| 在倡導低碳、循環經濟的今天，採用綠色製造技術生產的螺紋傳動裝置順應了發展的潮流。必須承認，在精密螺紋滾軋成形技術領域，中國與國外發達國家相比差距很大。因此，政府要組織企業進行技術攻關，盡快掌握核心技術，實現相關產品的國產化，並引導行業朝低碳、循環經濟的道路前進。 |
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| 圖1 滾珠絲槓圓弧螺紋齒形的兩種成形技術金相放大圖對比 |
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在地球自然資源不斷減少、環境日益惡化的今天，樹立科學發展觀，走資源節約、環境友好的可持續發展道路，已成為生態經濟和低碳經濟時代新型工業化的基本國策。
眾所周知，工業領域消耗了70%左右的能源，CO2排放量居高不下。因此，無論是技術創新亦或是新產品研發，都應以實現低能耗、低油耗、低水耗、低材耗、零排放、零污染作為出發點。
在所有線性傳動裝置的產品中，採用精密螺紋滾軋成形技術製造的滾珠絲槓（RBS）和梯形絲槓（RLS），具有高效、減摩、節能、降耗的特徵，是用綠色製造技術生產的綠色產品。
絲槓螺紋滾軋成形的實質及產品特點
基於金屬塑性變形理論，在CNC精密滾軋機上，一對低速旋轉的螺紋軋輥用很高的壓力對金屬圓棒料實施徑向動態強製冷滾軋，通過塑性變形使棒料外圓的金屬晶粒產生滑移，並強制金屬縴維沿著軋輥齒面垂直軸線方向朝齒間流動而形成所要求的齒形和導程。滾軋成形的精度（包括齒形精度、導程精度、中徑精度等）取決於CNC滾軋機的精度、剛度和智慧化水平；軋輥設計的精確度、製造精度和耐用度；滾軋過程中潤滑減摩效果；絲槓材料的品質（包括塑性應變能力γ值、延伸率δ、純淨度......）等關鍵因素。
而螺紋的金屬切削加工，無論是硬車削、旋風硬銑削或磨削，都是在金屬棒料上用車刀、旋銑盤刀或砂輪通過徑向切割金屬縴維而成形的（見圖1）。圖1揭示了金屬縴維沿齒廓連續分佈和被切斷這兩種製造技術的本質差異。
用於工業傳動和定位的滾軋絲槓主要有兩類
RBS(Rolling Ball Screw)冷軋滾珠絲槓副，包括大導程快速驅動型RBS、精密定位型RBS、小徑大導程和微型RBS等。
RLS(Rolling Lead Screw)冷軋梯形絲槓副，包括公制和英制螺紋、單頭和多頭螺紋、大導程超大導程Speedy快速絲槓傳動副等。
精密RBS產品的特點
精密RBS除具有螺旋滾動摩擦傳動副的基本物理特徵外，基於無屑滾軋成形與金屬切削製造工藝的差異還具有以下特點：
1.滾軋成形後的滾道表面，在強大的滾壓力作用下金屬內部組織的缺陷得到彌補、金屬縴維不但沒有被切斷，內部組織更緻密。因此，機械強度和疲勞壽命得到提高，據有關文獻介紹：抗拉強度提高20%~30%、疲勞強度提高20%~40%、抗剪強度提高5%。
2.作為無屑加工，其資源利用率高。對優質鋼材的利用率高達80%~90%，比切削加工節省材料15%~30%。
3.螺紋滾道表面經過滾軋和拋光後表面光滑，表面粗糙度最高可達Ra0.5~0.8μm。並避免了切削和磨削加工中易產生的“振紋”、“裂紋”、“齒面燒傷”、“硬點”等影響疲勞壽命的缺陷。
4.軋輥的壽命和在一次加工中的耐用度遠遠高於切削刀具和砂輪。同一批滾軋出來的滾珠絲槓，它們的導程精度、齒形精度、中徑圓度和圓柱度等重要精度指標具有較高的“同一性”，這就帶來三個難得的優點：（1）當RBS用於多軸驅動時，它的“同步性”功能得到凸顯。例如：在“重心雙驅動型加工中心中”一對“雙胞胎型”的P3級精密RBS，能又好又省地完成同步、雙驅動的功能；（2）因為滾珠絲槓副的動態預緊轉矩偏差dTpp是與絲槓的中徑圓度、圓柱度呈函數關系，因此，精密RBS的dTpp更優於一般滾珠絲槓；（3）導程誤差的離散性小、曲線較平滑，便於CNC補償。
5.比磨削加工的生產效率高出幾十倍，生產效率很高，有利於實現標准化、專業化大批生產。由於精密RBS產品具有很高的互換性，“絲槓”和“螺母”可分離成為獨立的商品，更為“短周期庫存性”的生產和營銷模式創造了條件。
