丝杠加工难点有哪些？

丝杠制造困难重重，预计高壁垒带来较高利润 率。

1.第一难：材料/热处理工艺

要实现高精度、高刚度、长寿命丝杠的制造，材料的选用以及配套的热处理工艺至关重要。 最基础的丝杠制造材料为 GCr15 高碳铬轴承钢，其典型化学成分为 1%C、1.5%Cr，采用高 碳铬合金体系，约 0.5%的 C 固溶基体产生固溶强化，以获得 58HRC 以上的高硬度，满足 轴承高承载和高接触疲劳性能要求，剩余的 C 与 Fe 和部分 Cr 结合生成(Fe,Cr)3C 碳化物 弥散分布于基体上满足轴承耐磨性的需求。Cr 部分形成碳化物以外，其余固溶于基体当 中，提高轴承钢的淬透性和耐蚀性能。

除了材料化学成分的区别外，热处理工艺也会对丝杠的最终性能产生较大影响，热处理的 目的是获得细小均匀的集体组织和析出相，经过正火、深冷、回火、淬火等热处理工艺获 得内外均匀一致的马氏体、残留碳化物等第二相和少量残余奥氏体等的组织状态。

在丝杠的加工过程中通常会经过多次热处理，涉及了冷热工序与加工的配合、淬火加热温 度、设备选择等大量“know how”。

从《国产 Cr／Mo 钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》中的案例看，其选取的国外丝 杠和国产丝杠在化学成分基本类似的情况下，国外丝杠由于硬度梯度分布更合理、金相组 织更均匀，整体性能优于国产丝杠。材料升级和热处理工艺优化是实现国产替代必不可少 的一环。

感应淬火是改善丝杠机械性能最有效的途径之一，可以控制加热深度还具有加热速度快、 节能、环保及成本低等优点。

2. 第二难：设计

丝杠是一个多 SKU 的产品，其不同型号的区别一方面来自于具体应用设备的负载、精度、 速度、行程等要求，一方面也来自于丝杠的类型、型面设计等。

以滚珠丝杠为例，滚珠丝杠的公称直径、滚珠体的直径、螺旋升角、滚珠丝杠导程、工作 滚珠数、工作滚珠圈数与列数、滚珠螺母外径、滚珠螺母螺纹底径、滚珠丝杠螺纹外径、 滚珠螺母长度、滚珠丝杠长度等结构尺寸都可作为设计变量。

行星滚柱丝杠主要通过螺纹牙啮合来进行传动，其螺纹牙的设计对丝杠的性能也会造成较 大影响。

在设计上的小修改就会导致丝杆的性能出现较大变化。

根据《行星滚珠丝杠副滚柱的设计方法与虚拟装配》信息，行星滚柱丝杠的设计流程较为 复杂。

相比出厂精度等指标，丝杠使用时的动态特性、精度保持性等指标更加重要，我们认为如 何构筑一套“设计-制造-检测”的闭环正向研发的体系来实现丝杠性能优化更加困难，主 要由于试验时间往往需要长达数年时间。

例如机床行业在丝杠使用时会出现的象限突起问题，当圆周运动的象限切换时（即两个滚珠丝杠的驱动方向切换），滚珠丝杠的摩擦特性会发生变化，由于这种象限突起，在加工 表面上会出现类似条纹的图案，导致加工表面质量恶化。

NSK 在 2021 年推出了抑制插补象限突起的滚珠丝杠技术，依靠 NSK 独有的摩擦控制技术 与高精度评价技术，大幅降低了滚珠丝杠反向运转时的摩擦波动。

3. 第三难：粗精加工

滚珠丝杠加工一般分为磨削加工与冷轧加工，冷轧加工通过冷加工工艺模具制造，批量生 产后成本低，但是通常精度控制有限；磨削加工通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐 一完成，可用于给高精度设备作为定位部件。 根据 KSS 信息，C5 以上精度等级的滚珠丝杠一般采用研磨加工(精密滚珠丝杠),C7、C10 级的滚珠丝杠则采用冷轧加工。对于无滚丝模(冷轧加工模具)的型号，也可采用研磨加工 生产 C7、C10 级产品。

磨削滚珠丝杠是按照基准统一原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车 削、磨削等几十道工序逐一完成，工艺较为复杂。

