高效、节能、降耗的绿色螺纹传动装置

——丝杠螺纹精密滚轧成形技术及RBS、RLS产品的国内外发展

在倡导低碳、循环经济的今天，采用绿色制造技术生产的螺纹传动装置顺应了发展的潮流。必须承认，在精密螺纹滚轧成形技术领域，中国与国外发达国家相比差距很大。因此，政府要组织企业进行技术攻关，尽快掌握核心技术，实现相关产品的国产化，并引导行业朝低碳、循环经济的道路前进。 

图1 滚珠丝杠圆弧螺纹齿形的两种成形技术金相放大图对比在地球自然资源不断减少、环境日益恶化的今天，树立科学发展观，走资源节约、环境友好的可持续发展道路，已成为生态经济和低碳经济时代新型工业化的基本国策。

众所周知，工业领域消耗了70%左右的能源，CO
_{2排放量居高不下。因此，无论是技术创新亦或是新产品研发，都应以实现低能耗、低油耗、低水耗、低材耗、零排放、零污染作为出发点。}

在所有线性传动装置的产品中，采用精密螺纹滚轧成形技术制造的滚珠丝杠（RBS）和梯形丝杠（RLS），具有高效、减摩、节能、降耗的特徵，是用绿色制造技术生产的绿色产品。

丝杠螺纹滚轧成形的实质及产品特点
基於金属塑性变形理论，在CNC精密滚轧机上，一对低速旋转的螺纹轧辊用很高的压力对金属圆棒料实施径向动态强制冷滚轧，通过塑性变形使棒料外圆的金属晶粒产生滑移，并强制金属纤维沿着轧辊齿面垂直轴线方向朝齿间流动而形成所要求的齿形和导程。滚轧成形的精度（包括齿形精度、导程精度、中径精度等）取决於CNC滚轧机的精度、刚度和智慧化水平；轧辊设计的精确度、制造精度和耐用度；滚轧过程中润滑减摩效果；丝杠材料的品质（包括塑性应变能力γ值、延伸率δ、纯净度……）等关键因素。

而螺纹的金属切削加工，无论是硬车削、旋风硬铣削或磨削，都是在金属棒料上用车刀、旋铣盘刀或砂轮通过径向切割金属纤维而成形的（见图1）。图1揭示了金属纤维沿齿廓连续分布和被切断这两种制造技术的本质差异。

用於工业传动和定位的滚轧丝杠主要有两类
RBS(Rolling Ball Screw)冷轧滚珠丝杠副，包括大导程快速驱动型RBS、精密定位型RBS、小径大导程和微型RBS等。

RLS(Rolling Lead Screw)冷轧梯形丝杠副，包括公制和英制螺纹、单头和多头螺纹、大导程超大导程Speedy快速丝杠传动副等。

精密RBS产品的特点
精密RBS除具有螺旋滚动摩擦传动副的基本物理特徵外，基於无屑滚轧成形与金属切削制造工艺的差异还具有以下特点：

1.滚轧成形後的滚道表面，在强大的滚压力作用下金属内部组织的缺陷得到弥补、金属纤维不但没有被切断，内部组织更致密。因此，机械强度和疲劳寿命得到提高，据有关文献介绍：抗拉强度提高20%~30%、疲劳强度提高20%~40%、抗剪强度提高5%。

2.作为无屑加工，其资源利用率高。对优质钢材的利用率高达80%~90%，比切削加工节省材料15%~30%。

3.螺纹滚道表面经过滚轧和抛光後表面光滑，表面粗糙度最高可达Ra0.5~0.8μm。并避免了切削和磨削加工中易产生的“振纹”、“裂纹”、“齿面烧伤”、“硬点”等影响疲劳寿命的缺陷。

4.轧辊的寿命和在一次加工中的耐用度远远高於切削刀具和砂轮。同一批滚轧出来的滚珠丝杠，它们的导程精度、齿形精度、中径圆度和圆柱度等重要精度指标具有较高的“同一性”，这就带来三个难得的优点：（1）当RBS用於多轴驱动时，它的“同步性”功能得到凸显。例如：在“重心双驱动型加工中心中”一对“双胞胎型”的P3级精密RBS，能又好又省地完成同步、双驱动的功能；（2）因为滚珠丝杠副的动态预紧转矩偏差dTpp是与丝杠的中径圆度、圆柱度呈函数关系，因此，精密RBS的dTpp更优於一般滚珠丝杠；（3）导程误差的离散性小、曲线较平滑，便於CNC补偿。