6.低能耗、低材耗、低油耗、短周期使製造成本大大降低。特別是當製造工藝穩定後，其效果更明顯。
7.對環境的負面影響小，是宜人化的製造技術。處於恆溫封閉環境的精密螺紋磨削，含有磨粒和金屬粉塵的油霧，十分不利於工人的健康。採用真空強排油霧的措施雖然可以改善工況，但並非所有企業都能做到。
8.對於超細長（L/D≥50）、大導程和超大導程（導程角φ≥17°）、多頭螺紋絲槓，採用RBS是最佳選擇。因為大螺旋角的齒形乾涉問題、細長絲槓的彎曲變形問題一直以來是螺紋磨削的難點。而CNC滾軋技術在這方面有其獨特優勢。
各國絲槓螺紋滾軋成形技術和裝備的發展
上世紀40年代出現的冷滾軋機最初主要用於軋制普通螺紋、花鍵、球頭等一類回轉體中、小零件，早期的汽車轉向器滾珠絲槓採用冷軋成形，產量很大，精度要求雖不高，但對中徑尺寸和可靠性要求極嚴。
圖2 德國PROFIROLL公司的2-PR60 CNC-AC滾軋機（帶自動上下料裝置） |
德國“PROFIROLL”寶飛螺公司製造滾軋裝備已有半個多世紀的曆史，上世紀90年代該公司推出第五代CNC精密滾軋機（見圖2），該公司有雙軸、多軸系列產品，配置“寶飛螺CNC/AC數控系統可根據材料的成形過程隨機調整主軸轉速和軋輥進給量，並且有滾軋過程參數程式化、螢幕化和管理提示等功能。新一代的滾軋機按被軋制絲槓的軸心定位，在CNC/AC控制下雙軋輥在雙滑座上同步向心進給，從而獲得很高的中徑尺寸精度，並使同一批產品的主參數具有“同一性”和“互換性”。據稱新一代的滾軋機批量生產滾珠絲槓能穩定達到ISO3408-1標准中的P5-P7級，部分達到P3級。“滾軋主機—模具（軋輥）—滾軋工藝技術”三位一體的營銷模式為用戶提供全套技術解決方案。
成立於1962年的美國“KINEFAC肯尼福”公司，下設國家級擠壓滾軋成型工藝開發試驗室、冷滾軋（兩模、三模）技術中心等多個研發機構。該公司的“封閉受力閘式CNC高強度滾絲機（第三代產品，見圖3）採用兩套獨立的大功率CNC伺服電機驅動減速系統，雙軋輥轉速同步，採用比例伺服液壓雙向對中同步進給，對雙軋輥的滾壓力、轉速、進給量實施全過程數字控制。“Kine-Trol”高性能滾絲數控系統包括高精度自動對牙功能、多軸伺服管理功能、滾絲全過程動態模擬功能、滾絲全過程曲線顯示功能等。該系列產品的滾軋力從60KN到400KN。該公司的創始人Howard A Greis先生是美國在這個領域的權威人士。
圖3 美國KINEFAC公司的MC-300FI型第三代CNC滾軋機 |
意大利ORT公司成立於1964年，該公司2RP系列雙主軸雙滑座CNC滾軋機的滾壓力從18t到125t，工件最大直徑從Ф60到Ф120。3RP三主軸三滑座系列產品滾壓力從10t到150t，工件最大直徑從Ф36到Ф300，適用於大直徑絲槓的滾軋成形。
中國研製滾軋設備的時間起步於上世紀60年代。山東省生建機械廠是中國最早的滾絲機專業製造企業，有近60年的曆史，擁有國內唯一的冷滾軋技術研發中心（省級），生產絲槓滾絲機、花鍵滾軋機、倒錐齒滾軋機、花鍵冷搓機等30多種型號。近年該廠研發中心首次推出的國產Z28K-25、Z28K-35數控滾軋機，向滾軋機的數控化、國產化邁開了可喜的第一步。但該廠對導程和齒形精度要求較高的滾珠絲槓滾軋技術尚待深入研究和實踐，尚需通過“產、學、研、用”四結合的方式攻下技術難關，追趕國外先進水平，提升CNC滾軋機的檔次。
在中國滾動功能部件產業中，最早從事梯形絲槓、滾珠絲槓滾軋技術研究的雲南昆明冷軋技術研究所（歸屬雲南第三機床廠），早在20世紀80年代初就承擔了原機械工業部下達的滾軋絲槓螺紋的攻關任務。該所對國外RBS產品進行了深入分析研究，曾先後研製出三代冷軋機，並於1987年研製出SGZJ-3-25T三輥冷軋機，還先後為機床行業和冶金企業研製出一批G級（舊標准）RBS產品。十分遺憾的是，由於缺少研發資金以及專業人才的流失等原因，中國這項十分有發展前途的項目，只開花不結果，半途夭折，滾軋研究所從名存實亡到消失，其教訓是十分深刻的！
