| 作者寄語：中國品牌的大型、超長、重載滾動功能部件通過拼性能、拼質量、拼可靠性，定會邁上“以質取勝”的征程。讓我們共同見證，在迎接新中國成立60週年之際，該類產品正用“替代進口，實現國產化，產業化”為國爭光。 |
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重工業化是發展的動力
上世紀中葉西方國家重工業迅猛發展，鋼鐵冶金工業、航空航太、重型軍事裝備、大飛機大船、大型發電設備、第一代核電站等，催生了一批大（重）型數控機床及大型、重載滾珠絲杠副產品。
例如：早期英國Coventry公司研製的直徑203mm長1.83m（內裝500個Ф15.075mm鋼球）的重載滾珠絲杠副，能承受200噸載荷，用於煉鋼設備；直徑102mm長約11m用於核電站的耐熱大型滾珠絲杠副。美國Beaver公司研製的直徑127mm長12.5m的產品，則在大型雷達自動跟蹤定位系統中大顯身手。日本NSK公司也成功推出多款該類產品：用於超大型數控龍門銑床的滾珠絲杠副，直徑140mm長15m、導程32mm。而直徑300mm長16m自重達9.5噸的“巨無霸”滾珠絲杠產品，創世界之最。為了降低慣性力矩，NSK還曾推出滾珠蝸母條(Ball Rack)，並成功應用於超長行程的重型裝備。
本文作者黃祖堯先生，系中國機床工具協會滾動功能部件分會高級顧問、北京機床研究所教授級高工，享受國務院特殊津貼專家 |
英國LUCAS-Rotax公司專為飛機、航空航太、空港設備配套高可靠性大型空心滾珠絲杠副。近年來，德國的Rexroth、A.M、INA、BLIS；美國LSI、Thomson；西班牙的Korta、SHUTON；義大利的LICAT-UMBRA；日本的THK，以及中國臺灣的HIWIN、PMI等公司都相繼推出大(重)、超長滾珠絲杠副和大規格高剛度重載滾柱直線導軌副。
早期的大型滾珠絲杠副直徑大，承載滾珠數量多(多列、多圈)，多採用外插管循環方式，整體結構大而笨重。製造技術方面受工藝裝備限制，長絲杠在螺紋磨床上多採用工件穿過主軸孔逐段接刀磨削的方式，或者採用分段製造再拼接至所需長度。螺紋的旋風銑削工藝雖然早已應用，但基本上還屬於低精度軟銑水平，多用於粗加工和半精加工。
圖1 大型、重載滾動功能部件成為CIMT 2007、2009兩屆展會的亮點
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進入21世紀，中國裝備製造業的重工業化出現了快速發展的態勢，這從最近幾屆的中國國際機床展會（CIMT）上便能看出，參展的大（重）型CNC機床以及大型、重載、超長滾動功能部件產品一屆比一屆更多，更有新意。以今年4月的CIMT 2009展會為例，滾動功能部件參展商中海外13家、大陸7家，他們都競相推出大型、重載、超長產品，成為數控機床關鍵功能部件展品中十分引人注目的亮點。
漢江機床有限公司利用自行開發的SK7450×10m超長CNC絲杠磨床，整體精磨出10m精密滾珠絲杠副；南京藝工和博特精工都引進了德國Leistritz公司最新的pw300HP型8m CNC旋風銑床，硬精銑出整體8m以上的大型滾珠絲杠副（如圖1）；南京藝工、凱特精工、漢江機床公司、博特精工、大連高金均推出高剛度重載滾柱直線導軌副；博特精工還推出了用於冶金設備和軍工裝備的行星式滾柱絲杠副；臺灣HIWIN公司則推出了高剛度重載交叉滾柱絲杠副，等等。
筆者認為：大型、重載、精密、高速這類高端產品在全球金融危機的大環境中，將成為近期帶動中國滾動功能部件產業走出低谷、繼續向前發展的主導產品。
