針對行星滾柱絲杠副產(chǎn)品，分析了標準式、循環(huán)式及反向式等5種主流結構的特點，探討了行星滾柱絲杠副設計分析方向及磨削、車削和旋銑等各類螺紋加工方式的優(yōu)缺點，分析了加工中的技術難點，并提供相應的解決方案。
一、序言
近年來，隨著人形機器人、汽車等產(chǎn)品技術革新，電動技術替代液壓技術的產(chǎn)品迭代升級，傳統(tǒng)的滾珠絲杠副、梯形絲杠等傳動方式在承載能力、傳動效率、精度及壽命等方面已不能完全滿足應用場景需求。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、多體接觸的特點，使得產(chǎn)品具有承載能力強、軸向剛度大、傳動效率高、使用壽命長、動態(tài)性能好及抗沖擊力強等優(yōu)點，成為人形機器人直線執(zhí)行器、新能源汽車轉向機構、航空航天作動器、工程機械伸縮臂以及自動化鉚接執(zhí)行機構等的關鍵零部件之一。 二、行星滾珠絲杠副的分類及特點
行星滾柱絲杠副按結構組成及運動方式，通?？煞譃闃藴适?、循環(huán)式、軸承環(huán)式、反向式和差動式等結構形式，它們以各自獨特的結構特點及其優(yōu)勢適用于不同的場合，各種結構特點如下。
（1）標準式行星滾柱絲杠副 該結構產(chǎn)品主要由絲杠、滾柱、螺母和內(nèi)齒圈等主要零件組成。絲杠為動力輸入端作旋轉運動，滾柱作為滾動體，端部齒輪與齒圈嚙合實現(xiàn)滾動，螺紋分別與絲杠和螺母配合，將軸向力傳遞至螺母，螺母與外部負載 連接實現(xiàn)軸向移動。該結構適用范圍廣，可滿足多種不同直徑和導程要求的場合，適合于長行程、重載、高速應用領域。缺點是導程＜2mm，加工難度較大。
（2）循環(huán)式行星滾柱絲杠副 該結構產(chǎn)品主要由絲杠、滾柱、螺母、保持架和凸輪環(huán)等零件組成。該結構參與嚙合的螺紋數(shù)量多，滾柱為環(huán)槽結構，可以采用小導程，滿足高定位精度和分辨率要求，適用于高剛度、大承載、高精度等領域。但由 于滾柱運動過程中會脫離絲杠，所以在高速條件下運行噪聲大。
（3）軸承環(huán)式行星滾柱絲杠副 該結構產(chǎn)品主要由絲杠、螺母、滾柱、殼體、端蓋和軸承等零件組成。在高負載的情況下，減少磨損率較低。該結構主要用于承載能力要求極高的石油、工程機械等領域，傳動效率高，但結構復雜，制造成本高。
（4）反向式行星滾柱絲杠副 該結構產(chǎn)品主要由絲杠、螺母、滾柱和保持架等零件組成。螺母為動力輸入端作旋轉運動，通過滾柱傳遞軸向力后，絲杠軸與負載連接后在螺母內(nèi)軸向移動。該結構可實現(xiàn)螺母與電動機轉子進行一體化集成設計，外形尺寸緊湊，主要用于小負載、短行程、高速場合的航空航天、人形機器人等領域。但受螺母內(nèi)螺紋加工限制，導致有效行程較小。
（5）差動式行星滾柱絲杠副 該結構產(chǎn)品主要由絲杠、螺母、滾柱和保持架等零件組成，結構簡單。滾柱和螺母設計有環(huán)形槽，環(huán)形槽分別與螺母和絲杠嚙合，可實現(xiàn)差動運動，獲得更大減速比，能夠以螺紋大螺距實現(xiàn)絲杠副小導程輸入。該結構導程更小，適用于負載較高的中速應用場合。但該結構輸出導程受工況影響存在波動，具有一定隨機性。 三、行星滾珠絲杠副設計分析與加工技術
行星滾柱絲杠結構復雜、加工難度大，受相關理論研究、產(chǎn)品設計及加工工藝的限制，國內(nèi)高精度、高傳動效率、綜合性能優(yōu)的產(chǎn)品還處于小批量生產(chǎn)驗證階段[1]。
3.1 誤差及結構公差設計分析
（1）誤差分析與精度分配 由于行星滾柱絲杠副的傳動原理為螺紋副和齒輪副同時嚙合，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綜合性能的影響，確定誤差分配關系，為零件加工精度控制提供依據(jù)。根據(jù)不同工作載荷、結構特性、移動速度、材料特性及熱處理條件等綜合性能條件，分析各種因素對摩擦力矩、傳動效率、載荷分配和彈性變形等特性的映射關系，為不同工況的行星滾柱絲杠副設計提供優(yōu)化方案。
