人形机器人用小直径钛合金行星滚柱丝杠高精度螺纹磨削方法

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编者按

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1.1  背景与意义

（1）热敏感性极强TC4钛合金导热系数仅16W/（m.K），是45钢的1/5，磨削热易积聚于工件表面，局部温升可达80℃以上，热变形占总误差的60%～70%，严重影响螺纹导程精度。

（2）刚性不足小直径钛合金丝杠长径比≥15：1，磨削力易引发颤振，导致螺纹波纹度与表面粗糙度超差。

（3）磨削粘结严重钛合金化学活性高，磨削时易与砂轮磨粒发生化学反应并粘结，加剧砂轮磨损与工件表面烧伤。

（4）微观精度难控钛合金弹性模量低（110GPa），磨削后回弹易导致齿侧直线度偏差。

传统螺纹磨削工艺基于钢质材料设计，无法适配TC4钛合金加工特性，导致钛合金小直径丝杠精度稳定性差、合格率不足60%，制约了人形机器人轻量化传动系统的产业化应用。因此，开展针对性的高精度磨削方法探讨，破解钛合金磨削热变形与颤振难题，对提升我国人形机器人核心零部件制造水平具有重要价值与意义。

1.2  国内外现状

（1）钛合金磨削技术  国外在钛合金精密磨削领域起步较早，德国勇克磨床开发钛合金专用磨削系统，通过-5℃高压冷气流冷却使热变形误差≤0.003mm；日本津上微型数控磨床搭配气浮主轴，实现直径2mm的TC4钛合金轴类零件磨削，径向圆跳动≤0.0005mm。

国内多聚焦于钛合金板材或大直径零件加工。哈尔滨工业大学提出超声辅助磨削技术，降低TC4钛合金磨削力30%以抑制颤振。大连理工大学通过有限元模拟分析磨削热分布规律，但未形成完整螺纹磨削工艺体系。西北工业大学优化砂轮参数减少粘结磨损，但未涉及小直径细长件热变形与颤振的协同控制。

（2）小直径零件精度控制技术  精度控制方面，Renishaw XL-80激光干涉仪的动态热补偿技术已应用于钛合金加工，补偿精度达±0.0001mm；颤振抑制领域，钛合金磨杆相比传统钢质磨杆刚性提升40%。成为小直径零件磨削的关键工具。

（3）现有不足  当前研究存在3方面核心缺陷。①缺乏钛合金小直径丝杠专属预处理工艺，通用钢质材料退火参数无法有效改善钛合金加工性。②磨削设备与工具适配性不足，未针对钛合金特性开发专用砂轮与冷却系统。③未建立“热变形-颤振-粘结磨损”协同控制的工艺体系，难以满足人形机器人对零件一致性与可靠性的要求。

TC4钛合金（Ti-6A1-4V）的化学成分与关键性能见表1。如何实现高硬度与加工性、低热导率与热变形的平衡是关键。TC4钛合金经常规热处理后硬度达55~58HRC,满足耐磨需求，但原始粗大魏氏组织易导致磨削崩边，导热系数仅为9Cr18不锈钢的64%,磨削热积聚易引发表面烧伤与热变形。

表1  TC4 钛合金（Ti-6Al-4V）的化学成分与关键性能

2.2  预处理工艺优化

设计“真空分区球化退火→精密粗车→双重探伤”专属预处理工艺，核心目标为细化晶粒、降低硬度以及消除内应力^[2]。

（1）真空分区球化退火  采用真空环境（真空度≤1×10^-³Pa），通过排除氧气的方式防止钛合金高温氧化，同时促进内部气体逸出，提高材料纯净度。用三级真空系统，逐级抽气达到目标真空度：①粗抽阶段：机械泵（旋片泵/滑阀泵）先将炉内压力从大气压降至10^⁻¹~10^³Pa。②中抽阶段：罗茨泵接力，进一步将压力降至10^⁻²~10^⁻¹Pa。③精抽阶段：分子泵/扩散泵最终将真空度提升至≤10^-³Pa。粗抽、中抽和精抽（机械泵200m^³/h+罗茨泵800m^³/h+分子泵1500L/s）可使100L炉膛在90min内从大气压降至10^-⁵Pa。真空分区球化退火主要通过以下3个阶段实施。

