)剩。
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