（2）產(chǎn)品性能特性分析 額定載荷、傳動效率、極限轉速、軸向剛度及壽命等指標是衡量行星滾柱絲杠副性能的關鍵指標，而螺紋嚙合點位置、 嚙合點的強度、嚙合面范圍和嚙合面輪廓直接決定了上述指標[2]?；诤掌潖椥越佑|變形理論，根據(jù)行星滾柱絲杠副運動條件、裝配間隙、材料及硬度等，在考慮誤差影響、加工過程變形、齒輪副與螺紋副滑動因素后，分析嚙合輪廓參數(shù)設計對嚙合區(qū)域大小及位置的影響，螺紋嚙合位置載荷變化對軸向剛度的影響，以及零件及裝配公差與各類誤差的對應關系，驗證參數(shù)設計合理性。
3.2 行星滾柱絲杠副螺紋加工技術
高性能、高精度行星滾柱絲杠副產(chǎn)品依靠先進的加工工藝與檢測技術，工藝流程較長。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、精確檢測難 度較大。
目前，從加工工藝方法區(qū)分，較為成熟和批量應用的螺紋加工方法有車削、銑削、磨削和軋制。4種加工方法對比見表1。 表1 行星滾柱絲杠副螺紋加工方法對比
車削工藝是在零件熱處理后，采用高剛性、高精度數(shù)控車床進行硬切削，該方式加工效率高，對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)生裂紋的風險。在設備精度保證下，利用高精度成型刀片，可實現(xiàn)較好的表面 質(zhì)量和螺紋輪廓穩(wěn)定性。缺點是無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，采用高精度專用加工設備，以工件外圓為基準，利用安裝在高速旋轉刀盤上的成型銑刀，實現(xiàn)螺紋滾道加工。該方法加工效率高，加工過程中刀盤與工件同向旋轉，工件旋轉速度低，絲杠加工精度較高。優(yōu)點是采用干 切削綠色環(huán)保，加工工序短，生產(chǎn)率高。缺點是前期設備投入較大，對刀具的精度、耐磨性和壽命要求高。
磨削工藝是以中心孔及外圓為基準，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，可加工小螺距行星絲杠。缺點是加工工序多、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，然后進行淬火處理，經(jīng)拋光后表面光滑。該方法加工自動化程度高，生產(chǎn)成本低，效率高，加工長徑比大，適合系列化大批 量生產(chǎn)。缺點是加工的產(chǎn)品精度低，無法準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，多工藝路線并存，可滿足不同產(chǎn)品加工需求， 需依據(jù)產(chǎn)品精度、性能要求和應用領域選用適合的加工方法。 四、技術難點及應對措施
1）外螺紋磨削加工 絲杠、滾柱螺紋作為傳動的關鍵特征，其精度要求非常高，在實際生產(chǎn)中由于機床本身傳動系統(tǒng)誤差，導致磨削螺紋的中徑、導程及螺距產(chǎn)生誤差。砂輪在磨削過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，導致產(chǎn)生齒形誤差、中徑錐度誤差及各螺旋線的中徑不一致。為滿足裝配和性能需求，在加工時應合理安排冷熱加工工序，減小零件彎曲變形；根據(jù)設計材料，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，保證螺紋導程精度；使用高精度磨削設備，根據(jù)零件規(guī)格設置磨削參數(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，除保證加工精度外，還需解決螺距≤0.6mm時準確檢測問題。傳統(tǒng)檢測方法在小螺距時，由于鋼球直徑太小，無法穩(wěn)定放置在螺紋滾道，所以測量難度大且測量精度差，不適用于螺母中徑的測量。反向式行星螺母作為較為特殊的一種零件，其較大的長徑比導致內(nèi)螺紋磨削時，磨桿與螺母內(nèi)孔干涉，且螺旋線長度過長，砂輪磨損快，齒底R角保持性差。