全球RBS產品已標准化，系列化，品種多樣化，批量生產專業化
日本NSK公司早在20世紀70年代就批量生產RBS產品，筆者1979年在該公司（前橋工場）考察實習時就得知當年RBS產量達6萬套以上，最初的精度只能達到Ct7∼Ct10級。該公司擁有RBS生產線，發展至今用於傳遞動力的RBS就有7個系列，規格多達100種以上。近年推出Ct7（JIS標准）RMS系列微型產品和C5、Ct7級LPR系列精密大導程產品，從25×25到50×50，Vmax=150m/min。該公司是全球少數生產RBS產品系列最全、品種最多的企業之一。日本THK公司曾推出JPF系列定壓預緊（“0”間隙）精密RBS，Ф14∼Ф40，導程4∼10，採用具有柔性環節的導程增量預緊的滾珠螺母結構，絲槓軋制後滾道表面拋光至Ra0.5μm。經檢測該RBS的重復定位精度高達±0.2μm，周期誤差2.8μm/2π，在450mm行程內的動態預緊轉矩變動量為0.07Nm~0.10Nm，這證明RBS在軋製後通過研磨和拋光後也可以達到很高的水平。此外，在日本還有TSUBAKI、黑田精工等企業生產RBS產品。
德國Rexroth公司生產RBS的規模大、產量高、品種較全，包括標准系列、ECO經濟系列、Speed快速系列（Vmax=150m/min）、微型系列（Ф16×1∼Ф12×10）等，傳動型（T）的精度為T5、T7、T9級，精密定位型（P）精度為P3級和P5。為適應高速驅動的要求，近年推出FAR-B-5系列螺母旋轉型高速RBS產品，從32×10到63×40，精度T5、T7級，Vmax=120m/min。Warner Electric公司運用新一代的CNC滾軋機和精密滾軋技術，使精密RBS的導程精度達到0.008∼0.013/300、週期誤差0.006/2π、螺紋中徑圓度、圓柱度0.003∼0.008。Danaher集團旗下的Thomson公司批量生產4個系列約40種規格的P3級精密RBS產品、6個系列約70種P5（T5）~T7級RBS產品。德國Eichenberger公司（成立於1953年）以大導程和微型RBS專長，包括：“Carry Speed-line”超大導程高速RBS和“Carry”重型系列以及“Four by one”Ф4×1，全球最小的微型RBS系列產品。在歐美國家中生產RBS產品的企業還有：Rotax、Johnson、Saginaw、Rockford、Abssac、Neff、KSK、KURM等。在韓國生產RBS的幾家企業中，Tic滾珠絲槓公司生產的R系列包括外循環和內循環共四類51個規格。
中國台灣有HIWIN、PMI、璟騰滾珠科技、全球滾珠科技、Rolling Stone、HSK沋孚精機等公司製造RBS。其中PMI銀泰公司全套購進德國PROFIROLL公司的滾軋機和軋輥，批量生產6個系列約60個規格的RBS產品，最高精度可達P5級。HIWIN上銀公司的品種規格較全，包括標准庫存、內外循環共6個系列約80個規格，大導程系列有15個規格，從16×16到50×50。台灣的企業多採用德國的滾軋機，但總體水平低於歐美。
中國內地製造RBS和RLS的企業主要包括：RSK寧波滾石科技（台資）、GOLDEN北京高爾頓、浙江（麗水）新億特、福建南靖長青絲槓公司等，它們起步較晚，規模較小，大都從國外購進中低檔（或“二手”）、小規格滾軋設備，產品精度停留在T7、T9、T10這個擋次，極少數能達到P5級，但不穩定。與台灣隔海相望，地處“海西經濟開發區”的南靖長青絲槓精密公司，擁有三臺滾軋機（包括義大利ORT公司的RP30V滾軋機）和用於製造軋輥的CNC精密螺紋磨床等關鍵設備，批量生產RLS，正在研製RBS。據筆者在該公司現場考察瞭解得知：該公司的自主研發能力較強，所有軋輥全部自己設計、製造，其產品在軌道交通車輛（站）門驅動裝置和大型場館門窗開啟裝置等方面得到成功應用，已出口到德國、美國、義大利，受到海內外用戶的認可和歡迎。
從以上各國/地區發展和生產RBS的情況可以看出：由於高檔CNC精密滾軋機售價昂貴，軋輥的設計難度大，製造成本較高，唯有在標准化、系列化的基礎上組織成批大量生產，對製造企業才是最經濟的。
