针对行星滚柱丝杠副产品，分析了标准式、循环式及反向式等5种主流结构的特点，探讨了行星滚柱丝杠副设计分析方向及磨削、车削和旋铣等各类螺纹加工方式的优缺点，分析了加工中的技术难点，并提供相应的解决方案。
一、序言
近年来，随着人形机器人、汽车等产品技术革新，电动技术替代液压技术的产品迭代升级，传统的滚珠丝杠副、梯形丝杠等传动方式在承载能力、传动效率、精度及寿命等方面已不能完全满足应用场景需求。行星滚柱丝杠副以滚柱代替滚珠作为载 荷传递元件，由于其多点、多体接触的特点，使得产品具有承载能力强、轴向刚度大、传动效率高、使用寿命长、动态性能好及抗冲击力强等优点，成为人形机器人直线执行器、新能源汽车转向机构、航空航天作动器、工程机械伸缩臂以及自动化铆接执行机构等的关键零部件之一。 二、行星滚珠丝杠副的分类及特点
行星滚柱丝杠副按结构组成及运动方式，通常可分为标准式、循环式、轴承环式、反向式和差动式等结构形式，它们以各自独特的结构特点及其优势适用于不同的场合，各种结构特点如下。
（1）标准式行星滚柱丝杠副 该结构产品主要由丝杠、滚柱、螺母和内齿圈等主要零件组成。丝杠为动力输入端作旋转运动，滚柱作为滚动体，端部齿轮与齿圈啮合实现滚动，螺纹分别与丝杠和螺母配合，将轴向力传递至螺母，螺母与外部负载 连接实现轴向移动。该结构适用范围广，可满足多种不同直径和导程要求的场合，适合于长行程、重载、高速应用领域。缺点是导程＜2mm，加工难度较大。
（2）循环式行星滚柱丝杠副 该结构产品主要由丝杠、滚柱、螺母、保持架和凸轮环等零件组成。该结构参与啮合的螺纹数量多，滚柱为环槽结构，可以采用小导程，满足高定位精度和分辨率要求，适用于高刚度、大承载、高精度等领域。但由 于滚柱运动过程中会脱离丝杠，所以在高速条件下运行噪声大。
（3）轴承环式行星滚柱丝杠副 该结构产品主要由丝杠、螺母、滚柱、壳体、端盖和轴承等零件组成。在高负载的情况下，减少磨损率较低。该结构主要用于承载能力要求极高的石油、工程机械等领域，传动效率高，但结构复杂，制造成本高。
（4）反向式行星滚柱丝杠副 该结构产品主要由丝杠、螺母、滚柱和保持架等零件组成。螺母为动力输入端作旋转运动，通过滚柱传递轴向力后，丝杠轴与负载连接后在螺母内轴向移动。该结构可实现螺母与电动机转子进行一体化集成设计，外形尺寸紧凑，主要用于小负载、短行程、高速场合的航空航天、人形机器人等领域。但受螺母内螺纹加工限制，导致有效行程较小。
（5）差动式行星滚柱丝杠副 该结构产品主要由丝杠、螺母、滚柱和保持架等零件组成，结构简单。滚柱和螺母设计有环形槽，环形槽分别与螺母和丝杠啮合，可实现差动运动，获得更大减速比，能够以螺纹大螺距实现丝杠副小导程输入。该结构导程更小，适用于负载较高的中速应用场合。但该结构输出导程受工况影响存在波动，具有一定随机性。 三、行星滚珠丝杠副设计分析与加工技术
行星滚柱丝杠结构复杂、加工难度大，受相关理论研究、产品设计及加工工艺的限制，国内高精度、高传动效率、综合性能优的产品还处于小批量生产验证阶段[1]。
3.1 误差及结构公差设计分析
（1）误差分析与精度分配 由于行星滚柱丝杠副的传动原理为螺纹副和齿轮副同时啮合，产品精度和综合误差主要由螺纹和齿轮误差组成，因此，根据产品的啮合原理和误差对综合性能的影响，确定误差分配关系，为零件加工精度控制提供依据。根据不同工作载荷、结构特性、移动速度、材料特性及热处理条件等综合性能条件，分析各种因素对摩擦力矩、传动效率、载荷分配和弹性变形等特性的映射关系，为不同工况的行星滚柱丝杠副设计提供优化方案。
