新时期滚动功能部件的绿色智造:沿绿色智造的道路，冲刺高端、全面提升规模化专业生产水平

滚动功能部件作为专业化、大批量生产的产品，在绿色与智能制造方面与国外仍有较大的差距。对此，本文介绍了影响和推动滚动功能部件产业发展的若乾绿色制造技术。

There is still a large gap between China and overseas in the green and intelligent manufacturing of scroll functio
nal components. This article introduces several related technologies facilitating the development of scroll functio
nal compo
nent industry.

高速硬切削技术

硬态乾切削的核心是在高速切削状态下的金属的软化效应。在高刚度的精密CNC车床上采用CBN、PCBN刀具对滚珠丝杠和螺母（GCr15、HRc60±2）实施高速硬切削，金属去除率是磨削的3~4倍，使生产效率大幅提高，并降低能耗，减少粗磨螺纹对环境的污染（噪声大、粉尘大）。对於长丝杠，还避免了传统老工艺（软车螺纹-淬火-粗磨螺纹）因淬火过程中的变形导致硬化层不均布的缺陷。

目前，汉江机床公司、北京精密天工公司等企业已在生产中采用这一新工艺。云南CY集团在CCMT2012（南京）展会上推出具有高速硬车削功能的Cylinder 40系列高刚度全闭环CNC车床，用PCBN刀具硬车削滚珠丝杠，表面粗糙度Ra0.4，刀具寿命提高20%。

广州敏嘉制造技术公司最新推出针对大导程滚珠螺母的CGK300型滚珠螺母超精密硬车削CNC机床。该机床采用花岗石床身，特制高刚度刀杆，15KW静压电主轴，直线电机驱动，对淬硬的大导程滚珠螺母一次安装完成外圆、内孔、端面和内螺纹滚道的精加工，而螺纹滚道是采用展成原理硬切削，螺母反向孔与滚道的对中精度可达0.02mm，表面粗糙度Ra0.8，导程精度很高。这是一台全新概念的绿色复合加工机床，它解决了用传统磨削工艺产生齿形乾涉的难题。该产品正在进行工艺试验，调试完善之後将投放市场。之前，德国BLIS公司在Hembrag超精车床上采用PCBN刀具高速硬车削滚珠螺母，达到以车代磨的效果，除提高生产效率外，成本下降40~60%。

A 噪声对比（红线为NTG）

B 磨损对预紧转矩的影响（红线为NTG的转矩，红虚线为NTG的磨损）

C 润滑剂耗损量对比（银灰色为初始润滑油量，红色为总润滑油量）

D 温升的对比（红线为NTG型）
 

CGK300型滚珠螺母超精密硬车削CNC机床

CNC硬旋铣技术和装备—螺纹制造技术的绿色革命

作为铣削的一种特殊的方式，旋风铣已有几十年的历史，但只有当旋铣技术由“软铣”迈向“硬铣”时，才能出现创造性的突破。高速硬切削的理论基础是建立在德国切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）等知名学者的理论和试验基础上的，而CBN、PCBN刀具的诞生和发展为推广应用创造了条件。可见基础对於创新何等重要。

高速硬旋铣技术具有切削力小、工件温升小、热变形小、切屑方便回收等特，并省去了对环境污染的切削液，单位时间金属切除率是常规切削方式的3~6倍，生产效率很高。而新一代精密CNC旋风硬铣装备加工精度可达P2—P3级，表面粗糙度为Ra0.4μm。这是螺纹制造领域典型的高能效、低耗、低排放的绿色制造技术，给规模化、专业生产大型、超长、重载滚珠丝杠带来了一场工艺革命。於是，全球一大批专业厂开始纷纷采用硬旋铣技术和装备。中国南京工艺装备公司率先从德国引进Leistritz硬旋铣技术和新一代的CNC装备，之後山东博特精工、大连高金等都相继引进，而汉江机床公司则自主研发成功HJ09Z型6m、8mCNC旋风铣机床。“硬旋风”在神州大地从东刮到西再刮到山东和东北，使中国的大型、超长、重载滚珠丝杠副迅速实现国产化，部分替代进口。