關於“差距”和“國產化”的思考與建議
在精密滾軋成形技術和裝備以及RBS、RLS產品這個領域，德國、美國處於領先水平，而中國大陸尚處於第三梯隊的位置，其中RLS接近國外水平，而RBS比德、美差兩個精度等級，至少落後十年以上。至於專業化的現代管理水平差距也很大，究其原因，筆者認為：
1.傳統的“螺紋磨削一統天下”工藝和“非磨無以成器”的思維使絲槓螺紋的冷滾軋成形技術被忽視、RBS產品被矮化，束縛了絲槓螺紋製造技術的創新與發展。
2.中國一些企業在不同時期購進的滾軋機檔次不高、選型不佳（經濟型、二手貨、中小噸位），相關配套裝備不完整，特別是控制產品質量的檢測手段不完備，核心技術沒有真正掌握、國產鋼材又不能滿足軋制P3∼P5級RBS的要求，致使購進的裝備“水土不服”，軋不出精度高的RBS產品。
3.在中國滾動功能部件產業內，缺少一支能持之以恆地長期從事金屬塑性變形理論、絲槓螺紋精密滾軋成形技術和裝備的研發團隊。
4.雖然我們已進入低碳經濟、綠色經濟的時代，但還沒有從生態循環經濟的角度和綠色製造的高度去評估絲槓螺紋精密滾軋成形技術及產品的經濟價值和市場潛力。企業缺少投入的信心、決心和力度，而國家尚沒有從發展綠色產品這個角度對這個項目給予資金和政策支持。
RBS既是具有多種功能的高效、低耗、節能產品，又是在線性傳動領域實現運動方式（方向）、能量（動力）經濟易行的轉換裝置，這個用綠色製造技術生產的綠色產品在工業各領域中的應用十分廣泛，市場潛力很大，應當成為企業創建滾動功能部件產業化基地中不可缺少的組成部分，在市場多元化的今天它是一種新的綠色經濟增長方式。為此，對中國實現RBS國產化，提出幾點不成熟的建議：
1.在國家“十二·五”規劃中，建議把“絲槓螺紋精密滾軋成形技術和裝備”項目列入綠色製造技術和裝備中，組織有條件的企業和科研院所聯合攻關。在自主創新的基礎上，高起點引進國外先進技術和關鍵裝備，通過消化吸收再創新，在掌握核心技術的基礎上實現精密RBS、RLS產品批量生產和國產化。
2.立足長遠，培養這個領域高層次的研發團隊和學科帶頭人，並在有條件的企業中組建精密螺紋滾軋技術中心和試驗室。
3.絲槓材料是制約中國滾珠絲槓向高效螺紋製造技術發展的瓶頸。對RBS而言，除機械強度、疲勞壽命的一般要求之外，還要求具有優良的冷滾軋成形性能，例如：高的金屬的塑性應變能力γ和延伸率δ等，同時，對化學成分的純淨度、微量元素的含量、雜質的含量也都有嚴格要求。
去年，國務院在關於“裝備製造業調整和振興規劃”中已把“機床滾珠絲槓和直線導軌專用鋼材”列入“特種原材料”中，作為夯實產業發展基礎的具體項目。建議從事RBS生產的企業與有關院所和鋼廠緊密合作，盡快研製出能滿足滾軋成形工藝和硬旋銑工藝要求的新鋼種，並盡早國產化、建立長期穩定的新鋼材配套體系，常態定點供應。
4.企業是否上RBS項目，要根據自身的條件（例如資金狀況、本企業在其他螺紋製造技術和裝備方面是否具有優勢，市場及用戶群的需求等）以及在軟實力方面是否初具（或者能夠創造條件具備）滾軋成形技術的研發能力等因素的考量，做出明智的判斷。在與國外談判購買滾軋機時，應吸取曆史的教訓，著眼於總體解決方案的實施，把“滾軋機—軋輥—滾軋技術”一並同步解決。在選型時還要充分瞭解該機型在同業同戶中的使用狀況，以便做出正確的決策。
編者按：黃祖堯先生是中國機床工具工業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、國務院特殊津貼專家。從2004年起，黃先生開始從綠色製造的角度調研、觀察國內外絲杠螺紋滾軋成形技術及RBS的發展，並提出一些獨到的見解和關於發展的若乾建議。在當前倡導低碳、循環經濟的潮流下，黃先生的研究對中國機床工業和裝備製造業的發展具有積極的意義。從本期開始，《CMJ中國機械與金屬》將連續兩期刊登黃先生的研究成果，敬請關注。 ■
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