（2）产品性能特性分析 额定载荷、传动效率、极限转速、轴向刚度及寿命等指标是衡量行星滚柱丝杠副性能的关键指标，而螺纹啮合点位置、 啮合点的强度、啮合面范围和啮合面轮廓直接决定了上述指标[2]。基于赫兹弹性接触变形理论，根据行星滚柱丝杠副运动条件、装配间隙、材料及硬度等，在考虑误差影响、加工过程变形、齿轮副与螺纹副滑动因素后，分析啮合轮廓参数设计对啮合区域大小及位置的影响，螺纹啮合位置载荷变化对轴向刚度的影响，以及零件及装配公差与各类误差的对应关系，验证参数设计合理性。
3.2 行星滚柱丝杠副螺纹加工技术
高性能、高精度行星滚柱丝杠副产品依靠先进的加工工艺与检测技术，工艺流程较长。为保证产品流畅性和载荷均匀，丝杠、螺母、滚柱批量生产。螺纹螺距精度、齿形轮廓精度、中径尺寸及一致性控制要求高，尤其是内螺纹加工、精确检测难 度较大。
目前，从加工工艺方法区分，较为成熟和批量应用的螺纹加工方法有车削、铣削、磨削和轧制。4种加工方法对比见表1。 表1 行星滚柱丝杠副螺纹加工方法对比
车削工艺是在零件热处理后，采用高刚性、高精度数控车床进行硬切削，该方式加工效率高，对加工装备的要求不高。切屑可带走部分切削热，降低了螺纹表面烧伤或产生裂纹的风险。在设备精度保证下，利用高精度成型刀片，可实现较好的表面 质量和螺纹轮廓稳定性。缺点是无法加工根部圆弧半径R≤0.2mm的丝杠螺纹，刀片磨损快。
铣削工艺是在零件淬火后，采用高精度专用加工设备，以工件外圆为基准，利用安装在高速旋转刀盘上的成型铣刀，实现螺纹滚道加工。该方法加工效率高，加工过程中刀盘与工件同向旋转，工件旋转速度低，丝杠加工精度较高。优点是采用干 切削绿色环保，加工工序短，生产率高。缺点是前期设备投入较大，对刀具的精度、耐磨性和寿命要求高。
磨削工艺是以中心孔及外圆为基准，核心在于螺纹磨床、磨削参数、热处理参数及变形控制[3]。一般分为粗加工、半精加工和精加工，该方法加工的螺纹轮廓精度、螺距精度、中径尺寸及一致性精度最高，表面粗糙度值较低，产品精度保持性高，寿命长，可加工小螺距行星丝杠。缺点是加工工序多、效率较低，制造成本较高，受材料和磨削参数影响大。
轧制工艺是材料在软态情况下采用挤压方式加工，使材料产生塑性变形，然后进行淬火处理，经抛光后表面光滑。该方法加工自动化程度高，生产成本低，效率高，加工长径比大，适合系列化大批 量生产。缺点是加工的产品精度低，无法准确控制螺纹底部较小的圆弧半径，齿形精度取决于轧辊精度及寿命，设备成本高。 综上所述，行星滚柱丝杠螺纹的加工方法较多，多工艺路线并存，可满足不同产品加工需求， 需依据产品精度、性能要求和应用领域选用适合的加工方法。 四、技术难点及应对措施
1）外螺纹磨削加工 丝杠、滚柱螺纹作为传动的关键特征，其精度要求非常高，在实际生产中由于机床本身传动系统误差，导致磨削螺纹的中径、导程及螺距产生误差。砂轮在磨削过程中的损耗和接触变形影响了砂轮的修整精度和磨削中径的 一致性，导致产生齿形误差、中径锥度误差及各螺旋线的中径不一致。为满足装配和性能需求，在加工时应合理安排冷热加工工序，减小零件弯曲变形；根据设计材料，选择合适的热处理工艺及参数，保证零件的淬火层深度及组织均匀性，控制热 后零件的轴向变形量，保证螺纹导程精度；使用高精度磨削设备，根据零件规格设置磨削参数及砂轮修整方式，增加砂轮修整的合理性，保证螺纹齿形加工精度。
（2）内螺纹磨削加工 行星螺母内螺纹加工时，除保证加工精度外，还需解决螺距≤0.6mm时准确检测问题。传统检测方法在小螺距时，由于钢球直径太小，无法稳定放置在螺纹滚道，所以测量难度大且测量精度差，不适用于螺母中径的测量。反向式行星螺母作为较为特殊的一种零件，其较大的长径比导致内螺纹磨削时，磨杆与螺母内孔干涉，且螺旋线长度过长，砂轮磨损快，齿底R角保持性差。