1）升温阶段。5℃/min速率升至750℃，保温1h，均匀化温度场。

2）球化阶段。升温至780℃（α+β两相区），保温3.5h，使粗大魏氏组织转变为细小球状组织。

3）缓冷阶段。3℃/min速率冷却至500℃，随炉冷至室温。处理后TC4钛合金硬度降至210HBW以下，晶粒尺寸从30um细化至10～15um，加工性显著提升，砂轮磨损量减少25%。

（2）强化热处理  TC4（Ti-6Al-4V）作为通用型钛合金，退火态硬度仅30～35HRC，未热处理态约40～45HRC，需通过热处理提升硬度以满足耐磨需求。经“固溶+时效”处理（如930℃固+530℃时效），TC4钛合金中形成细小强化相，硬度可提升至55~58HRC。具体处理方法如下。

1）固溶处理（930℃，30～40min，水冷）。将TC4钛合金加热至β相区，使Al、V等合金元素充分溶解到β基体中，形成均匀的过饱和固溶体，为后续强化相析出奠定基础。

固溶处理采用立式真空水淬炉，主要包括：①双层炉体：内层耐高温合金(如Inconel 600)，外层碳钢，中间多层隔热屏，确保热损失<5%。②加热元件：钼合金/石墨加热棒，均匀分布于炉膛四周，最高温度1100℃，控温精度±1℃。③真空系统：机械泵（200m^³/h）→罗茨泵（800m^³/h）→分子泵（1500L/s），确保100L炉膛在60min内达10^-⁴Pa。④水淬系统：淬火槽容积≥500L，水温控制在15~25℃。⑤快速转移机构：气动升降装置，确保工件从炉膛到水中时间<6s（关键指标）。⑥循环冷却系统：保持水温波动<±2℃。

2）时效处理（530℃，4～6h，空冷）。将固溶处理后的工件装入时效炉，抽真空至10^⁻¹Pa或充入高纯氩气保护，以3℃/min速率升至530℃，保温4～6h，精确控温（±1℃），过饱和固溶体在低温下分解，析出细小弥散的α相颗粒与β相析出物，这些强化相阻碍位错运动，显著提升材料硬度，最终稳定达到55~58HRC（从退火态30~35HRC→处理后55～58HRC，提升约60%）,且不明显牺牲材料韧性，适配丝杠承受交变载荷的使用需求。

（3）精密粗车定形  选用钛合金专用数控车床（配备PCD刀具），以两中心孔为定位基准（中心孔精度≤0.002mm），核心参数：转速为1500~2000r/min，进给量为0.03～0.08mm/r，切削深度为0.10～0.15mm。

1）冷却方式。MQL微量润滑（航空级切削油+压缩空气），避免钛合金粘结刀具。

2）余量控制。留磨削余量0.10～0.15mm（适配钛合金低弹性模量特性，避免余量过大导致变形）。粗车后丝杠轴径圆柱度≤0.005mm，直线度≤0.003mm/m。

（4）双重探伤筛选  采用“超声波探伤+渗透探伤”专属方案，适配钛合金无磁性、表面敏感特性。超声波探伤属于穿透检测，发现内部缺陷（≥0.1mm）；渗透探伤属于表面检测，发现表面及近表面缺陷（≤0.2mm）；双重组合实现“内部+表面”全方位无死角检测，缺陷检出率100%。

