滾動功能部件產(chǎn)業(yè)在創(chuàng)新中持續(xù)發(fā)展
發(fā)布日期:2022-12-22
| 作為的核心功能部件——滾動功能部件，在CIMT2013展會上呈現(xiàn)出產(chǎn)品向性能佳、功能全、產(chǎn)品質(zhì)量可靠，制造技術(shù)向高效、節(jié)能、低碳方向發(fā)展的態(tài)勢。 在全球金融危機的大環(huán)境下，我國機床工業(yè)邁入調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的攻堅階段。2013年4月的北京，在第十三屆中國國際（CIMT2013）上呈現(xiàn)出一派活躍的氣氛，既折射出中國機床產(chǎn)業(yè)的市場潛力，也體現(xiàn)了“創(chuàng)新驅(qū)動可持續(xù)發(fā)展”的主旋律。 行星滾柱絲杠副——線性螺紋傳動裝置的高端產(chǎn)品 行星滾柱絲杠副（Planetary Roller Screws）是具有高速、高載荷、抗沖擊功能的精密線性傳動裝置（以下簡稱“PRS”）。它以螺紋小滾柱（或環(huán)形槽滾柱）作為載體，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，借助于行星滾柱的行星運動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動和軸向推力。 PRS與副的最大差別是：滾動體結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變；沒有滾珠絲杠副中的循環(huán)返向機構(gòu)，而是由滾動體行星運動代替循環(huán)返向運動，因此安全系數(shù)更高；行星滾柱的承載面積遠高于滾珠，所有滾動體在工作中都始終同時受載，不承受交變應(yīng)力和離心力�；谏鲜霾町�，PRS在產(chǎn)品性能和功能上具有以下特點： 1.承受外載的“三高”；按“Hertz”彈性接觸應(yīng)力理論，由于同時受載的多個行星滾柱接觸面積大，又具有大曲率的凸面元弧，使PRS具有高承載能力、高剛度、高抗沖擊能力的“三高”特征。據(jù)生產(chǎn)PRS的國外知名企業(yè)介紹，其承載能力比滾珠絲杠提高3倍以上，最大可超過10倍。最大動載荷Ca=200t，最大靜載荷C0a=1000t。 2.高速特性：PRS沒有制約DN值的“返向機構(gòu)”，而行星滾柱又不承受離心力，所以DN值最高可達16萬，Vmax=100m/min，加速度3g。 3.可實現(xiàn)精密微量進給，具有較高的重復(fù)定位精度，其精度保持性較高。 4.疲勞壽命高，對環(huán)境的適應(yīng)能力強，在各種工況下（振動、沖擊、粉塵、腐蝕及化學(xué)沉積、冰凍、無潤滑等）均能安全可靠地運行。 5.拆裝、維修方便。一體化的行星螺母組件，易于從絲杠軸上分離而滾動體不會散落。 PRS的缺點是：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，螺母的尺寸比同規(guī)格的滾珠螺母大，制造技術(shù)難度較大。在批量生產(chǎn)之前，生產(chǎn)成本和售價也很高。筆者分析這也是包括我國、韓國、日本等亞洲國家和地區(qū)很長時間沒有研制和生產(chǎn)PRS的重要原因。 據(jù)了解，在歐洲上世紀五十年代SKF公司首先研制成功PRS，并逐漸形成系列產(chǎn)品推向歐美市場。之后INA、LSI、Transol、Rollvis、VCS.SPA以及BLIS等公司都先后向市場推出自己的PRS系列產(chǎn)品。我國在上世紀九十年代后期，山東博特精工、南京優(yōu)勵聶夫、陜西宏峰開始研制PRS，并曾向市場提供少量商品。近年來，北京機床研究所精密天工、南京工藝、漢江機床也先后在CCMT、CIMT等展會上推出展品。 據(jù)筆者在歷次展會和企業(yè)調(diào)研中了解，我國上述企業(yè)多數(shù)仍處于研制階段。