滚动功能部件产业在创新中持续发展

　　【编者按】作为数控机床的核心功能部件——滚动功能部件，在CIMT2013展会上呈现出产品向性能佳、功能全、产品质量可靠，制造技术向高效、节能、低碳方向发展的态势。

　　在全球金融危机的大环境下，我国机床工业迈入调整产业结构、实现转型升级的攻坚阶段。2013年4月的北京，在第十三届中国国际机床展（CIMT2013）上呈现出一派活跃的气氛，既折射出中国机床产业的市场潜力，也体现了“创新驱动可持续发展”的主旋律。

　　行星滚柱丝杠副——线性螺纹传动装置的高端产品

　　行星滚柱丝杠副（Planetary Roller Screws）是具有高速、高载荷、抗冲击功能的精密线性传动装置（以下简称“PRS”）。它以螺纹小滚柱（或环形槽滚柱）作为载体，当丝杠旋转时，借助于行星滚柱的行星运动将旋转运动转换为直线运动和轴向推力。

　　PRS与滚珠丝杠副的最大差别是：滚动体结构发生重大改变；没有滚珠丝杠副中的循环返向机构，而是由滚动体行星运动代替循环返向运动，因此安全系数更高；行星滚柱的承载面积远高于滚珠，所有滚动体在工作中都始终同时受载，不承受交变应力和离心力。基于上述差异，PRS在产品性能和功能上具有以下特点：

　　1.承受外载的“三高”；按“Hertz”弹性接触应力理论，由于同时受载的多个行星滚柱接触面积大，又具有大曲率的凸面元弧，使PRS具有高承载能力、高刚度、高抗冲击能力的“三高”特征。据生产PRS的国外知名企业介绍，其承载能力比滚珠丝杠提高3倍以上，最大可超过10倍。最大动载荷Ca=200t，最大静载荷C0a=1000t。

　　2.高速特性：PRS没有制约DN值的“返向机构”，而行星滚柱又不承受离心力，所以DN值最高可达16万，Vmax=100m/min，加速度3g。

　　3.可实现精密微量进给，具有较高的重复定位精度，其精度保持性较高。

　　4.疲劳寿命高，对环境的适应能力强，在各种工况下（振动、冲击、粉尘、腐蚀及化学沉积、冰冻、无润滑等）均能安全可靠地运行。

　　5.拆装、维修方便。一体化的行星螺母组件，易于从丝杠轴上分离而滚动体不会散落。

　　PRS的缺点是：产品结构较复杂，螺母的尺寸比同规格的滚珠螺母大，制造技术难度较大。在批量生产之前，生产成本和售价也很高。笔者分析这也是包括我国、韩国、日本等亚洲国家和地区很长时间没有研制和生产PRS的重要原因。

　　据了解，在欧洲上世纪五十年代SKF公司首先研制成功PRS，并逐渐形成系列产品推向欧美市场。之后INA、LSI、Transol、Rollvis、VCS.SPA以及BLIS等公司都先后向市场推出自己的PRS系列产品。我国在上世纪九十年代后期，山东博特精工、南京优励聂夫、陕西宏峰开始研制PRS，并曾向市场提供少量商品。近年来，北京机床研究所精密天工、南京工艺、汉江机床也先后在CCMT、CIMT等展会上推出展品。

　　据笔者在历次展会和企业调研中了解，我国上述企业多数仍处于研制阶段。尚未完全突破技术瓶颈。其制造技术、工艺装备、检测手段尚不能满足稳定批量生产的要求。而山东博特精工在CIMT2013上展出的小型PRS产品研制时间较长，投入的人力物力较大，其产品已开始推向市场，曾在CCMT2012展会上被评为“春燕奖”。

　　基于上述特点，PRS在以下领域挑战滚珠丝杠并成功推广应用，包括：重型机械和重型CNC机床、钢铁冶金装备、军用飞行器、火箭发射器、卫星雷达、航母、核潜艇、核电站、重型军事装备、电动注塑机等。例如，注塑机“以电代油”面临的最大问题是采用滚珠丝杠因制造工艺、产品质量不过关导致使用寿命较短，成本较高。据介绍，在欧洲，1000t大型电动注塑机采用PRS后效果明显提升。