1）超声波探伤。采用CTS-100数字式超声波探伤仪（见图1），探头为5MHz高频探头，探测深度≥0.1mm，检测内部夹杂与裂纹。

图1  超声探伤仪

2）渗透探伤。使用荧光渗透剂（见图2）检测表面及近表面（≤0.2mm）微裂纹，避免磨削时裂纹扩展。不合格品剔除率100%,确保毛坯无缺陷进入磨削工序。

图2  渗透剂

选用带动态热补偿的微型数控螺纹磨床（日本津上GN-200TC，钛合金专用款）,其设计需深度适配钛合金低热导、易颤振和高活性的加工特性，从硬件配置、热补偿系统以及功能适配三方面实现精准控制^[3]，带动态热补偿的微型数控螺纹磨床核心配置见表2。

表2  带动态热补偿的微型数控螺纹磨床核心配置

（1）磨床核心结构设计（微型化+高刚性）①床身与基础结构材料选型：采用天然花岗岩床身（密度2.65g/cm^³，线膨胀系数≤0.5×10-/℃），相比铸铁床身热稳定性提升40%，阻尼特性优异（衰减系数≥0.05），有效抑制磨削颤振^[2]。②结构尺寸：微型化设计，床身外形尺寸≤1200mm×800mm×1000mm，质量≤800kg，适配小空间精密加工场景。③布局形式：采用“X-Z两轴正交布局+砂轮主轴立式安装”，减少占地面积，同时降低重力对加工精度的影响。

（2）主轴系统（高转速+高精度）①砂轮主轴：空气静压主轴，转速3000~20000r/min（无级可调），回转精度≤0.001mm（全转速范围），轴向窜动≤0.0005mm，采用陶瓷轴承+气浮润滑，摩擦系数≤0.0001，发热功率≤50W，减少主轴自身热变形。②工件主轴：伺服电动机直驱主轴，转速范围50～3000r/min，定位精度≤0.001°，重复定位精度≤0.0005°，配备两顶尖定位装（顶尖锥度60°，硬度62～65HRC）置，中心孔定位精度≤0.002mm，匹配丝杠两中心孔定位基准要求。

（3）进给系统（高精度+低摩擦）配置及参数见表3。

表3  进给系统

（4）钛合金适配性专项设计 ①防颤振优化：床身底部配备可调式阻尼垫（阻尼系数0.15～0.25可调），针对≤6mm细长丝杠，通过降低X轴进给速度（0.005~0.020mm/r）+砂轮主轴高频振动抑制（振动幅值≤0.001mm），避免加工颤振,^[5，6]。②防粘结设计：砂轮主轴配备自动清理装置，每加工10件自动喷射专用清洗液（钛合金防粘结配方），清除砂轮表面粘结的钛合金切屑，减少砂轮磨损。③在线检测集成：可选配内置式激光干涉仪（测量精度±0.001mm），加工过程中实时检测导程误差，自动反馈至补偿系统，形成“加工-检测-补偿”闭环。

（5）动态热补偿系统具体如下。

1）热误差采集模块。设置8个高精度铂电阻温度传感器（精度±0.1℃），覆盖关键热源区域：①砂轮主轴轴承（2个）：监测主轴运转发热。②工件主轴（1个）：监测工件夹持区域温度。③床身XIZ轴导轨（2个）：监测进给系统热变形。④磨削区环境（1个）：监测加工区域环境温度。⑤砂轮罩体（1个）：监测磨削区辐射热。⑥数控系统机箱（1个）：监测电气系统发热。10Hz实时采集数据，通过工业以太网传输至补偿控制器，延迟≤10ms。

2）热误差建模与算法。基于试验数据建立多元线性回归热误差模型，核心公式为

∆L=a₀+a₁T₁+a₂T₂+……+a₈T₈+b₁n₁+b₂n₂（1）

式中，∆L是Z坐标系热误差（μm）；T₁~T₈是各测温点温度（℃）；n₁是砂轮主轴转速（r/min）；n₂是工件主轴转速（r/min）；a₀～a₈、b₁～b₂为拟合系数（通过正交试验标定）。