尚未完全突破技術(shù)瓶頸。其制造技術(shù)、工藝裝備、檢測手段尚不能滿足穩(wěn)定批量生產(chǎn)的要求。而山東博特精工在CIMT2013上展出的小型PRS產(chǎn)品研制時間較長，投入的人力物力較大，其產(chǎn)品已開始推向市場，曾在CCMT2012展會上被評為“春燕獎”。 基于上述特點，PRS在以下領(lǐng)域挑戰(zhàn)滾珠絲杠并成功推廣應(yīng)用，包括：重型機械和重型CNC機床、鋼鐵冶金裝備、軍用飛行器、火箭發(fā)射器、衛(wèi)星雷達、航母、核潛艇、核電站、重型軍事裝備、電動注塑機等。例如，注塑機“以電代油”面臨的最大問題是采用滾珠絲杠因制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致使用壽命較短，成本較高。據(jù)介紹，在歐洲，1000t大型電動注塑機采用PRS后效果明顯提升。 隨著我國大型、重載數(shù)控機床和大型裝備的發(fā)展，隨著國防現(xiàn)代化向縱深和高端推進，制造業(yè)對PRS的需求將呈上升的趨勢。而PRS屬于高技術(shù)含量、高難度的滾動功能部件產(chǎn)品，建議盡快列入重大專項，產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，從基礎(chǔ)理論、傳動嚙合原理入手，解決產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計和制造技術(shù)中的關(guān)鍵問題，盡快把PRS從試制階段推向商品化、產(chǎn)業(yè)化。 綠色高效制造技術(shù)和裝備在規(guī)�；a(chǎn)中選擇重要作用 SKF和Rexroth、Thomson等公司采用精密冷軋成形技術(shù)生產(chǎn)的精密冷軋、滾珠絲杠副，精度能穩(wěn)定達P5~P7，部分達到P3級。據(jù)介紹，在歐洲市場，中低端數(shù)控機床、和木工數(shù)控機床普遍采用P3~P7級精密冷軋滾珠絲杠，又因其導(dǎo)程誤差易于補償，閉環(huán)的中檔機床也常采用這種滾珠絲杠。螺紋的精密滾軋成形技術(shù)是高效、低耗和宜人化清潔生產(chǎn)的典范，其產(chǎn)品的機械強度高，中徑尺寸的一致性好，滾道表面質(zhì)量很高，生產(chǎn)效率非常高、能耗小，采用這種工藝和裝備，可使寶貴的生產(chǎn)廠房和人力從傳統(tǒng)的螺紋磨削技術(shù)中解放出來，在歐洲受到制造廠家的青睞，其產(chǎn)品因性價比高，供貨周期短而得到中低端用戶的普遍歡迎。 在CIMT2013上，SKF、THK、LSI、PCA、RSK滾石、浙江DLY等公司展出了冷軋滾珠絲杠產(chǎn)品。其中DLY公司在國內(nèi)首先推出的φ80mm×10m大型冷軋滾珠絲杠，屬國內(nèi)首創(chuàng)，備受關(guān)注，已經(jīng)成功在大型CNC龍門銑、水電站、大型電纜裝備等主機中應(yīng)用。專業(yè)生產(chǎn)精密滾軋機的PROFIROLL公司和Kinefac公司也在CIMT2013參展。據(jù)介紹，PROFIROLL公司新推出的“銳意創(chuàng)新”系列新產(chǎn)品，采用高負荷精密滾珠絲杠副取代，可完成雙軋輥的同步向心精密進給。 螺紋硬旋風(fēng)銑削（Thread Hard Whirling）技術(shù)，自上世紀中葉出現(xiàn)以來，這種高效率、高能效、低耗和低排放的綠色制造技術(shù)就給全球?qū)I(yè)生產(chǎn)大型、超長、重載滾珠絲杠的企業(yè)帶來一場工藝革命。據(jù)了解，全球約有近30家制造滾珠絲杠的專業(yè)廠在生產(chǎn)線上裝備了不同規(guī)格（長度最大10m）的CNC精密硬旋銑機床。在CIMT2013展會上，德國BLIS公司、美國LSI公司、西班牙Kortagroup以及我國的南京工藝、山東博特精工、大連高金、漢江機床等都展示了用THW技術(shù)加工出的大型、重載滾珠絲杠。