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為保證零件加工精度，解決上述問題，行星螺母內(nèi)螺紋磨削加工需要選擇合適的砂輪，針對硬度較高的螺母應選取粒度＞200的CBN砂輪，制定合理的磨削參數(shù)，確保齒根部圓角R滿足要求。利用高精度專用加工設備，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)螺紋磨削干涉問題。開發(fā)專用內(nèi)螺紋檢測裝置，達到高效、準確的臨床檢測需求。
五、關鍵加工設備
下面舉例介紹幾款能滿足目前高精度行星滾柱 絲杠副螺紋加工需求的專用磨削設備。
（1）行星絲杠螺紋磨削設備 陜西漢江機床有限公司生產(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及多線螺紋加工。該機床采用西門子系統(tǒng)，實現(xiàn)四軸三聯(lián)動。Z軸和X軸采用直線電動機驅(qū)動，全閉環(huán)控制；C軸使用直驅(qū)技術，全閉環(huán)控制，有效提高多線螺紋螺距精度，可保證螺距誤差±0.0015mm。砂輪主軸部分采用后置式電動機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，具有自動循環(huán)、砂輪自動在線修整、修整量自動補償?shù)裙δ埽ＷC中徑一致性。該機床最大頂尖距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)，具有全程自動循環(huán)磨削、多頭螺紋 磨削、動態(tài)對刀、螺距補償、中徑錐度補償以及砂輪修正量自動補償?shù)裙δ?，機床具有很高的回轉精度和剛度、耐磨性。
（2）行星滾柱螺紋磨削設備 陜西漢江機床有限公司生產(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及多線螺紋加工。該機床針對滾柱中徑一致性高的要求，提升了機床本身傳動系統(tǒng)定位精度及 重復定位精度，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）行星螺母磨削設備 陜西漢江機床有限公司生產(chǎn)的SK7605數(shù)控內(nèi)螺紋磨床主要用于公稱直徑8～25mm的行星螺母及三角螺紋的單線與多線磨削加工。該機床采用西門子系統(tǒng)，實現(xiàn)四軸三聯(lián)動。Z軸、X軸和C軸均實現(xiàn)全閉環(huán)控制；配備高性能頭架，工件轉速可達80r/min；可配備成形或插補修整器，通過X軸、Z軸聯(lián)動可實現(xiàn)砂輪的快速、精準修整；定制了專用自動夾緊裝置，可快速確定工件角向，重復裝夾精度≤0.01mm；配置兩套高速電主軸，無級調(diào)速，實現(xiàn)粗精磨削；磨削軟件可二次開發(fā)，具有靈活實現(xiàn)各種砂輪形狀修整和工件磨削的能力。該機床可磨螺紋導程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，具有動態(tài)對刀、螺距補償、變位螺距螺母自動補償及砂輪修正量自動補償?shù)裙δ堋?/span>
除上述設備外，為滿足行星滾柱絲杠副巨大的市場需求，還應從提高加工效率、加工精度入手，優(yōu)化機床結構，配置專用裝夾、檢測裝置，研制更高效的專用加工設備。
六、結束語
行星滾柱絲杠副作為精密傳動元件，由于加工難度大，影響了國內(nèi)相關技術的商業(yè)化進展，但鑒于其在數(shù)控機床、汽車、機器人、石油和航空航天領域的顯著優(yōu)勢，行星滾柱絲杠副必然擁有廣闊的市場前景。本文對比分析了各種行星滾柱絲杠副螺 紋加工方法的優(yōu)缺點，探討了螺紋加工的難點并提出了相應的解決措施，介紹了部分目前滿足高精度螺母加工需求的專用磨削設備。