重在基礎、勇於創新
基於“Hertz”彈性接觸應力理論，滾動功能部件在高負荷下運行時，其彈性接觸應力非常大。為了減小重載下的彈性變形，增加運行可靠性並延長工作壽命，筆者特綜合分析國外相關文獻資料，從產品結構、主參數優化、驅動方式以及製造技術（含材料）等方面對相關關鍵技術進行剖析，供讀者參考。
1. 產品結構和基本參數的優化
① 基本參數的優化
影響承載能力、軸向剛度和工作壽命的基本參數包括：節圓直徑Dpw、滾珠直徑Dw、每個循環圈內承載滾珠數Z1、滾道接觸角α、滾道曲率的適應度fr、導程Ph及導程角φ。根據大型、重載滾珠絲杠副的工況特徵，筆者分析比較了這些基本參數對產品性能的影響，並提出了其推薦值（見表1）。
表1 基本參數對產品性能的影響（注：其中推薦值僅供參考）
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從對表1的分析可以發現以下三點：
(1)雖然，增加Dpw可帶來表中列出的許多好處，還可使臨界轉速增大，抗拉、抗扭強度增強，但是，基於綠色設計和製造的理念，為降低驅動力矩，節約能源和原材料，筆者認為宜首先優化其他參數來滿足主機的要求。這樣做，可以使在承載能力相同的情況下絲杠直徑、螺母外徑縮小大約20~30％。
(2)適應度fr(Conformity)是以滾動摩擦為特徵的滾動功能部件產品十分重要的參數，fr=r/Dw(r為滾道半徑)。設計人員常發現：同規格的產品，不同製造廠產品樣本中的Ca、Coa值不同，其中一個重要原因便在於fr的取值不同：fr愈小，加工、裝配的難度也就愈大。
(3)提高承載能力始終是重載滾珠絲杠追求的目標，但是在對Dw和φ(ph)進行選擇時，與高速絲杠恰恰相反，Dw宜選大，除非對進給速度有一定要求，一般φ宜小。
表2列出了對於同一規格的大型滾珠絲杠副，國內外各企業因選擇不同的Dw（圈數也不同），呈現出Coa的明顯差異。因為Dw加大使每個滾動體的承載面積加大，可有效減小高負荷下的彈性變形。
表2 各企業選擇不同的Dw所呈現出的Coa數值
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② 對重載產品實施“均載設計”
所謂“均載設計”的概念，就是讓外加載荷“平均”分攤到每個受載滾動體，實現“無零載”、“無過載”的等負載傳動。為此，可採取以下措施：
(1)因為在通常情況下，滾珠在滾珠螺母體內沿軸向負載分佈是不均勻的，在螺母組件優化設計時應合理排列反向機構在螺母上的位置，此外在絲杠—螺母安裝設計時，確定絲杠和螺母的受力方向使兩者伸縮變形方向一致以達到均化載荷的目的。日本NSK公司用於電動注塑機的HTF系列高負荷滾珠絲杠副，就是均載設計的成功範例（見表2）。
(2)在對絲杠、螺母的滾道進行精加工時，要求內外螺紋導程誤差的大小和走向一致。對於雙頭、多頭螺紋，精磨內外螺紋時需嚴格控制各螺紋頭數之間的“分度誤差”。
(3)通過嚴格篩選，使一個螺母（或滑塊）內的滾珠或滾柱，其直徑公差的一致性達到最佳化，因為“批直徑變動量”超過允許值，將會導致局部“零載”和“過載”。
③ 對“返向機構”進行“順暢性”優化設計
在滾動功能部件產品中，“返向機構”是直接影響產品性能的核心元件，無論是“體內”或“體外”循環返向，其基本要求是：滾動體循環返向必須靈活順暢；能承受衝擊載荷，在惡劣工況下運行可靠；循環返向的次數宜少不宜多；在滾珠螺母體內安裝十分牢固；尺寸精度具有較高的互換性。
基於這些要求，在重載、高速滾珠絲杠副中，近年來流行以下兩種新結構：