德国生产大型滚珠丝杠的一家企业的CEO把在生产线上大量采用硬旋铣技术和装备看成是该企业发展的重大转机和历史性飞跃。

中国在“十二五”科技重大专项中已将10m、12m CNC旋风硬铣技术和装备的研制纳入攻关项目。笔者坚信不久的将来，我们将摆脱对国外的依赖，中国自主研发的硬旋铣成套技术和装备将在神州大地开花结果，推动滚动功能部件产业做精做强。

目前，CBN、PCBN刀具的质量和价格以及高精度成型刀的刃磨、修复技术仍是高速硬车削、硬旋铣推广应用的瓶颈，急待解决。nextpage

无屑、快速一次成型技术正在兴起和发展

滚珠丝杠的冷滚轧成形是建立在金属塑性变形理论基础上的绿色制造技术，从上世纪90年代开始在精密滚轧技术HPR（High Precichion Rolling）的推动下，高刚度的数控精密滚轧机智能化水平得到提升，先後由德国（PROFIROLL）和美国（KINEFAC）推出新一代的高档滚轧机，使RBS（冷轧滚珠丝杠）的精度稳定达到P5级，部分达到P3级。RBS由量变到质变，颠覆了“非磨无以成器”的传统制造理念，於是P5~P3级的精密RBS悄然进入CNC机床和自动化工业装备领域，就是顺理成章的事情了。

精密RBS的特点是：

（1） 材料利用率高达80~90%，比切削加工方法省15~20%的优质钢材；

（2） 在强大滚压力作用下金属工作层的组织更加致密，滚道表面疲劳寿命提高20~40%；

（3） 滚道表面粗糙度Ra0.5μm，无磨削缺陷；

（4） 导程精度的误差离散度小，曲线平滑，便於CNC补偿；

（5） 同一批产品有较高的一致性（包括：导程精度、齿形精度、中径尺寸及圆柱度等）；

（6） 生产效率比磨削高出几十倍，生产周期最短；

（7） 能效最高，对环境污染小。

RBS是用高效绿色制造技术生产的高能效绿色环保产品。据了解，全球专业生产滚珠丝杠的企业中，大约有30多家企业在其生产线中配备了冷滚轧全套装备。中国从上世纪八十年代後期开始约有5~6家分布在江浙一带的民营企业先後购进德国、韩国和中国台湾的滚轧机，批量生产中低档RBS、RTS产品，例如：宁波滚石、浙江新亿特、浙江得力亚、福建长青、北京高尔顿等。

在RBS的发展过程中有一个值得深思的现象：上世纪80年代，当中国西部的一个“冷轧技术研究所”无影无踪地消失的时候，西方却推出了一代又一代的精密CNC智能型滚轧机；上世纪90年代，当中国众多专业厂以增加螺纹磨床来扩大再生产，少数企业甚至以拥有螺纹磨床数量之多而沾沾自喜的时候，德国Rexroth公司看到精密RBS的市场潜力，果断调整产品结构，集中主力生产RBS，使其产量上升到总产量的80%左右，而磨削BS下降至20%左右。这说明我们的绿色科技理念、低碳意识淡薄，我们在采用先进高效制造技术提高工艺水平方面跟不上时代的步伐，与海外存在较大差距。

当然，我们在无屑和快速一次成型技术方面也并非无所作为，现在，滚动直线导轨副的导轨体和滑块已普遍采用冷拉成形工艺制造精胚，甚至将圆弧滚道也一次初拉成初型。大直径和带法兰的滚珠螺母的精胚采用精密（模）锻，不但降低材耗，还改善金属内部金相结构，提高机械强度和疲劳寿命。

MIM技术让“反向装置”旧貌换新颜

“反向装置”是滚动功能部件中的核心组件，它的结构、参数、制造工艺、加工质量都对实现周而复始的“反向功能”及产品的流畅性、摩擦特性、速度特性产生十分重要的影响，在高速、重载工况下更是产品可靠性的关键环节。