面向不同的下游行业丝杠会有不同的精度等级，例如在对精度要求高的工业母机行业丝杠 最高可达到 C0 级。

粗加工环节难度相对较低，但也有较大优化空间。以常见的粗车加工为例，优化空间主要 在改进装夹方式、优化切削方式、车刀几何形状选择等。

精加工环节则有较多加工难点：

1）热形变误差。丝杠加工误差的主要影响因素为热变形和残余应力，在磨制丝杠加工中产生的磨削热有 60%-95%被传入被磨丝杠中，需要针对实际加工数据进行热形变计算，需要考虑热源特征、 热源移动性、热量传导特征等多种因素，优化难度较高。

2）滚道加工。不管是螺母还是丝杠轴，除使用内圆磨床、外圆磨床进行加工外，难点都在滚道的加工， 其中丝杠轴的滚道加工主要使用外螺纹磨床进行外圆磨削加工。

相比普通轴类零件的外圆磨削，丝杠滚道表面的几何复杂性增加了高精度磨削难度，同时 即使能够满足精度指标，砂轮粒度、砂轮速度、丝杠速度等工艺参数的选择也会对丝杠的 最终性能产生较大影响。

螺母的内滚道加工难度更高，主要通过磨杆带动砂轮旋转，由砂轮轴线相对螺母中心线成 螺旋升角进行安装，对工件进行磨削。在内滚道加工中由于受到螺母直径限制（如果是更 小的丝杠难度更高），砂轮的尺寸受限，砂轮需沿滚道进行曲面加工，加工难度提升且效 率降低，尤其和外圆磨中通过采用大砂轮进行成形磨削相比。

如果是反式行星滚柱丝杠，由于丝杠螺母较长，在加工的过程中会发生加工干涉问题，预 计在设备上需要进行一定调整，需要通过调整砂轮直径、调整磨杆直径（需要综合考虑磨 杆刚度变化）避免加工干涉问题。

4. 第四难：检测、试验平台

要实现丝杠的高精度加工，配套的检测能力必不可少。根据 GB/T 17587.1-2017《滚珠丝 杠副 第三部分：验收条件和验收检验》信息，丝杠的精度等级确定方法主要包括行程补 偿值、目标行程公差、有效行程内允许的行程变动量等，有一套基本测量原理。

1）行程公差和变动量。在滚珠丝杠的有效行程内，允许存在一定量的目标行程公差，有效行程越大，丝杠的行程 公差范围越大。

2）圆跳动测量。跳动和位置公差主要检验丝杠在给定长度下的径向跳动，用于确定相比基准水平面的直线 度，包含外径径向圆跳动测量、支撑轴肩端面圆跳动测量、螺母外径径向圆跳动测量、螺 母安装端面圆跳动测量。

除了完成出厂静态精度指标检测外，通过构筑成套检测评价装备体系来实现前文提到的正 向研发循环也是核心壁垒之一：

1）可靠性评测技术。丝杠在满足出厂精度指标的情况下，在用户端更多体现的是精度保持性、功能可靠性，而 这方面的数据测试通常需要数年时间，如何通过开发成套测试装备来实现加速试验以评估 丝杠实际性能是一个难点。

2）内/外滚道型面精度与动态行程误差测量技术。内/外滚道型面精度与动态行程误差是影响滚动功能部件传动精度最核心的性能指标。只 有深入开展滚道型面质量控制技术研究与能力提升，从设计、制造、测量等多方面控制， 才能有针对性地提升丝杠的性能，提高产品的市场竞争力。

3）综合刚度高精高效测量方法和装备及高刚性设计技术。综合刚度是反映丝杠多维方向上承载能力的关键性能指标，通过有效检测手段实现高刚性 产品设计优化能大幅改善产品的刚度值。

4）预紧力精确计算方法与高精装配技术。通过使用丝杠摩擦力矩和预紧力同步测量装置，可实现以预紧力精确调控为目标的丝杠高 精装配。

5. 第五难：降本

丝杠粗加工环节我们认为未来比拼的主要是成本控制，若能将以车代磨、旋风铣等工艺打 磨成熟以提升粗加工效率和减少精加工工时，将带来显著的成本优势。

1）以车代磨。以车代磨主要是通过采用高强度、高硬度、高耐磨性的刀具材料（金刚石、立方氮化硼等） 在数控车床上进行高速切削加工，实现高加工效率和低表面粗糙度，以缩短磨削加工工时， 显著降低丝杠加工成本。

2）旋风铣。旋风硬铣加工主要通过刀盘上的多把铣刀完成切削加工，刀盘与工件同向旋转但刀盘转速 更高，让工件每旋转一周刀盘沿着工作轴线切削一个螺纹导程的距离，与一般的铣削相比 单位时间金属切削率大幅提高，并且大部分热量被切屑带走，可以得到与磨削相当甚至超 过磨削的表面加工质量。