順流強力型體外循環結構：三維導珠管順內螺紋滾道的螺旋線方向與之相切，實現滾動體平滑順流返向，或者雖不相切但具有最佳的反向角。而高強度材質和厚璧的導珠管具有很強的抗衝擊能力。
圖2 用於重載和高速滾珠絲杠副的MIM返向器（北科大）
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端部導流型體內循環結構：採用三維CAD軟件對反向通道進行優化設計，使反向孔通道與內螺紋滾道精確對接，而滾動體在反向通道中的運動十分平滑順暢。直接嵌入滾珠螺母螺紋兩端的“端塞式”反向塊，安裝牢固、剛度好、強度高、結構十分緊湊(圖2)。
2.“滾動體”的創新派生出三類高剛度重載產品
同樣基於“Hertz彈性接觸應力理論”，作為承受載荷的載體，“滾動體”的結構也在不斷變化創新，以適應高載、高速、高順暢性的要求。“滾動體”從“滾珠”到“滾柱”，再從“一般滾柱”發展為“球形短滾柱”、“特殊母線滾柱”、“行星式滾柱”等新型滾動體，由此派生出三類新產品。
① 滾柱直線導軌副
與滾珠直線導軌比較，滾柱直線導軌的滾柱增大了承載面積，使承載能力、接觸剛度和工作壽命大幅度提高（如圖3）。近年中國南京藝工、漢江機床、凱特精機、博特精工、大連高金都先後推出滾柱直線導軌系列產品。
圖3 滾珠直線導軌副（剖視圖） |
表3是南京藝工的相同規格（85）兩種導軌承載能力的對比。在對導軌和滑塊元件的優化設計中都採用有限元建模分析受力和變形，從而選定最佳截形並設定最佳預緊力。
在對滾柱的“凸度設計”中採用“對數母線型滾柱”可有效消除“邊緣效應”，使接觸壓力集中係數趨“零”，當滾柱受到偏置載荷時，壓力分佈更均勻，從而提高滾柱的流暢性，延長使用壽命。在以滾柱為滾動體的滾動功能部件中（包括滾柱絲杠、滾柱軸承等），“凸度技術”正日益受到關注。海外批量生產滾柱直線導軌副的知名企業有THK、NSK、INA、Rexroth、Thomson、HIWIN等公司。
表3 南京藝工的相同規格（85）兩種導軌承載能力的對比（單位：KN） |
② 交叉滾柱絲杠副
此類產品，早年法國“Machines outils”公司曾試製過。日本THK在EMO 2003展會上推出了外插管式交叉滾珠絲杠副，直徑從Ф50~120，導程20mm。
中國臺灣HIWIN公司大約在2006年研製成功同類產品，2008年、2009年相繼在東京JIMTOF展會和北京CIMT 2009展會上展出（如圖4），據該公司試驗表明：在相同外力作用下，滾柱產生的接觸應力約為滾珠的1/2，最大彈性變形為滾珠的1/3，其接觸剛度可提高3倍。它與滾柱直線導軌副的區別在於，受結構的限制其滾柱的長度較短並交叉排列。據介紹，這種產品已用於全電動注塑機、重載CNC壓力機、龍門式加工中心等主機上。
圖4 交叉滾柱絲杠副（HIWIN產品透視圖） |
③ 行星滾柱絲杠副
圖5為行星滾柱絲杠副產品的剖視圖。基於內部結構、運動機理和受力狀態的差異，行星滾柱絲杠副具有以下特點：
（1）高剛度、高承載能力，比同規格滾珠絲杠副高出3倍以上（最高超過10倍）。
（2）承受衝擊載荷的能力很強，工作可靠，使用壽命長。
圖5 行星滾柱絲杠副（SKF產品剖視圖） |
（3）避開了返向裝置對DN值的制約，在導程很小的情況下實現高速驅動，DN≥14萬，Vmax≥60m/min，角加速度7, 000r/s2，振動小、噪音低。
（4）絲杠軸是小導程角的非圓孤螺紋，有利於達到較高的導程精度，可實現精密微進給。
（5）一體化的螺母組件很容易從絲杠軸分離，滾動體及相關零件不會散落，便於安裝維修。