补偿算法采用“实时预测+动态修正”策略，每100ms更新1次补偿值，结合激光干涉仪在线检测数据（检测频率5Hz），对模型进行动态修正，补偿精度≤0.002mm。

3）补偿执行机制。①补偿路径：补偿信号通过数控系统（支持G代码实时修正）直接作用于Z轴进给电动机，通过调整轴向进给量抵消热误差，补偿响应时间≤20ms。②初始校准：开机后自动执行热校准程序（持续10min），记录各测温点初始温度，建立基准误差库；加工过程中每30min执行1次快速校准，确保补偿模型稳定性。

3.2  钛合金专用砂轮选型与修整

（1）砂轮专属优化针对TC4钛合金高硬度、高黏结性特性，选用金刚石（SDC）专用砂轮，参数见表4。

表4  金刚石（SDC）专用砂轮参数

（2）砂轮修整工艺钛合金磨削时砂轮易黏结磨屑，需缩短修整周期。①粗磨：每磨削3件修整1次。②半精磨：每磨削2件修整1次。③精磨：每磨削1件修整1次。用金刚石修整笔，修整量≤0.001mm，速度3～5mm/min，确保砂轮牙型半角误差≤±0.005°。

1）金刚石笔机械修整（主流基础方法）原理是用天然金刚石笔（硬度≥10000HV）刮削砂轮表面，去除粘结磨屑与钝化磨粒，恢复切削刃形貌。修整速度为3~5mm/min，修整量单次≤0.001mm，往返2～3次；修整时与砂轮轴线呈10°～15°夹角，避免单点受力过大。适用于粗磨、半精磨砂轮，适配800～1200目金刚石砂轮，对应钛合金粗磨、半精磨工序。

2）放电辅助修整（解决粘结与钝化难题）原理是通过高频脉冲放电，使砂轮表面粘结的钛合金磨屑熔化脱落，同时轻微蚀除砂轮结合剂，露出新的金刚石磨粒。放电电压为80～120V，脉冲频率5~10kHz，修整时间为1~2min/次，搭配煤油冷却，避免砂轮过热。适用于精磨砂轮（1500～2000目），尤其适合TC4钛合金磨削后砂轮粘结严重的情况。

3）超声辅助机械修整（提升轮廓精度）原理是金刚石笔附加超声振动（频率20～40kHz），减少修整力，避免砂轮边缘崩损，精准修正螺纹磨削所需的复杂轮廓。超声振幅5～10μm，修整速度2~3mm/min，单次修整量≤0.0005mm。适用于钛合金丝杠螺纹精磨砂轮，需保证牙型半角精度时使用。

4）钛合金磨削专属修整注意事项。①修整周期：粗磨砂轮每磨削3件修整1次，半精磨每2件1次，精磨每1件1次（适配钛合金易粘结特性）。②冷却要求：修整时同步开启油雾冷却，避免磨屑二次粘结。③砂轮保护：修整后需空转5～10s，去除表面残留磨粒，再进行磨削。

3.3  钛合金磨杆结构优化

设计钛合金专属磨杆，提升磨削稳定性。

（1）材料选择  TC4钛合金本体（与工件热膨胀系数匹配），相比钢质磨杆刚性提升40%、密度降低40%。

（2）结构参数  直径≤3mm时长径比≤8:1，直径3～6mm时长径比≤10:1，避免弯曲变形。

（3）表面处理  喷涂TiN涂层（厚度2μm），硬度≥2000HV，减少摩擦损耗。

（4）减震设计  尾部加装微型阻尼器（阻尼系数0.8），振幅控制在≤0.0008mm。

4.1  磨削机理分析

TC4钛合金螺纹磨削采用“纵磨法（外螺纹）+切入磨法（内螺纹）”，磨削过程存在“切削→黏结→摩擦→抛光”四阶段，核心平衡磨削效率与热变形、切削力与颤振。需通过分段磨削精准控制热输入与切削力。