所谓MIM（metal Injection Molding），是将金属微粉（8~20μm）与其粘结剂的增塑混合料经混炼後注射於模具中，再经过脱脂、烧结的成形方法。在装备制造业中，MIM是当今最热门的中、小精密零件一次近净成形的绿色制造技术。MIM技术与传统成形工艺的比较见下表。
 

MIM技术与传统成形工艺的比较表

从表中的对比可以看出，反向装置采用MIM技术与传统的加工方法对比，具有以下优点：细密均匀的显微组织提高了反向通道的耐磨性和抗冲击能力；反向器零件的尺寸精度可控制在±0.3~±0.5%，同批零件具有较高的尺寸一致性；反向通道的表面粗糙度可达Ra3.2μm；金属粉混料可反复利用，接近零材耗。

对於导珠管型的反向装置，MIM更具独特优势：MIM能使管孔各区段的孔径一致，避免了传统弯管工艺在拐弯处的不圆误差对流畅性的影响；导珠管的管壁厚和管舌均可按需要增厚（这是弯管工艺难於做到的），从而提高了用於重载、高速产品的使用寿命和可靠性；管孔内壁平滑，表面粗糙度Ra值远远低於弯管工艺；容易实现3D导珠管的一次注射成形。

MIM作为21世纪的先进制造技术，为“返向装置”结构和参数的3D优化设计创造了有利条件（不怕做不到，就怕想不到），MIM技术让高档动功能部件的“返向装置”旧貌换新颜，让高精度、高速度、重载滚动功能部件熠熠生辉。
据了解，中国是最早将MIM技术引入滚动功能部件（线性传动）产业的少数国家之一，处於国际先进水平。

比之工程塑料反向器，用不锈钢微粉制造的MIM反向器，目前工艺难度依然较大，成本较高，这是制约大面积推广应用的重要原因。因此，还需要提高二次配套的专业化生产水平。

滚道表面的光整加工技术

滚道表面经过常规精加工後，其表面质量（包括：粗糙度、纹理、微细毛刺、表层的金相组织和残余应力等）都会对产品使用性能产生直接影响。对於承受交变载荷的滚动功能部件，进一步降低表面粗糙度、提高表面质量、可改善滚动摩擦特性、降低噪声、使疲劳强度提高30~40%。对於高性能（高精、高速、高可靠性）的滚动功能部件，在精磨之後再实施超精研抛是十分必要的。

虽然光整加工的方法很多，但笔者一直认为，基於都具有滚动摩擦物理特性的共同“基因”，借鉴轴承工业在这方面的成熟技术是最佳的选择，因为国内外的知名轴承企业对解决高精度、高性能轴承滚道超精加工技术和装备已有一套完整的解决方案，把这套技术移植过来，就可收到立竿见影、事半功倍的效果。

笔者曾应邀到上海莱必泰（RABBIT）公司（以生产轴承专机和自动线着称）参访时，了解到其下属的上海莱恩（LAIEN）公司（与日本NTN合资）在精密滚珠丝杠生产线上，就配置了自行研制的“滚珠丝杠螺纹滚道超精研机床”，在精磨螺纹後用特制的油石对滚道施加一定压力，沿螺纹滚道进行震荡式仿形超精研，可使表面粗糙度达到Ra≦0.2~0.4μm。据了解，汉江机床公司和瑞安特也在进行对表面光整加工技术的研究。

笔者认为：在“十二五”及今後数控机床科技重大专项攻关中，针对用於纳米级的高动态特性、超高精度CNC机床等的市场需求，研究P0级以上的滚珠丝杠和滚珠螺母的滚道、最佳的光整加工方法和机理、研制内外螺纹滚道CNC光整加工装备和成套技术，是很有必要的。

表面改质技术—高性能滚动功能部件的新工艺途径

德国亚琛摩擦学协会的研究指出：摩擦和磨损所造成的经济损失约占发达国家每年GNP的5%。因此，研发摩擦优化技术及材料十分必要。对滚动功能部件进行表面改质处理是通过改变滚道面的化学成份、组织结构和应力状态，达到降低摩擦系数、改善动态特性、提高抗疲劳、磨耗和腐蚀的能力、延长使用寿命的目的。