5.比磨削加工的生产效率高出几十倍，生产效率很高，有利於实现标准化、专业化大批生产。由於精密RBS产品具有很高的互换性，“丝杠”和“螺母”可分离成为独立的商品，更为“短周期库存性”的生产和营销模式创造了条件。

6.低能耗、低材耗、低油耗、短周期使制造成本大大降低。特别是当制造工艺稳定後，其效果更明显。

7.对环境的负面影响小，是宜人化的制造技术。处於恒温封闭环境的精密螺纹磨削，含有磨粒和金属粉尘的油雾，十分不利於工人的健康。采用真空强排油雾的措施虽然可以改善工况，但并非所有企业都能做到。

8.对於超细长（L/D≥50）、大导程和超大导程（导程角φ≥17°）、多头螺纹丝杠，采用RBS是最佳选择。因为大螺旋角的齿形乾涉问题、细长丝杠的弯曲变形问题一直以来是螺纹磨削的难点。而CNC滚轧技术在这方面有其独特优势。

各国丝杠螺纹滚轧成形技术和装备的发展
上世纪40年代出现的冷滚轧机最初主要用於轧制普通螺纹、花键、球头等一类回转体中、小零件，早期的汽车转向器滚珠丝杠采用冷轧成形，产量很大，精度要求虽不高，但对中径尺寸和可靠性要求极严。
 
图2 德国PROFIROLL公司的2-PR60 CNC-AC滚轧机（带自动上下料装置）
德国“PROFIROLL”宝飞螺公司制造滚轧装备已有半个多世纪的历史，上世纪90年代该公司推出第五代CNC精密滚轧机（见图2），该公司有双轴、多轴系列产品，配置“宝飞螺CNC/AC数控系统可根据材料的成形过程随机调整主轴转速和轧辊进给量，并且有滚轧过程参数程式化、萤幕化和管理提示等功能。新一代的滚轧机按被轧制丝杠的轴心定位，在CNC/AC控制下双轧辊在双滑座上同步向心进给，从而获得很高的中径尺寸精度，并使同一批产品的主参数具有“同一性”和“互换性”。据称新一代的滚轧机批量生产滚珠丝杠能稳定达到ISO3408-1标准中的P5-P7级，部分达到P3级。“滚轧主机—模具（轧辊）—滚轧工艺技术”三位一体的营销模式为用户提供全套技术解决方案。

成立於1962年的美国“KINEFAC肯尼福”公司，下设国家级挤压滚轧成型工艺开发试验室、冷滚轧（两模、三模）技术中心等多个研发机构。该公司的“封闭受力闸式CNC高强度滚丝机（第三代产品，见图3）采用两套独立的大功率CNC伺服电机驱动减速系统，双轧辊转速同步，采用比例伺服液压双向对中同步进给，对双轧辊的滚压力、转速、进给量实施全过程数字控制。“Kine-Trol”高性能滚丝数控系统包括高精度自动对牙功能、多轴伺服管理功能、滚丝全过程动态模拟功能、滚丝全过程曲线显示功能等。该系列产品的滚轧力从60KN到400KN。该公司的创始人Howard A Greis先生是美国在这个领域的权威人士。
 
图3 美国KINEFAC公司的MC-300FI型第三代CNC滚轧机
意大利ORT公司成立於1964年，该公司2RP系列双主轴双滑座CNC滚轧机的滚压力从18t到125t，工件最大直径从Ф60到Ф120。3RP三主轴三滑座系列产品滚压力从10t到150t，工件最大直径从Ф36到Ф300，适用於大直径丝杠的滚轧成形。

中国研制滚轧设备的时间起步於上世纪60年代。山东省生建机械厂是中国最早的滚丝机专业制造企业，有近60年的历史，拥有国内唯一的冷滚轧技术研发中心（省级），生产丝杠滚丝机、花键滚轧机、倒锥齿滚轧机、花键冷搓机等30多种型号。近年该厂研发中心首次推出的国产Z28K-25、Z28K-35数控滚轧机，向滚轧机的数控化、国产化迈开了可喜的第一步。但该厂对导程和齿形精度要求较高的滚珠丝杠滚轧技术尚待深入研究和实践，尚需通过“产、学、研、用”四结合的方式攻下技术难关，追赶国外先进水平，提升CNC滚轧机的档次。nextpage

