2024年丝杠行业专题报告：丝杠加工的隐形壁垒，热处理及热变形解决方案

丝杠加工中的热处理工艺及设备

根据郑伟《精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究》： 1) 丝杠表面热处理采用感应淬火，硬化层深度 1.5~2.0mm； 2) 螺母表面热处理采用渗碳淬火，硬化层深度 1.0~1.4mm； 3) 滚柱和内齿圈整体进行调质处理，调质硬度 HB235，齿面氮化处理，齿面 硬度不低于 HV600，硬化层深度 0.4~0.5mm。

整体热处理是指对工件进行穿透加热，以改善整体的强度、硬度、塑性和韧性。 表面热处理和化学热处理主要解决零件的表面强化问题，是金属材料整体热处 理的补充和完善， 三者相互配合， 可全面达到零件多种多样的使用性能要求。其中退火、正火、淬火、回火是最常用的热处理方法，俗称“四把火” 。

表面感应加热淬火是滚珠丝杠改善表面耐磨性的重要热处理工艺之一。该工艺主要是利用电磁感应原理，以涡流形式将丝杠表面快速加热至淬火温度，而后急剧 冷却，形成一定厚度的表面淬硬层，而心部仍保持原有的组织形态。因此，可以满足滚珠丝杠表层具有高硬度、耐磨性而心部则具有高强韧度配合的综合力学性 能要求。目前，国内精密滚珠丝杠采用的感应加热淬火工艺并不完善，普遍存在淬硬层浅、硬度梯度分布不合理、变形大等问题，这是制约其定位精度等可靠性 能指标提升的重要因素之一。

中高档感应加热成套设备和感应器的制造属于典型的技术密集型产业， 除了涉及机械制造、机电一体化设计技术之外， 还要具备工艺气氛智能控制、温度场流场设计控制、传热学设计、工艺数据库及故障自诊断等技术基础。 结构方面，包括感应器的设计与制造、感应电源的适配以及数控系统的选择。德国 AEG公司生产的6ｍ数控中频淬火设 备，能够自动测量淬火过程中滚珠丝杠螺距的变形量并可自动加以修正，使螺距变形量得到有效控制。 感应淬火领域，国内先进的设备制造商包括恒进感应、升华感应、恒精感应，海外龙头包括美国应达、意大利萨伊； 气氛炉领域，国内先进的设备制造商包括丰东热技术、江苏金色工业炉、天利热工，海外龙头包括西科沃克、那智不二 越、艾伯纳。

热处理带来的形变及解决方案

丝杠在淬火介质中迅速冷却时，其横截面会产生一定的温度梯度。由于冷却过程中存在温度差，因而沿滚珠丝杠截面不同部位的热膨胀量也将不同，导致滚珠丝杠 的不同部位均产生内应力。内应力分布不均匀相应就加大了淬火热变形量，进而影响已车螺纹的螺距误差的改变。 对于实际加工中的滚珠丝杠来说，粗加工螺纹后淬火，由于各种原因淬火后仍不可避免的出现误差变形，而丝杠全长螺距变化及丝杠弯曲又会直接影响后续的滚道 磨削加工，导致丝杠整体精度下降。如果全长螺距变化过大，就会导致磨削时部分螺纹滚道磨削不下来，造成报废。 在滚道螺纹粗加工时使用数控车对螺距进行误差补偿，以期淬火后还能获得最佳的螺距状态。因此，通过不同规格产品淬火变形量的摸索，找出相对稳定的误差补 偿值至关重要。滚珠丝杠的螺距精度最终是靠数控螺纹磨床来保证的，故以数控螺纹磨床的精度为基准进行辅助调整螺距误差也是可行的。大导程的滚珠丝杠由于 淬火变形相比其他丝杠更大，且不稳定因素更多，在后续加工中变形很大，故所留余量要比其他丝杠大的多，所以需增加一道开槽工序，后在预螺工序时需要对螺 距进行二次补偿，通过冷热加工相结合的补偿措施，很好的解决了粗加工螺纹淬火的螺距变形问题。

在实际铣削螺纹加工中，做好前期的准备工作后，对螺距误差影响较大应该是铣削过程中产品的热变形。如不同批次材料在铣削过程中的热变形大小会不尽相同， 因此在螺距误差补偿数值的确定方面需要通过不同批次材料的铣削加工，不断摸索补偿值，积累相关螺距变形的数据，并对这些数据进行曲线分析找出不同批次产 品的螺距变化规律，在后续的产品加工中进行补偿。