近年兴起的表面纳米化和纳米复合涂层技术是表面改质技术发展中的新亮点。在提高表面力学性能和化学性能的同时，因纳米层与金属基体层呈梯度渐变，而不损害基体材料的韧性和机械强度。但是，盲目孤立追求高硬度并不可取，它往往会带来摩擦副偶件磨损加快，寿命下降等问题。

有关试验表明：等离子喷涂纳米FeS涂层、含量为3.1% 的纳米颗粒的纳米涂层，它与普通GCr15轴承钢比较，其摩擦系数大幅减小，减摩、耐腐、抗疲劳效果明显。nextpage

关於表面改质技术，在轴承工业中早已有应用，但在中国滚动功能部件产业中尚未推广，而在国外同行中已有成功应用的实例，例如：NSK公司早就研制出DS改质钢球，在用高纯度ESI钢制造的钢球球外表面上，增加Fe、Cr、Ni化合物涂层，使DS钢球的回转精度、耐冲击性、寿命大幅提高。

西班牙Korta Group在高速精密滚珠丝杠副的研制中，对滚珠螺母的螺纹内滚道采用代号为NTG的表面改质技术取得明显效果，见右图的性能测试对比，图中的对比试验是采用以下的组合方式：

[NTG 滚珠螺母+Steel /钢球与陶瓷球混装的滚珠链]

从图中可以看出：表面改质技术搭配混装滚珠链大大提升了高速滚珠丝杠副的速度特性，使DN值达22万，并获得低噪声、预紧转矩波动小、低振动、低发热、低磨耗、低油耗的明显效果。

因此，笔者认为：Korta Group对精密高速滚珠丝杠副所采取的措施，是值得借鉴的绿色制造技术。

滚动功能部件的绿色热处理

热处理车间是企业的能耗大户。据统计，传统热处理的能耗费用约占总费用的60~80%。新时期，绿色热处理技术正朝精密（微变形、尺寸稳定）、节能、清洁（把废水、废气、废渣、粉尘、噪声降到最小）以及高能效方向发展。

高效、节能的CNC中频感应淬火
 

配置CNC中频淬火机成套设备、初具清洁生产模式的现代热处理车间。

通过大密度能量快速加热、快速冷却，促使金属中奥氏体组织加快转变，使淬火表面达到所需硬度和细小隐晶马氏体。它比整体盐炉淬火节电40~50%，比“渗碳”和“碳氮共渗”节电80%以上，是十余种热处理方法中能耗比最低、对环境的负面影响较小的淬火技术。

在中国滚动功能部件产业中已广泛采用这种大约有100年历史的高效节能感应装备。南京工艺装备公司最早从德国AEG公司引进CNC中频淬火技术（包括特殊的淬火液）和成套装备。之後，北京机床研究所、山东济宁丝杠厂（博特精工前身）、汉江机床公司等相继研制成功CNC中频淬火机并在批量生产中发挥重要作用。近年博特精工、大连高金也引进了国外的CNC中频淬火技术和设备。

新一代的CNC中频感应淬火装备采用高效节能的新型加热设备；淬火机床采用滚珠丝杠传动、CNC控制技术、环保淬火液的过滤、降温控制系统，以及3D优化设计的感应器等新技术的有机结合，使滚珠丝杠螺纹滚道的硬度、硬化层深度、轴向变形的自动补偿等得到圆满解决，除获得所需HRc 硬度外，在全长上硬度均匀，使产品的内在质量、疲劳强度和可靠性能够达到设计要求。

激光（Laser）相变硬化

在表面改质处理技术中，激光固态相变硬化技术（即激光淬火）正日益受到关注和推广应用，成为绿色热处理新的亮点。

与传统淬火工艺相比较，激光表面相变硬化技术具有以下优点：（1）加热速度极快，生产效率很高；（2）淬火後的热应力及变形小，硬化过程几乎不产生氧化、脱碳，不影响淬火前零件的尺寸精度；（3）输入功率小，能效高；（4）不需要热介质、淬火液，清洁生产，对环境无污染；（5）GCr15轴承钢激光淬火後不但马氏体硬度增高，而且可获得极细的马氏体硬化层和很高的错位密度，硬化层深可达0.5~0.8mm，表面产生压应力，可使疲劳寿命提高50~70%；（6）工艺过程易於实现计算机控制等。

