[01150706]精密滚珠丝杠热处理精确控制关键技术的研究

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把“高档数控机床与基础制造装备”列为重大专项,重点研发精密、高速数控装备和数控系统。发展精密、高速数控装备离不开精密滚珠丝杠等关键功能部件,然而,国产高速、精密滚珠丝杠的可靠性差、精度不高、发展滞后等问题,已成为制约我国精密、高速数控机床发展的瓶颈。 针对国产精密丝杠存在的淬火硬度梯度不合理、沟道底部淬硬层浅、淬火畸变程度过大以及裂纹等问题,课题组对精密丝杠的热处理工艺进行以下几方面的研究工作： （1）基于理论分析和实验研究,并参考国际品牌滚珠丝杠的材料成分体系,开发了大、中规格滚珠丝杠专用55CrMo中碳合金钢; （2）基于有限元法和逆向热传导方法研究了淬火过程中“气体-固体”和“液体-固体”界面的传热特性; （3）基于非等温相变JMA方程,构建了55CrMo钢感应加热过程中的奥氏体化相变动力学模型,并编写了感应加热过程中奥氏体化体积分数的计算程序; （4）构建了丝杠单感应器加热的有限元模型,在模拟过程实现了感应器与丝杠的相对运动,通过数值模拟得到了单感应器加热时沟道区域的温度场及奥氏体体积分数的分布情况; （5）提出了丝杠的双感应器感应加热工艺,借助工艺实验和数值模拟技术,优化了55CrMo钢精密滚珠丝杠感应加热及冷却工艺参数,改善了丝杠的淬硬层分布,并利用丝杠内部的余热对于丝杠表层进行低温回火处理,实现了精密丝杠的短流程生产。 通过对感应器优化设计、淬火工艺参数数值模拟、感应加热淬火过程参数控制和滚珠丝杠感应加热淬火组织、性能、变形等方面的系统研究,制定了滚珠丝杠的热处理精确控制工艺,形成了企业技术规范,并申报了行业标准。申请并授权国家发明专利6项、实用新型专利1项、软件著作权登记3项。基于丝杠感应加热工艺设计及数值模拟方面研究成果,在国内外期刊发表学术论文20余篇。课题组成6名员参加了第十一次全国热处理大会、第十届中国热处理活动周暨中国热处理技术路线图论坛等3个热处理方面的学术会议,做大会报告1人次、分会场报告5人次。 采用课题组研发的感应加热工艺及工装,可保证丝杠的以下技术指标：沟道顶部0-5mm之内的材料完全奥氏体化,沟道底部0-3mm之内的材料完全奥氏体化;喷水冷却之后,在滚道底部形成3mm左右的淬火等硬层,等硬层的硬度值约为700HV;将丝杠沟道的热处理畸变控制在后续精加工余量的范围之内（不大于0.35mm）;在重载、高速工况（对于6310×1100型,载荷为3.8T,移动速度1.8 m/min;对于8020×1100型,载荷为12.0 T,移动速度1.2 m/min）,精密滚珠丝杠P3级精度的保持时间不少于3000小时。 课题组优化了高档数控机床用精密滚珠丝杠的感应淬火工艺,增强了精密滚珠丝杠的耐磨性,提高了精密滚珠丝杠的精度,延长了精密滚珠丝杠的使用寿命。所研发的精密丝杠的总体指标达到或超过日本THK和NSK、德国INA、台湾PMI等公司同类产品的水平,相关研究成果已在山东博特精工股份有限公司等单位获得推广应用。山东博特精工股份有限公司的滚珠丝杠已全部采用课题组研发的感应淬火工艺及工装,产品已在沈阳机床股份有限公司、北一机床、昆明镗铣数控机床有限公司等国内十余家机床厂家广泛应用。