滚珠丝杠表面感应淬火具体的技术要求如下： 材料选用优质GCr15钢。滚道表面硬度要求为58～63HRC。 淬火硬化层要求： ①深度要求：沿滚道法向表面有效硬化层深度≥1.0ｍｍ。 ②显微组织要求：在硬化层区域内显微组织为马氏体＋残留奥氏体＋碳化物，马氏体组织 为1～4级。 径跳要求：工件长度≤600ｍｍ，径跳≤0.30ｍｍ；工件长度≥600ｍｍ，径跳≤0.40ｍｍ 。 螺距变形要求：伸长量≤0.8ｍｍ／ｍ×工件长度；收缩量≤0.5ｍｍ／ｍ×工件长度。 对于滚珠丝杠淬火硬化层深度要求是基于丝杠耐磨性和长期反复运动的需要，为了保证其 能很好地达到设计使用寿命。在对滚珠丝杠淬火硬化层组织的要求中，特别强调马氏体组 织必须控制在1～4级，即隐针状马氏体，不允许出现粗针状马氏体。根据生产经验，类似 滚珠丝杠这样精密的滚动轴承类产品，如果淬火组织过粗则有可能在后续的磨削加工中产 生裂纹。 对于滚珠丝杠表面感应淬火径跳的要求是基于两方面的原因：一是丝杠精度的要求；二是 大批量产品生产的要求。 对于螺距变形量的要求是基于一般企业的滚珠丝杠的生产大部分是先开滚道再淬火。一方 面这有利于产品的大批量生产，但是另一方面对丝杠的表面感应淬火也提出了控制螺距变 形的要求。由于丝杠在淬火过程中不可避免地会产生长度方向的变化，这将会影响原有滚 道的尺寸精度。

淬火形变

在丝杠加工过程中，淬火工序通过在工件表面形成坚硬的马氏体组织，从而达到耐磨性的要求。但是，淬火后由于金相组织的改变，将会导致轴向尺寸变化，给丝 杠的高精度加工带来挑战。 对于高精度的滚珠丝杠螺纹，欧洲、日本均采用淬火前软车补偿、淬后磨削的工艺。国内部分厂商也尝试采用淬火前软车补偿、旋铣补偿，淬火后磨削的加工方式。 但受到国内滚珠丝杠用材的制约，找不到淬火前后滚珠丝杠的变形规律，致使软车补偿、旋铣补偿工艺存在一定的技术风险。摸清淬火的变化规律是螺纹粗加工中 必须解决的难题。 目前来看，常见的解决方案有两种： 1）淬火前不加工螺纹，光轴淬火后在螺纹磨床上采用强力磨削的方式硬磨螺纹槽。这种工艺虽然避开了淬火轴向变形对螺纹加工的影响，但由于在螺纹开槽过程 中金属去除量大、油雾粉尘大、噪声大、对车间环境污染严重； 2）粗车螺纹（按轴向变形量修正导程）后，沿螺纹滚道进行中频淬火。这个方案特别适用于导程大、钢球直径大、有一定批量的产品。 实践证明：不同钢厂的GCr15轴承钢，不同的治炼炉号（批次），虽然尺寸规格和淬火工艺相同，但轴向变形量依然不同，掌握变形规律是有难度的。如果淬火前 的导程修正量不准确，将使磨削余量偏移并导致滚道表面硬化层厚度不均匀，最终影响产品的摩擦特性、接触刚度和使用寿命。