德國BLIS公司擁有Leistrtz生產(chǎn)的CNC硬旋銑機床4臺，自稱與Leistrtz公司緊密合作，掌握了硬旋銑的核心技術(shù)，擁有超過200000h的硬旋銑生產(chǎn)經(jīng)驗，使該企業(yè)面貌發(fā)生了巨大變化。目前國外CNC硬旋銑最大加工長度為20m，最大加工直徑φ200，穩(wěn)定P5級，最高精度P3級。 這次參展的南京彩云機械電子公司是國內(nèi)專業(yè)從事旋銑技術(shù)和裝備研究制造的高新企業(yè)。該公司研制和批量生產(chǎn)的CNC蝸桿旋風(fēng)系列產(chǎn)品被列為江蘇首臺重大裝備和南京市名牌產(chǎn)品。據(jù)介紹該公司針對我國滾珠絲杠生產(chǎn)企業(yè)的需求，正在加緊試制3m滾珠絲杠硬旋銑機床。廣州敏嘉制造技術(shù)公司近十多年為國內(nèi)外生產(chǎn)滾動功能部件的企業(yè)提供了大批高效、多功能的CNC專用機床，最近又研制成功CGK300型滾珠螺母超精密硬車削CNC機床，這是全新概念的綠色干式硬，不但生產(chǎn)效率高，還解決了傳統(tǒng)磨削工藝易產(chǎn)生齒形干涉的難題。據(jù)展會上介紹，以上兩種高效綠色機床在完成廠內(nèi)工藝試驗后，將推向市場。國產(chǎn)高效綠色裝備將推動我國滾動功能部件的產(chǎn)業(yè)化進程。 “返向裝置”是滾動功能部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的核心組件。它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、制造工藝以及加工質(zhì)量都對完成周而復(fù)始的“返向功能”及產(chǎn)品的流暢性、摩擦特性、速度特性和噪音產(chǎn)生重要影響。在高速、重載工況下，更是產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從CIMT2013展會上可以看出，在我國的滾動功能部件制造企業(yè)中，無論是大型骨干（國有）企業(yè)，還是中小民營企業(yè)，其產(chǎn)品中的“返向裝置”全都以粉末注射成形技術(shù)（PIM）取代傳統(tǒng)的機械加工。其中低檔產(chǎn)品均采用工程塑料，高檔產(chǎn)品多采用金屬粉末注射成形技術(shù)（MIM）。我國滾動功能部件產(chǎn)業(yè)廣泛采用高效一次成形的近凈成形技術(shù)推動了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，反映了在綠色制造方面的技術(shù)進步。 基于數(shù)控機床對精度、高速、重載的需求，誕生了一批高性能滾動功能部件新產(chǎn)品 1.低慣量的“滾珠螺母主傳動”滾珠絲杠副是長行程數(shù)控機床的最佳選擇 在長行程的大型、重載數(shù)控機床或高速數(shù)控機床中均力求回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量的最小化。近年，不少知名企業(yè)相繼推出滾珠螺母旋轉(zhuǎn)主傳動的伺服驅(qū)動方案并迅速得到推廣應(yīng)用。在CIMT2013展會（包括前兩屆）上，Rexroth、LSI、BLIS、Korta、IPIRANGA、NSK、THK、HIWIN、南京工藝、山東博特、漢江機床、江蘇瑞安特、南京優(yōu)勵聶夫等公司都展出了這類新產(chǎn)品。 滾珠絲杠傳動裝置由絲杠主傳動發(fā)展為滾珠螺母主傳動（或絲杠、螺母可同時傳動）。這是螺紋線性傳動方式的重大突破。最初采用同步帶或驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)。近年出現(xiàn)機電一體化的直驅(qū)第二代產(chǎn)品——空心伺服電機直驅(qū)旋轉(zhuǎn)滾珠螺母組合單元。推出第二代產(chǎn)品的企業(yè)包括：Rexroth、INA、THK、南京工藝等。 