上述诸多优点，使激光淬火在机床导轨、主轴、齿轮、曲轴、凸轮轴、花链套、轴承、离合器等许多零件中得到应用。至於在滚动功能部件中的应用，早年华中理工大学、汉江机床公司，之後北京机床研究所、北京东方通快激光公司也做过初步的尝试，但它却无法取代技术成熟度较高、使用效果好的CNC中频感应淬火技术在滚动功能部件产业中的应用。由於设备较昂贵，初期投入较大，以及对Laser望而生畏的心态等原因都影响推广应用。目前仍处於认知、比较判断的阶段。

笔者认为，对於大导程滚珠螺母（例如：Φ32×32，Φ40×40），精车内滚道之後，再采用激光淬火，可以解决用传统磨削方法所带来的齿形乾涉这个难题。对於形状复杂的薄壁或特细长的滚动功能部件，也是一种小变形的相变硬化方案。

频谱谐波振动时效技术

时效处理是消除内应力、稳定组织、提高产品尺寸稳定性的工艺过程。包括：热时效、冰冷处理、自然时效、震动时效等。

振动时效VSR（Vibratory Stress Relief）是利用外加振动能量对金属零件产生周期性的作用力，使其内部组织产生塑性变形，达到均化和减小残余应力、提高抗变形能力的机械时效方法。通常VSR可将残余应力减小20~30% 甚至50~60%，使峰值应力降低，均化应力分布。

上世纪70年代中国开始从事VSR的研发并在铸、焊大件内取得成效。约十年前江苏瑞安特曾与高校合作在生产中用VSR代替热时效，初见成效。第一代VSR虽具有高效、节能、降耗的优势，但长期以来存在以下问题：（1）应用面窄（频率范围0~166.7Hz），大约只有23%的低频构件可以采用；（2）有效振型太少，对多维残余应力无法消除，很难达到热时效的效果；（3）操作不方便，效果不稳定；（4）噪声很大。

21世纪初，北京翔博科技公司发明了“频谱谐波VSR”专利技术，克服了传统VSR的技术缺陷，是VSR的第二代绿色创新成果，开创了VSR的新纪元。
频谱谐波VSR技术，首先利用傅里叶方法对工件进行频谱分析，找出几十种谐波频率并从中优选对消除残余应力效果最佳的五种不同振型的谐波频率实施振动时效处理，达到多维除应力、提高工件尺寸和精度稳定性的目的。

频谱谐波VSR的优点在於：（1）应用面很广，能够处理在原VSR亚共振中无法处理的高刚性、高固有频率的工件，在机械制造业中的覆盖面几乎为100%，这为在滚动功能部件产业中的推广应用创造了有利的条件；（2）在时效处理过程中的噪声低，环境友好宜人化；（3）消除应力的效果达到和超过热时效；（4）降低能耗可达95%以上。
 

注：本表数据摘自“北京翔博科技公司的产品样本”。频谱谐波振动时效与热时效对比

频谱谐波VSR技术是对传统热时效的绿色科技创新，已在航空、航天、军工装备、船舶、机床、工程机械等众多领域应用，并被国家发改委批准在机械制造业中广泛推广。北京翔博科技公司的这项专利技术还被列入《国家重点节能技术推广目录》（第二批），并纳入“十二五国防科技工业百项先进工业技术目录”（No.52）。
据介绍，翔博科技正在设计和完善配套装置，为高刚度、高固有频率的精密零件（多为中小件）推广应用频谱谐波VSR做准备。

智造将提升滚动功能部件产业规模化专业生产的制造水平，并在提高生产效率的同时，还为研制高端产品找到最佳工艺途径；而新的工艺技术往往还会衍生出新的经济增长方式。在低碳经济时代绿色智造将推动产业健康、持续发展。