在中国滚动功能部件产业中，最早从事梯形丝杠、滚珠丝杠滚轧技术研究的云南昆明冷轧技术研究所（归属云南第三机床厂），早在20世纪80年代初就承担了原机械工业部下达的滚轧丝杠螺纹的攻关任务。该所对国外RBS产品进行了深入分析研究，曾先後研制出三代冷轧机，并於1987年研制出SGZJ-3-25T三辊冷轧机，还先後为机床行业和冶金企业研制出一批G级（旧标准）RBS产品。十分遗憾的是，由於缺少研发资金以及专业人才的流失等原因，中国这项十分有发展前途的项目，只开花不结果，半途夭折，滚轧研究所从名存实亡到消失，其教训是十分深刻的！

全球RBS产品已标准化，系列化，品种多样化，批量生产专业化
日本NSK公司早在20世纪70年代就批量生产RBS产品，笔者1979年在该公司（前桥工场）考察实习时就得知当年RBS产量达6万套以上，最初的精度只能达到Ct7Ct10级。该公司拥有RBS生产线，发展至今用於传递动力的RBS就有7个系列，规格多达100种以上。近年推出Ct7（JIS标准）RMS系列微型产品和C5、Ct7级LPR系列精密大导程产品，从25×25到50×50，Vmax=150m/min。该公司是全球少数生产RBS产品系列最全、品种最多的企业之一。日本THK公司曾推出JPF系列定压预紧（“0”间隙）精密RBS，Ф14Ф40，导程410，采用具有柔性环节的导程增量预紧的滚珠螺母结构，丝杠轧制後滚道表面抛光至Ra0.5μm。经检测该RBS的重复定位精度高达±0.2μm，周期误差2.8μm/2π，在450mm行程内的动态预紧转矩变动量为0.07Nm~0.10Nm，这证明RBS在轧制後通过研磨和抛光後也可以达到很高的水平。此外，在日本还有TSUBAKI、黑田精工等企业生产RBS产品。

德国Rexroth公司生产RBS的规模大、产量高、品种较全，包括标准系列、ECO经济系列、Speed快速系列（Vmax=150m/min）、微型系列（Ф16×1Ф12×10）等，传动型（T）的精度为T5、T7、T9级，精密定位型（P）精度为P3级和P5。为适应高速驱动的要求，近年推出FAR-B-5系列螺母旋转型高速RBS产品，从32×10到63×40，精度T5、T7级，Vmax=120m/min。Warner Electric公司运用新一代的CNC滚轧机和精密滚轧技术，使精密RBS的导程精度达到0.0080.013/300、周期误差0.006/2π、螺纹中径圆度、圆柱度0.0030.008。Danaher集团旗下的Thomson公司批量生产4个系列约40种规格的P3级精密RBS产品、6个系列约70种P5（T5）~T7级RBS产品。德国Eichenberger公司（成立於1953年）以大导程和微型RBS专长，包括：“Carry Speed-line”超大导程高速RBS和“Carry”重型系列以及“Four by one”Ф4×1，全球最小的微型RBS系列产品。在欧美国家中生产RBS产品的企业还有：Rotax、Johnson、Saginaw、Rockford、Abssac、Neff、KSK、KURM等。在韩国生产RBS的几家企业中，Tic滚珠丝杠公司生产的R系列包括外循环和内循环共四类51个规格。

中国台湾有HIWIN、PMI、璟腾滚珠科技、全球滚珠科技、Rolling Stone、HSK沋孚精机等公司制造RBS。其中PMI银泰公司全套购进德国PROFIROLL公司的滚轧机和轧辊，批量生产6个系列约60个规格的RBS产品，最高精度可达P5级。HIWIN上银公司的品种规格较全，包括标准库存、内外循环共6个系列约80个规格，大导程系列有15个规格，从16×16到50×50。台湾的企业多采用德国的滚轧机，但总体水平低於欧美。

中国内地制造RBS和RLS的企业主要包括：RSK宁波滚石科技（台资）、GOLDEN北京高尔顿、浙江（丽水）新亿特、福建南靖长青丝杠公司等，它们起步较晚，规模较小，大都从国外购进中低档（或“二手”）、小规格滚轧设备，产品精度停留在T7、T9、T10这个挡次，极少数能达到P5级，但不稳定。与台湾隔海相望，地处“海西经济开发区”的南靖长青丝杠精密公司，拥有三台滚轧机（包括义大利ORT公司的RP30V滚轧机）和用於制造轧辊的CNC精密螺纹磨床等关键设备，批量生产RLS，正在研制RBS。据笔者在该公司现场考察了解得知：该公司的自主研发能力较强，所有轧辊全部自己设计、制造，其产品在轨道交通车辆（站）门驱动装置和大型场馆门窗开启装置等方面得到成功应用，已出口到德国、美国、义大利，受到海内外用户的认可和欢迎。