（6）對惡劣環境（低溫、粉塵、化學沈積、無潤滑等）的適應能力較強。
筆者對行星滾柱絲杠副和滾珠絲杠副的運動機理和受力狀態所做的分析比較，參見表4。
表4 行星滾柱絲杠副和滾珠絲杠副的運動機理和受力狀態的對比 |
目前能夠生產行星滾柱絲杠副的國外企業有：INA（德）、SKF、LSI（美）、Rollvis（瑞）、Transrl（法）、Vcs. SPA（意）等，國內則尚處於研製和單件生產階段。
根據這種產品的特點，它主要被用於航空母艦、核潛艇、核電站、重型軍事裝備、冶金設備、重型數控機床等需要重載和高可靠性要求的場合。
3. 滾珠絲杠副的驅動方式日趨多樣化
適應主機超長行程、重載、高速的需求，滾珠絲杠副的驅動方式從傳統的“絲杠旋轉主驅動”發展為“螺母旋轉主驅動”，從“單一驅動”到“雙驅動、多驅動”，對“旋轉”與“直線”兩大運動方式進行優化組合與疊加，使產品功能進一步得到延伸與擴展。
螺母旋轉主驅動有兩大類共三種：
① 機械傳動型
AC電機通過無隙齒帶或定時滑輪驅動滾珠螺母旋轉，在固定不動的絲杠反推力作用下帶動工作臺軸向運動（圖6）。NSK、Korta、BLIS、LSI、HIWIN、漢江機床、博特精工、優勵聶夫等公司在大型、超長滾珠絲杠副都先後推出新產品，並成為今年北京CIMT 2009展會的新亮點，引起業內人士的高度關注。
② 機電一體化直驅型（包括兩種）：
第一種：一個空心AC電機的轉子與一個滾珠螺母剛性聯結，直接驅動螺母旋轉，使絲杠產生軸向運動。德國INA、Rexroth、日本THK都生產這類產品，用於並聯機床。對於長絲杠，則絲杠固定，螺母一邊旋轉一邊帶動工作臺做直線運動。
圖6 滾珠螺母主驅動結構用於大型超長滾珠絲杠副
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第二種：德國AMK Arnold Mueller驅動技術公司推出“SPINDASYN”驅動裝置，在一根分別有左旋和右旋螺紋的絲杠上，分別配有左旋和右旋滾珠螺母，並由兩個空心AC電機串聯組成，而轉子與螺母剛性聯結。通過同時改變AC電機的轉數和旋轉方向，使旋轉運動與直線運動疊加組合。
在大型、超長滾珠絲杠副中，滾珠螺母旋轉主驅動具有以下特點：
（1）因絲杠固定不動，避免了大型絲杠旋轉時產生的振動和噪音，大大改善了伺服進給系統的動態特性。
（2）轉動慣量小，節省能源。
（3）因避開了絲杠旋轉時兩端支承方式和間距對臨界轉速Nc的制約，Nc值可更高，有利於高速驅動。
（4）支承旋轉螺母的軸承遠遠大於支承絲杠的軸承，軸向支承剛度更高。
（5）可擴展主機功能，完成一軸多驅動。
（6）安裝調試較方便。
無論1型或2型，在滾珠螺母外圓上都要加工出徑向止推軸承的內滾道，並要求與內螺紋滾道有很高的同軸度。為避免因質量偏心引起的振動，螺母體在圓周方向質量應當均勻，需進行動平衡。
據瞭解，國內不少重型、超長的CNC機床，例如：CNC大型動梁雙座標落地鏜床、CNC大型龍門鏜銑床、SK7450×10mCNC超長絲杠磨床、CNC水刀切割機、CNC鐳射加工機等都已成功地採用了這一新的驅動產品。
滾珠螺母主驅動比之直線電機，驅動動率更大、更節能、成本低；比之曾長期用於重型機床的齒輪－齒條傳動，它的傳動效率更高、運動流暢平穩、噪聲小；比之NSK早期的“滾珠蝸母條”，它的結構較為簡單，製造、裝配、調試亦頗為方便。
筆者分析認為：在長行程、重載、高速領域，滾珠螺母主驅動型是結構先進的、具推廣價值的綠色產品，有較大市場潛力。
4. 大型、重載滾動功能部件製造技術的特點