2.內(nèi)冷型滾珠螺母 在用滾珠絲杠驅(qū)動的伺服進給系統(tǒng)中，抑制熱變形多采用對空心滾珠絲杠實施強制循環(huán)冷卻以及預(yù)拉伸等措施。實際上，在滾動過程中滾珠絲杠的螺紋部分是屬于隨滾珠螺母軸向位移變化的移動熱源，而滾珠螺母內(nèi)部在運轉(zhuǎn)的全過程自始至終都處于產(chǎn)生摩擦熱的封閉狀態(tài)，是散熱條件差的連續(xù)熱源，應(yīng)該是抑制熱變形的重要環(huán)節(jié)。基于這種分析判斷，近年來不少知名企業(yè)研發(fā)出滾珠螺母內(nèi)部循環(huán)致冷的新結(jié)構(gòu)，它能更有效地抑制高速運動時的溫升。其制冷效果更佳。在近兩年的國際機床展會上，NSK、HIWIN、南京工藝都推出了這類新產(chǎn)品。南京工藝在CIMT2013展會上展出的用于高速數(shù)控機床的DKFB系列滾珠螺母內(nèi)冷型精密高速滾珠絲杠副，這是該公司承擔(dān)數(shù)控機床國家重大專項的成果之一。該新產(chǎn)品對循環(huán)滾珠鏈和返向機構(gòu)進行了流暢性的優(yōu)化設(shè)計，采用變位預(yù)緊，提高剛度，DN值可達15萬以上，精度可達P1級/3m。 3.集“導(dǎo)向”與“檢測”功能于一體的高精度智能滾動副 在CIMT2013展會上，廣東凱特精機公司與南京工藝都展示了帶磁柵測量系統(tǒng)的滾動直線導(dǎo)軌副，標志著我國滾動直線導(dǎo)軌副向智能化方向邁出了一大步。眾所周知，廣東凱特精機從1995年成立之初就與華中理工大學(xué)保持著十分緊密的校企合作關(guān)系，是行業(yè)中產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的典范，由于基礎(chǔ)理論和性能試驗很扎實，其產(chǎn)品質(zhì)量始終處于上游水平，被中國機床工業(yè)協(xié)會授予了2012年度行業(yè)“產(chǎn)品質(zhì)量十佳”先進單位。 廣東凱特精機兩年前推出的帶磁柵測量系統(tǒng)的高精度智能滾動直線導(dǎo)軌副，具有一體化的緊湊結(jié)構(gòu)，同時兼有滾動直線導(dǎo)軌副的高剛性和磁性的高精度，系統(tǒng)精度最高達±10μm，重復(fù)精度最大±1μm。內(nèi)藏式磁尺及磁性傳感器抗振，抗沖擊。采用不銹鋼蓋板防護，在防塵和耐油脂方面，具有可靠的密封性能。采用非接觸式測量系統(tǒng)，有利于延長工作壽命。這帶種測量系統(tǒng)的滾動直線導(dǎo)軌副，更適用于長行程的導(dǎo)向和測量，其測量系統(tǒng)可直接與主機系統(tǒng)聯(lián)接，使用維護方便。 在數(shù)控機床中，滾動功能部件屬于資本密集型、技術(shù)密集型和管理密集型的核心功能部件。當(dāng)我們不斷跟蹤和研究國內(nèi)外這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展軌跡時，可以發(fā)現(xiàn)：為適應(yīng)主機對高精度、高速、重載以及智能化的需求，在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式上，已經(jīng)發(fā)生了重大變革；在規(guī)�；瘜I(yè)生產(chǎn)中，制造技術(shù)正在向高效、節(jié)能和低碳綠色方向發(fā)展；產(chǎn)品性能和功能不再盲目追求高指標和大而全，但求適用與最佳化；產(chǎn)品質(zhì)量對精度穩(wěn)定性、產(chǎn)品壽命與可靠性提出了更高的要求；產(chǎn)品的市場正在面向大機械產(chǎn)業(yè)開拓，以市場多元化求生存謀發(fā)展；功能部件的發(fā)展速度應(yīng)與主機協(xié)調(diào)同步發(fā)展。
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