从以上各国/地区发展和生产RBS的情况可以看出：由於高档CNC精密滚轧机售价昂贵，轧辊的设计难度大，制造成本较高，唯有在标准化、系列化的基础上组织成批大量生产，对制造企业才是最经济的。

关於“差距”和“国产化”的思考与建议
在精密滚轧成形技术和装备以及RBS、RLS产品这个领域，德国、美国处於领先水平，而中国大陆尚处於第三梯队的位置，其中RLS接近国外水平，而RBS比德、美差两个精度等级，至少落後十年以上。至於专业化的现代管理水平差距也很大，究其原因，笔者认为：

1.传统的“螺纹磨削一统天下”工艺和“非磨无以成器”的思维使丝杠螺纹的冷滚轧成形技术被忽视、RBS产品被矮化，束缚了丝杠螺纹制造技术的创新与发展。

2.中国一些企业在不同时期购进的滚轧机档次不高、选型不佳（经济型、二手货、中小吨位），相关配套装备不完整，特别是控制产品质量的检测手段不完备，核心技术没有真正掌握、国产钢材又不能满足轧制P3P5级RBS的要求，致使购进的装备“水土不服”，轧不出精度高的RBS产品。

3.在中国滚动功能部件产业内，缺少一支能持之以恒地长期从事金属塑性变形理论、丝杠螺纹精密滚轧成形技术和装备的研发团队。

4.虽然我们已进入低碳经济、绿色经济的时代，但还没有从生态循环经济的角度和绿色制造的高度去评估丝杠螺纹精密滚轧成形技术及产品的经济价值和市场潜力。企业缺少投入的信心、决心和力度，而国家尚没有从发展绿色产品这个角度对这个项目给予资金和政策支持。

RBS既是具有多种功能的高效、低耗、节能产品，又是在线性传动领域实现运动方式（方向）、能量（动力）经济易行的转换装置，这个用绿色制造技术生产的绿色产品在工业各领域中的应用十分广泛，市场潜力很大，应当成为企业创建滚动功能部件产业化基地中不可缺少的组成部分，在市场多元化的今天它是一种新的绿色经济增长方式。为此，对中国实现RBS国产化，提出几点不成熟的建议：

1.在国家“十二·五”规划中，建议把“丝杠螺纹精密滚轧成形技术和装备”项目列入绿色制造技术和装备中，组织有条件的企业和科研院所联合攻关。在自主创新的基础上，高起点引进国外先进技术和关键装备，通过消化吸收再创新，在掌握核心技术的基础上实现精密RBS、RLS产品批量生产和国产化。

2.立足长远，培养这个领域高层次的研发团队和学科带头人，并在有条件的企业中组建精密螺纹滚轧技术中心和试验室。

3.丝杠材料是制约中国滚珠丝杠向高效螺纹制造技术发展的瓶颈。对RBS而言，除机械强度、疲劳寿命的一般要求之外，还要求具有优良的冷滚轧成形性能，例如：高的金属的塑性应变能力γ和延伸率δ等，同时，对化学成分的纯净度、微量元素的含量、杂质的含量也都有严格要求。

去年，国务院在关於“装备制造业调整和振兴规划”中已把“机床滚珠丝杠和直线导轨专用钢材”列入“特种原材料”中，作为夯实产业发展基础的具体项目。建议从事RBS生产的企业与有关院所和钢厂紧密合作，尽快研制出能满足滚轧成形工艺和硬旋铣工艺要求的新钢种，并尽早国产化、建立长期稳定的新钢材配套体系，常态定点供应。

4.企业是否上RBS项目，要根据自身的条件（例如资金状况、本企业在其他螺纹制造技术和装备方面是否具有优势，市场及用户群的需求等）以及在软实力方面是否初具（或者能够创造条件具备）滚轧成形技术的研发能力等因素的考量，做出明智的判断。在与国外谈判购买滚轧机时，应吸取历史的教训，着眼於总体解决方案的实施，把“滚轧机—轧辊—滚轧技术”一并同步解决。在选型时还要充分了解该机型在同业同户中的使用状况，以便做出正确的决策。

黄祖尧先生

编者按：黄祖尧先生是中国机床工具工业协会滚动功能部件分会高级顾问，北京机床研究所教授级高工、国务院特殊津贴专家。从2004年起，黄先生开始从绿色制造的角度调研、观察国内外丝杠螺纹滚轧成形技术及RBS的发展，并提出一些独到的见解和关於发展的若乾建议。在当前倡导低碳、循环经济的潮流下，黄先生的研究对中国机床工业和装备制造业的发展具有积极的意义。