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为保证零件加工精度，解决上述问题，行星螺母内螺纹磨削加工需要选择合适的砂轮，针对硬度较高的螺母应选取粒度＞200的CBN砂轮，制定合理的磨削参数，确保齿根部圆角R满足要求。利用高精度专用加工设备，保证内螺纹的加工精度和尺 寸一致性。利用干涉磨削及弯头磨具等方法，解决反向式螺母内螺纹磨削干涉问题。开发专用内螺纹检测装置，达到高效、准确的临床检测需求。
五、关键加工设备
下面举例介绍几款能满足目前高精度行星滚柱 丝杠副螺纹加工需求的专用磨削设备。
（1）行星丝杠螺纹磨削设备 陕西汉江机床有限公司生产的SK7420B×750数控丝杠磨床主要用于行星丝杠副丝杠螺纹滚道、滚珠丝杠螺纹精密磨削等单线及多线螺纹加工。该机床采用西门子系统，实现四轴三联动。Z轴和X轴采用直线电动机驱动，全闭环控制；C轴使用直驱技术，全闭环控制，有效提高多线螺纹螺距精度，可保证螺距误差±0.0015mm。砂轮主轴部分采用后置式电动机与静压轴承组合的形式，提高磨削后的表面质量；配备智能磨削软件，具有自动循环、砂轮自动在线修整、修整量自动补偿等功能，保证中径一致性。该机床最大顶尖距750mm，磨削工件直径20～200mm，可磨螺距0.25～24mm。
SK7420B×750数控丝杠磨床
江苏晨光生产的CGK1080数控螺纹磨床采用单行程磨削循环，具有全程自动循环磨削、多头螺纹 磨削、动态对刀、螺距补偿、中径锥度补偿以及砂轮修正量自动补偿等功能，机床具有很高的回转精度和刚度、耐磨性。
（2）行星滚柱螺纹磨削设备 陕西汉江机床有限公司生产的SK7120数控螺纹塞规磨床适用于行星丝杠副滚柱螺纹滚道、滚珠丝杠螺纹精密磨削等单线及多线螺纹加工。该机床针对滚柱中径一致性高的要求，提升了机床本身传动系统定位精度及 重复定位精度，能够有效保证滚柱中径尺寸批量加工稳定性。最大顶尖距350mm，磨削工件直径20～200mm，可磨螺距0.25～6mm，磨削螺纹相邻螺距 误差±0.002mm。
（3）行星螺母磨削设备 陕西汉江机床有限公司生产的SK7605数控内螺纹磨床主要用于公称直径8～25mm的行星螺母及三角螺纹的单线与多线磨削加工。该机床采用西门子系统，实现四轴三联动。Z轴、X轴和C轴均实现全闭环控制；配备高性能头架，工件转速可达80r/min；可配备成形或插补修整器，通过X轴、Z轴联动可实现砂轮的快速、精准修整；定制了专用自动夹紧装置，可快速确定工件角向，重复装夹精度≤0.01mm；配置两套高速电主轴，无级调速，实现粗精磨削；磨削软件可二次开发，具有灵活实现各种砂轮形状修整和工件磨削的能力。该机床可磨螺纹导程0.5～12mm， 相邻螺距误差±0.002mm。
SK7605数控内螺纹磨床 江苏晨光生产的CGK7630D数控内螺纹磨床采用全闭环控制，具有动态对刀、螺距补偿、变位螺距螺母自动补偿及砂轮修正量自动补偿等功能。
除上述设备外，为满足行星滚柱丝杠副巨大的市场需求，还应从提高加工效率、加工精度入手，优化机床结构，配置专用装夹、检测装置，研制更高效的专用加工设备。
六、结束语
行星滚柱丝杠副作为精密传动元件，由于加工难度大，影响了国内相关技术的商业化进展，但鉴于其在数控机床、汽车、机器人、石油和航空航天领域的显著优势，行星滚柱丝杠副必然拥有广阔的市场前景。本文对比分析了各种行星滚柱丝杠副螺 纹加工方法的优缺点，探讨了螺纹加工的难点并提出了相应的解决措施，介绍了部分目前满足高精度螺母加工需求的专用磨削设备。