大型、重載滾動功能部件應歸屬“極端製造（Extreme manufacturing）”領域，針對其產品結構、功能特徵、對產品性能（特別是“疲勞壽命”，“可靠性”）和生產效率的要求，在常規製造技術的基礎上，可採取以下工藝措施。
① 採用超長行程的高檔專用數控機床
例如，可採用如下機床：整體長絲杠精加工採用目前世界上最長的SK7450×100（10米）CNC絲杠磨床（漢江公司，見圖7）、SK 7450×9000 9米CNC絲杠磨床（安陽盛鑫）、5米CNC絲杠磨床（德國）、PW160（4米、6米）、PW300HP（8米）旋風硬銑床（Leistritz）、HJO92型8米CNC旋風銑床（漢江機床）等。
圖7 SK7450×10m CNC超長滾珠絲杠磨床（漢江公司）
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長導軌精磨則可採用德國和義大利的6米CNC導軌磨床，以及杭州機床廠與德國aba Z&b公司合作生產的HZ-078CNC長行程滾動直線導軌磨床等。
大、長絲杠的精加工從早期的“拼接工藝”發展到現今的“整體一次精磨”和“硬旋銑一次過成形”，是螺紋製造技術的重大突破。而無論是精磨成硬旋銑，長絲杠加工的關鍵是：導程精度和全長上中徑尺寸的一致性、滾道齒形精度和表面粗糙度及其在全長上的一致性。其核心是砂輪和刀片的材質和品質；乾涉修正技術；刀片刃磨技術；誤差補償技術。前面所談到的關於滾道參數的優化設計，便是通過這些工藝措施落實到產品中的。
② 滾珠絲杠螺紋的精密冷軋成型
這項成型技術是21世紀高效、無屑、綠色的製造技術，乃當今世界上螺紋製造技術的發展趨勢之一。由於軋制後的滾道表面質量優良，抗疲勞強度、機械強度都優於金屬切削加工後的表面，尤其是得益於導程精度的線性誤差、中徑尺寸和齒型誤差的一致性，可在大型、重載滾珠絲杠中發揮其獨特優勢。
國外不少知名企業（如NSK、Rexroth、Thomson、BLIS、Korta等），在採用精密螺紋磨削和硬旋銑的同時，也採取精密冷軋成型技術製造6米以下、直徑80以下的大型重載滾珠絲杠。
③採用多功能複合機床
通過採用多功能複合機床，可有效提高滾珠螺母的製造精度。
例如：SKR7620型六軸三聯動CNC內螺紋磨削中心（漢江）、CNC6950大型螺母磨床（英Matrix）、SMK204型四軸滾珠螺母磨削中心（廣州敏嘉）、HF-204型車銑複合加工中心（廣州敏嘉）、CNC內螺紋旋風銑床（德國Leistritz）等，其核心技術正是：內螺紋滾道的齒形精度和表面粗糙度；返向裝置安裝基面與內滾道的對中精度；內滾道與螺母安裝基面的相對位置精度；內滾道與螺母外徑上的軸承滾道的同軸度（螺母旋轉型）等。
④ 材料和熱處理
必須高度重視材料和熱處理環節，因為會對超長、重載滾珠絲杠產品的承載能力和壽命產生重大影響。國外不少企業在研發新的鋼種，例如：NSK研發EP鋼，專用於高強度、高剛度的場合。
國務院關於裝備製造業的三年振興規劃中，將“機床滾珠絲杠和滾動直線導軌專用鋼材”的研製納入“特種原材料”規劃專案，無疑相當必要。
在大型CNC中頻淬火機上對滾道實施硬化處理時，應嚴格控制硬度、硬化層深度、硬化層在全長上的均勻度。但也並不是硬度愈高愈好，更不允許出現“軟帶”和“裂紋”。根據用戶需要還可進行滾道表面的“改性處理”和防鏽處理。
⑤ MIM金屬粉末注射成形技術
該項技術成功用於返向機構複雜零件的製造。具有卓越成形能力和優良材料性能的MIM技術，當被用來製造導珠管時，更具獨特優點；導珠管各區段的孔徑相同，內孔平滑，提高了反向的流暢性；可隨心所欲地加厚管壁，使抗衝擊能力和壽命大幅度提高；亦能製造3D型導珠管。