　　随着我国大型、重载数控机床和大型装备的发展，随着国防现代化向纵深和高端推进，制造业对PRS的需求将呈上升的趋势。而PRS属于高技术含量、高难度的滚动功能部件产品，建议尽快列入重大专项，产学研用结合，从基础理论、传动啮合原理入手，解决产品优化设计和制造技术中的关键问题，尽快把PRS从试制阶段推向商品化、产业化。

　　绿色高效制造技术和装备在规模化生产中选择重要作用

　　SKF和Rexroth、Thomson等公司采用精密冷轧成形技术生产的精密冷轧、滚珠丝杠副，精度能稳定达P5~P7，部分达到P3级。据介绍，在欧洲市场，中低端数控机床、雕刻机和木工数控机床普遍采用P3~P7级精密冷轧滚珠丝杠，又因其导程误差易于补偿，闭环数控系统的中档机床也常采用这种滚珠丝杠。螺纹的精密滚轧成形技术是高效、低耗和宜人化清洁生产的典范，其产品的机械强度高，中径尺寸的一致性好，滚道表面质量很高，生产效率非常高、能耗小，采用这种工艺和装备，可使宝贵的生产厂房和人力从传统的螺纹磨削技术中解放出来，在欧洲受到制造厂家的青睐，其产品因性价比高，供货周期短而得到中低端用户的普遍欢迎。

　　在CIMT2013上，SKF、THK、LSI、PCA、RSK滚石、浙江DLY等公司展出了冷轧滚珠丝杠产品。其中DLY公司在国内首先推出的φ80mm×10m大型冷轧滚珠丝杠，属国内首创，备受关注，已经成功在大型CNC龙门铣、水电站、大型电缆装备等主机中应用。专业生产精密滚轧机的PROFIROLL公司和Kinefac公司也在CIMT2013参展。据介绍，PROFIROLL公司新推出的“锐意创新”系列新产品，采用高负荷精密滚珠丝杠副取代油缸，可完成双轧辊的同步向心精密进给。

　　螺纹硬旋风铣削（Thread Hard Whirling）技术，自上世纪中叶出现以来，这种高效率、高能效、低耗和低排放的绿色制造技术就给全球专业生产大型、超长、重载滚珠丝杠的企业带来一场工艺革命。据了解，全球约有近30家制造滚珠丝杠的专业厂在生产线上装备了不同规格（长度最大10m）的CNC精密硬旋铣机床。在CIMT2013展会上，德国BLIS公司、美国LSI公司、西班牙Kortagroup以及我国的南京工艺、山东博特精工、大连高金、汉江机床等都展示了用THW技术加工出的大型、重载滚珠丝杠。德国BLIS公司拥有Leistrtz生产的CNC硬旋铣机床4台，自称与Leistrtz公司紧密合作，掌握了硬旋铣的核心技术，拥有超过200000h的硬旋铣生产经验，使该企业面貌发生了巨大变化。目前国外CNC硬旋铣最大加工长度为20m，最大加工直径φ200，稳定P5级，最高精度P3级。

　　这次参展的南京彩云机械电子公司是国内专业从事旋铣技术和装备研究制造的高新企业。该公司研制和批量生产的CNC蜗杆旋风铣床系列产品被列为江苏首台重大装备和南京市名牌产品。据介绍该公司针对我国滚珠丝杠生产企业的需求，正在加紧试制3m滚珠丝杠硬旋铣机床。广州敏嘉制造技术公司近十多年为国内外生产滚动功能部件的企业提供了大批高效、多功能的CNC专用机床，最近又研制成功CGK300型滚珠螺母超精密硬车削CNC机床，这是全新概念的绿色干式硬切削机床，不但生产效率高，还解决了传统磨削工艺易产生齿形干涉的难题。据展会上介绍，以上两种高效绿色机床在完成厂内工艺试验后，将推向市场。国产高效绿色装备将推动我国滚动功能部件的产业化进程。

　　“返向装置”是滚动功能部件内部结构中的核心组件。它的结构、参数、制造工艺以及加工质量都对完成周而复始的“返向功能”及产品的流畅性、摩擦特性、速度特性和噪音产生重要影响。在高速、重载工况下，更是产品可靠性的关键环节。从CIMT2013展会上可以看出，在我国的滚动功能部件制造企业中，无论是大型骨干（国有）企业，还是中小民营企业，其产品中的“返向装置”全都以粉末注射成形技术（PIM）取代传统的机械加工。其中低档产品均采用工程塑料，高档产品多采用金属粉末注射成形技术（MIM）。我国滚动功能部件产业广泛采用高效一次成形的近净成形技术推动了产业的发展，反映了在绿色制造方面的技术进步。