（1）粗磨  高效去余量，严控切削力与热积聚。

（2）半精磨  修正形位误差，预控精度。

（3）精磨  微量进给，结合动态热补偿，保证微观精度。

4.2  正交试验与参数优化

针对精磨阶段，选取砂轮线速度v、工件转速n以及径向进给量f三因素，设计正交试验，以导程误差、表面粗糙度和烧伤率为评价指标。正交试验因素水平见表5，试验结果与极差分析见表6，专属分段磨削参数见表7。

表5  正交试验因素水平

表6  试验结果与极差分析

注：因素影响显著性排序为 v＞n＞f，最优参数组合为v＝12m/s、n＝80r/min、f＝0.0015mm/z。

表7  专属分段磨削参数

（1）全维度精度检测（钛合金专属）  具体如下。

1）导程精度检测。采用Renishaw XL-80激光干涉仪（带钛合金热补偿模块），检测环境，温度为20±1℃、湿度≤65%，任意300mm导程误差≤0.010mm。

2）牙型与尺寸检测。选用蔡司CONTURAG2三坐标测量仪（钛合金专用测头）：牙型半角误差≤±0.004°；中径尺寸公差h5级（≤±0.003mm）；齿侧直线度≤0.002mm/10mm。

3）表面质量检测。①表面粗糙度值：Ra≤0.3μm（泰勒霍普森粗糙度仪）。②烧伤与裂纹：SEM观察无氧化色、微裂纹。③硬度：55~58HRC，均匀性≤±1HRC。

（2）专属研磨修形  采用铸铁研具（180~200HBW，见图3）+钛合金专用研磨膏（0.5~1.0μm氧化铝），转速为10~15r/min，正反向交替（8r+6r），时间为25~30min。螺距误差在±2μm内，表面残余压应力为-180~-220MPa，疲劳寿命提升30%。

图3  铸铁研具

（3）性能强化与验证 具体如下。

1）表面强化。采用DLC涂层工艺，厚度为1.5~2.0μm，硬度≥2000HV，摩擦系数≤0.12，盐雾寿命≥1000h。

2）动态性能验证。临界转速≥8500r/min（动平衡测试仪），疲劳寿命≥1.2×10^⁷次循环（100N轴向载荷），直径为4mm，长度为60mm，丝杠质量为1.7g，减重39%。10Hz往复运动1000h，导程误差变化≤0.001mm。

选取直径4mm、导程5mm的TC4钛合金丝杠，分为两组。对照组采用传统磨削工艺（钢质通用参数，无动态热补偿），试验组采用本文优化的钛合金专属工艺。每组加工10件，检测精度、表面质量、性能及合格率。

精度与表面质量对比见表8,性能指标对比见表9,质量对比见表10。试验结果表明，本文工艺彻底解决了TC4钛合金小直径丝杠磨削4大痛点，合格率从55%提升至98%,质量从2.79kg降至1.70kg,减重39%,各项指标均满足设计要求，具备产业化应用价值。

表8  精度与表面质量对比

表9  性能指标对比

表10  质量对比

优化的TC4钛合金真空分区球化退火工艺，使硬度≤210HBW，晶粒细化至10~15μm，加工性显著提升。钛合金专用磨床、金刚石砂轮与钛合金磨杆的适配设计，有效抑制颤振与粘结，振幅控制≤0.0008mm。分段控温热磨削工艺与动态热补偿技术结合，导程误差≤0.010mm/300mm，表面粗糙度值Ra≤0.3μm。试验验证结果表明，优化后TC4钛合金丝杠临界转速≥8500r/min，疲劳寿命≥1.2×10^⁷次循环，减重39%，合格率达98%，满足人形机器人核心需求。

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☞来源：金属加工 ☞编辑：王佳慧 ☞校对：高晨旭 ☞审核人：吴晓兰 ☞媒体合作: 010-88379790-801

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