MIM技術作為精密零件近淨成形綠色製造技術，給中國返向器的設計和製造帶來了創新性突破。如果說，當年低成本的工程塑料返向器曾為大批民營企業重複生產中低檔產品繞過了技術“雷區”，那麼，MIM技術則為高檔（大型、重載、精密、高速）滾動功能部件的發展創造了十分有利的條件。據瞭解在中國，MIM技術用於滾動功能部件產品在國際上也處於先進水平。
⑥ 對滾道表面的精密拋光
對滾道表面的精密拋光有利於改善工作區的承載能力和接觸剛度。但並不是拋得愈光滑愈好，因為表面太精細又會影響工作面潤滑油膜的形成。
⑦ 產品裝配中的特別注意事項
首先要選用高強度、高精度的滾動體，在裝配過程中嚴格篩選確保在每個螺母（或滑塊）中滾動體尺寸的一致性。
其次，為避免產品使用初期“預加負荷”和“定位精度”的早期喪失，裝配後要進行充分的“加載跑合”，以提高產品的“初始接觸剛度”。
基於大型重載滾動功能部件產品的獨特特點，其製造也與一般產品有重大差異，在專業生產廠中都設有專門的生產線來完成其製造。此外，為了控制產品質量，都需要配備大型、專用的檢測儀器。例如，10米鐳射絲杠動態測量儀、10米動態空載預緊轉矩測量儀、大型投影儀等等。
大有機遇，大有作為，以質取勝
中國裝備製造業正處在轉型升級階段，國務院在關於振興裝備製造業的三年規劃中，更是將基礎零部件和關鍵功能部件提升到與整機同步並行發展的重要位置，並優先安排數控系統、直線電機、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副等關鍵功能部件的開發和產業化。
可以說，中國重工業的發展和大型工程的啟動為大型、重載滾動功能部件產品的發展提供了前所未有的難得機遇。但是，“機遇在成功與無為之間翩躚，稍縱即逝”，把握住機遇是成功的第一步。
應該看到，實現中國大型、重載滾動功能部件的產業化已經擁有了較好的基礎，自主裝備的能力頗強，行業中的一些精英企業也已經擁有一批“鎮業之寶”，在硬體設施、製造成本、性價比等方面具備一定的“比較優勢”，這是中國民族工業的強項。
實踐已證明：在引進國外先進技術和裝備的同時，不盲目迷信、不依賴洋設備，用國產裝備照樣能造出大型、超長、重載滾動功能部件的高檔產品。相信正在實施的《高檔數控機床與基礎製造裝備》科技重大專項中，“大型、高效、精密數控螺紋加工設備”和“大型滾動直線導軌精密曲面成形數控磨床”兩個項目的實施，必將使中國的大型、重載滾動功能部件產業化邁上一個新臺階。
需要強調的是，在“極端製造”這個領域，更需要在基礎理論、基礎材料、基礎性能試驗這個層面上去探索產品設計和製造技術的創新亮點，掌握核心技術。前文所提到的參數優化問題，也需要通過自己的性能對比試驗，方能作為進一步優化的科學依據。有了硬實力再提升軟實力，替代進口、實現國產化指日可待。
無疑，大型、重載滾動功能部件在大（重）型CNC機床和大（重）型工程裝備中是十分關鍵的部件，它的功能、精度、性能、質量，可靠性將對主機產生重大影響並決定著主機的發展深度。正因為此，必須從材料和熱處理入手，下苦功將承載能力、疲勞壽命、工作的可靠性、精度的保持性等用戶最關心的問題解決好，讓用戶放心使用。
筆者堅信：中國品牌的大型、超長、重載滾動功能部件通過拼性能、拼質量、拼可靠性，在“以質取勝”的發展歷程中會盡快“牛”起來，在迎接新中國成立六十週年之際，用“替代進口，實現國產化，產業化”為國爭光，為民族爭氣。
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