　　基于数控机床对精度、高速、重载的需求，诞生了一批高性能滚动功能部件新产品

　　1.低惯量的“滚珠螺母主传动”滚珠丝杠副是长行程数控机床的最佳选择

　　在长行程的大型、重载数控机床或高速数控机床中均力求回转体转动惯量的最小化。近年，不少知名企业相继推出滚珠螺母旋转主传动的伺服驱动方案并迅速得到推广应用。在CIMT2013展会（包括前两届）上，Rexroth、LSI、BLIS、Korta、IPIRANGA、NSK、THK、HIWIN、南京工艺、山东博特、汉江机床、江苏瑞安特、南京优励聂夫等公司都展出了这类新产品。

　　滚珠丝杠传动装置由丝杠主传动发展为滚珠螺母主传动（或丝杠、螺母可同时传动）。这是螺纹线性传动方式的重大突破。最初采用同步带或齿轮驱动螺母旋转。近年出现机电一体化的直驱第二代产品——空心伺服电机直驱旋转滚珠螺母组合单元。推出第二代产品的企业包括：Rexroth、INA、THK、南京工艺等。

　　2.内冷型滚珠螺母

　　在用滚珠丝杠驱动的伺服进给系统中，抑制热变形多采用对空心滚珠丝杠实施强制循环冷却以及预拉伸等措施。实际上，在滚动过程中滚珠丝杠的螺纹部分是属于随滚珠螺母轴向位移变化的移动热源，而滚珠螺母内部在运转的全过程自始至终都处于产生摩擦热的封闭状态，是散热条件差的连续热源，应该是抑制热变形的重要环节。基于这种分析判断，近年来不少知名企业研发出滚珠螺母内部循环致冷的新结构，它能更有效地抑制高速运动时的温升。其制冷效果更佳。在近两年的国际机床展会上，NSK、HIWIN、南京工艺都推出了这类新产品。南京工艺在CIMT2013展会上展出的用于高速数控机床的DKFB系列滚珠螺母内冷型精密高速滚珠丝杠副，这是该公司承担数控机床国家重大专项的成果之一。该新产品对循环滚珠链和返向机构进行了流畅性的优化设计，采用变位预紧，提高刚度，DN值可达15万以上，精度可达P1级/3m。

　　3.集“导向”与“检测”功能于一体的高精度智能滚动直线导轨副

　　在CIMT2013展会上，广东凯特精机公司与南京工艺都展示了带磁栅测量系统的滚动直线导轨副，标志着我国滚动直线导轨副向智能化方向迈出了一大步。众所周知，广东凯特精机从1995年成立之初就与华中理工大学保持着十分紧密的校企合作关系，是行业中产学研结合的典范，由于基础理论和性能试验很扎实，其产品质量始终处于上游水平，被中国机床工具工业协会授予了2012年度行业“产品质量十佳”先进单位。

　　广东凯特精机两年前推出的带磁栅测量系统的高精度智能滚动直线导轨副，具有一体化的紧凑结构，同时兼有滚动直线导轨副的高刚性和磁性传感器的高精度，系统精度最高达±10μm，重复精度最大±1μm。内藏式磁尺及磁性传感器抗振，抗冲击。采用不锈钢盖板防护，在防尘和耐油脂方面，具有可靠的密封性能。采用非接触式测量系统，有利于延长工作寿命。这带种测量系统的滚动直线导轨副，更适用于长行程的导向和测量，其测量系统可直接与主机系统联接，使用维护方便。

　　在数控机床中，滚动功能部件属于资本密集型、技术密集型和管理密集型的核心功能部件。当我们不断跟踪和研究国内外这个产业的发展轨迹时，可以发现：为适应主机对高精度、高速、重载以及智能化的需求，在产品的结构和驱动方式上，已经发生了重大变革；在规模化专业生产中，制造技术正在向高效、节能和低碳绿色方向发展；产品性能和功能不再盲目追求高指标和大而全，但求适用与最佳化；产品质量对精度稳定性、产品寿命与可靠性提出了更高的要求；产品的市场正在面向大机械产业开拓，以市场多元化求生存谋发展；功能部件的发展速度应与主机协调同步发展。

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