丝杠工艺难点及技术方案分析

螺纹加工为主要难点，磨/车/铣/轧等降本方案持续迭代。

1.螺纹加工为丝杠核心工艺难点，热处理为隐形壁垒

高端滚珠/滚柱丝杠广泛运用于机床、半导体、人形机器人等领域，核心组件的螺纹结构是主要的加工难点：以滚珠丝杠为例， 核心组件主要为丝杠轴、滚珠螺母、滚珠螺母内的钢球以及反向循环装置这四个。除钢球外，滚道、螺母等内外表面均 附加精密螺纹结构，该结构下材料刚性较低，实现稳定精准的微米级别螺纹加工难度较大。特别对于行星滚柱丝杠，主要包括丝杠 外螺纹、滚柱外螺纹、螺母内螺纹三部分，加工难度依次递增。

相较滚珠丝杠，行星滚柱丝杠对于加工工艺的要求进一步提升，具体表现在丝杠、行星滚柱和螺母三大方面： 1）从丝杠端来看，行星滚柱丝杠常采用多线螺纹方案（双线螺纹丝杠的承载力比单头高60%-70%，线数越多，升角越大，旋 进越快，但自锁性越差），多线螺纹丝杠的滚道数更多且滚道间距更短，如果采用外圆磨制工艺，则加工难度更大且加工效率 较低；如果采用旋风铣工艺，则铣刀的硬度、韧性、形状等性质同样需要满足更高的要求。 2）从行星滚柱端来看，行星滚柱的两端存在与螺母两端的齿轮环啮合的花键齿，此结构加工难度较大。此外，行星滚柱的标准 化程度低于滚珠，大规模高精度量产同样具备较强的技术难度。 3）从螺母端来看，在反向式行星滚柱丝杠中，丝杠和螺母的功能互换，螺母本质上是一个带有螺纹内径的管子，砂轮需要伸进 去加工，通常采用内圆磨制工艺。由于螺母长度较长，如果采用磨制工艺，则存在工件与设备之间易发生碰撞且加工效率较低 等问题；如果采用旋风铣工艺，则面临国内内螺纹旋风铣工艺尚不成熟的难题。

热处理过程充分改善行星滚柱丝杠各零件的材料性能、切削性能以及消除残余应力，但由于丝杠在淬火过程中不可避免产生方向 长度的变化，影响原有加工螺纹等结构的精度。 1）热处理环节质量高低影响丝杠后期使用寿命：热处理将丝杠进行穿透加热，改善和强化整体的强度、硬度、塑性和韧性，保 证丝杠耐磨性和长期运动的使用寿命要求。但国内丝杠加工目前在热处理环节普遍存在硬层浅、硬度分布不合理、组织均匀性差、 耐磨性差等缺点，导致后期传动运行过程中通常发生以磨损、接触疲劳为主的表面损伤失效，主要系淬火过程中没有形成有效的淬 硬深度和合理的硬度梯度。

2）淬火后不可避免将带来螺纹误差变形：由于丝杠在迅速冷却过程中不同部位存在温度差，各自热膨胀量也将不同，导致不同 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。所以在不同的丝杠加工 路线中（无论是先车后磨、先铣后磨还是轧辊），均需要对热处理带来的形变进行加工补偿。 具体以较为成熟的“先车后磨” 路线为例：滚道车削粗加工螺纹后进行淬火，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。目前主要使用数控车床对螺距进行误差补偿，提前进行预留量，使得淬火后获得正好的螺距状态。 根据不同规格产品淬火变形情况的积累，稳定的误差补偿值基本控制在0.25-0.40mm之间。

2.技术方案不断升级提效，磨削始终为不可缺少的关键环节

丝杠螺纹的加工可以通过磨削、硬车削、轧制、旋风铣削等工艺实现，不同工艺优缺点显著：1）砂轮磨削：传统的螺纹加工选择 ，加工精度较高，工艺灵活，可以加工异形丝杠，缺点是效率较低；2）硬车削：生产效率较磨削明显提升，同时避免因削热导致丝 杠硬度降低，但精度仅满足中端要求；3）轧制：加工效率最高，但精度较低，过去多应用于低精度丝杠生产；4）旋风铣：兼具生 产效率高和精度高的优点，但是存在成本较高、无法加工异性丝杠等限制，渗透率有较大提升空间。

考虑到降本诉求&量产效率，以磨削为主的传统加工方式因耗时费力已不再适用。从现有的技术方案来看，丝杠生产商均考虑通过 分解工序，同时组合不同工艺来实现提效： 1）工序分解提高生产效率：精密高端丝杠加工流程繁琐，传统磨削工艺中螺纹磨削时间占整个工艺流程的2/3，根据《精密滚珠 丝杠机械加工工艺规程研究》，磨制滚珠丝杠加工工艺周期达到30-45天。丝杠厂商已探索出成熟的流程分工，可划分为前道（粗加 工）、中道（半精加工）以及后道（精磨）三个步骤，为实现规模化生产打下基础。 2）以车代磨、以铣代磨、轧辊等新方案进一步减少磨削量：前道的车/铣技术成熟，并没有太多新选择；最难的内螺纹以及后期 精磨需求也不可替代，因此改进主要来自于中道的工艺和设备升级，目前已有以车代磨、以铣代磨、轧辊等方案，核心目的都是进 一步减少精磨的磨削量，保证高精度的同时提高效率。

3）但磨削作为高精度螺纹加工的主要工艺，始终是不可缺少的关键环节：磨削工艺具体是指利用高速旋转的成型砂轮对加工工件 表面进行高速切削，主要分为粗磨、稳定和精磨三个阶段，最高精度可达P1级，是高精度丝杠螺纹的主要加工工艺。尽管新技术方 案可以减少磨削量，但在特定场景以及精磨需求下，例如滚道的外圆和内壁（车/铣的加工特性决定无法实现）、螺母的内螺纹、滚 柱齿轮圈等极高的精度要求，磨削始终是不可缺少的一环，特别对于高端丝杠加工。