国内：旋风铣削在我国国内很多机械制造公司都有所应用，最主要的使用在一般钢材各种螺纹软铣 的旋风铣头，这种技术突破推广于20世纪60~70年代。在此之后，旋风铣床逐渐在大连机床厂、北 京机床研究所、山东博特和南京工艺等投入使用，利用旋风铣床完成精密滚珠丝杠的高效粗加工。 南京工艺在2004年首次引进了德国公司的PW160型CNC旋风硬铣机床，在2009年又引进同公司的 PW300HP型1000mmCNC旋风硬铣机床，可以精铣出整体800mm以上的大型滚珠丝杠副。 国外：上世纪90年代之前旋铣工艺一直被用作螺纹车削的替代工艺，主要用于软质材料的高效粗加 工、半精加工，又被称为＂软旋铣＂。随着高速切削理论、硬切削理论研究的不断深入及高性能刀 具材料的涌现，使得淬硬轴承钢等难加工材料的高精度切削加工成为可能。1997年德国丝杠制造商 BLIS公司与机床制造企业Leistritz公司投资开发了世界上第一台用于生产精密滚珠丝杠的硬旋铣机 床（Hard Whirling）。 硬态车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30%～100%，切削所需功率增加1.5～2倍，所以硬态车 削对机床提出了更高要求，如要求机床应具有高刚度、高转速和大功率等。

螺纹滚轧成形技术以金属塑性变形理论为基础，因此丝杠在滚压成形之后使用感应淬火。但淬 火后工件会发生轴向尺寸变化，因此掌握变形规律对于丝杠辊轧来说至关重要。 德国宝飞螺公司通过探索摸清了淬火的变化规律。以外径30毫米，螺距5毫米的滚珠丝杆为例， 热处理后直径变形量约为+30微米，单个螺距变形量约为-10微米。 此变形量需要在滚压过程中进行预留。同时由于滚珠丝杆对牙形的要求很高，在滚压模具上也 必须要考虑此热处理变形量。在热处理前加工在某种意义上来说“错误”的尺寸，从而保证热 处理后得到完美的产品。有了这些诀窍之后，生产高精度滚珠丝杆成为可能。热处理之后也无 需再进行磨削加工，仅仅需要将工件表面抛光，以去除在热处理阶段产生的表面氧化皮。

切削热形变

滚道硬车削需考虑车削后的工艺流向，通常情况下滚道硬车削后还需进行低温时效处理，丝杠 会产生弯曲变形和长度方向的伸缩，这些变形会因滚珠丝杠长径比、导程、钢球大小、丝杠材 质的纯净度等因素的不同而大小不一。根据几年的滚珠丝杠加工工艺试验得出，在硬车滚珠丝 杠螺纹滚道时，其留量一般控制在0.25-0.40(直径方向)mm之间比较合适。 控制工件热变形的技术措施 （1）根据现有国内材料的情况制定了相关材料的入厂检测验收技术要求，严格控制材料金相及 组织，尽量控制材料的质量。 （2）对材料进行多扎感应器淬火，确保淬硬层的深度、梯度。 （3）对淬火过程中的进给速度、冷却速度、冷却量等淬火参数进行调节确保淬火质量。 （4）对棒料淬火前后及精加工的锥度、圆度、粗糙度等指标进行控制，确保前期指标的合格。 （5）定制知名厂家的高精度硬切削刀具，保证加工质量。 （6）根据产品实际加工情况不断总结调整加工参数，使加工质量达到最优。

数控系统同样具备热误差补偿功能。西门子840D数控系统具有螺距误差补偿功能，通过在线监 测、离线研究等方法获取误差规律。按照仿真和实验研究的热变形规律进行误差补偿后，螺距累 积误差明显减小。 （1）硬件补偿原理通过机械方法得到丝杠全行程的螺距误差分布曲线，并在丝杠累积螺距误差 值达到一个脉冲当量的位置安装挡块。当机床工作台移动时，机床控制开关向控制电路发送误差 补偿信号。 （2）软件补偿原理通过理想加工与螺距误差测量仪两种状态下得到的丝杠螺距误差值对比，得 到螺距误差分布情况与补偿文件，将补偿数据输入数控系统后为下次铣削加工提供补偿值。这种 定点补偿方法可以提高定位精度。

工艺升级，兼顾效率与精度

工艺方面，需综合考虑丝杠精度与生产效率的平衡。按照精度排序，依次是磨削>旋 风铣>辊轧，按照生产效率排序，依次是辊轧>旋风铣>磨削，而硬车削通常作为螺纹 滚道半精加工的选择之一。 为了满足人形机器人降本、放量的要求，行星滚柱丝杠的生产效率和量产成本需在当 前水平基础上有较大下降。我们预计，在满足精度要求的前提下，中精度丝杠使用旋 风铣、辊轧更能适应大批量、快速交付的要求，而磨床将在高精度丝杠中继续占据不 可替代的地位。

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