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滚动功能部件产品包括：各类滚珠丝杠副，滚珠和滚柱直线导轨副、滚珠花键、滚珠导套、直线运动模块（组合单元）等。它们具有：传递动力、精密定位和分度、精密导向、对CNC指令的敏捷反应、既可微量进给又能高速驱动，长寿命绿色环保和可再制造等功能，它是CNC机床和各类自动化机械中不可替代的重要功能部件。由于它的应用范围十分广泛，在全球范围已形成了一个以滚动功能部件（含派生产品）为核心实现线性运动的产业体系，在海外先进工业国家（含地区）都拥有一批产品档次和专业化、产业化水平都很高的企业。在技术创新的推动下，按照市场的需求，正朝着定位精密化、驱动高速化、产品结构复合化、智能化、模块化、绿色化方向发展，产品规格向特大型，高刚度重载荷、超小型、小径大导程，超大导程方向扩展和延伸。
高速加工技术推动滚动功能部件高速化向纵深发展
以高主轴转速、高进给速度和加（减）速度、极短的启停时间，大的金属切除率为特征的高速切削加工（HSC），已成为21世纪装备制造业发展的热点。以加工中心为例，伺服进给的快移速度上世纪八十年代V=15~24 m/min、加速度0.3g，九十年代前期V=20~32 m/min、加速度0.5g，九十年代后期V=40~80m/min、加速度0.8~1.0g，目前已达V=60~120m/min、加速度1~2g。滚珠丝杠副的“提速”也基本上紧随主机的发展进程。
日本NSK公司最早将“空心强冷”技术用于精密滚珠丝杠副，1997年首先推出用于高速数控机床的HMC系列精密高速滚珠丝杠副，don值12万，V≥72m/min，加速度1g，精度C3~C5（JIS标准）。在大约五年时间内，Rexroth、THK、Steinmeyer、HIWIN、PM1等海外公司先后研制出第一代精密高速滚珠丝杠副产品。其主要特征是：以外插管为主，与滚珠螺母的内螺纹滚道“切入式”配置导珠管；丝杠空心强冷；双头螺纹适度加大导程；采用小径钢球和轻球（Si3 N4陶瓷球）等。第一代高速滚珠丝杠副的总体水平是：don值12~15万、V=60~100m/min，加速度1~1.5g、精度：P3级~P5级。
到2002年以后，世界上出现don值高达20万，V=200m/min的超高速静音滚珠丝杠副，挑战直线电机。第二代精密高速滚珠丝杠副（图1）具有以下特点：
1）对循环返向装置进行了创新和优化设计，例如：采用在滚珠螺母的内螺纹两端各配置一个切向型反向块（或称“端塞式”、“耳式”），通过对回流槽的优化设计大大提高了滚珠反向时的流畅性和高速运转时的可靠性。不但使螺母结构更紧凑（径向尺寸减小约30%），而且提高了承载能力。 （图片）
图1 第二代精密高速滚珠丝杠副 2）对螺纹滚道参数（齿形、曲率、接触角等）和滚珠链进行了优化创新设计，例如采用滚珠隔离器，它不但隔离了滚珠之间的摩擦、碰撞和推挤，而且使滚珠处于油膜接触状态，从而降低了高速运转时的噪声，使运动更趋平稳。又如采用Si3N4陶瓷球降低高速旋转的离心力等。
3）在空心丝杠内配置特殊的阻尼材料抑制高速旋转时的振动。
4）除了对空心丝杠强冷外，有的企业还对滚珠螺母实施强冷，例如HIWIN公司的“Cool Type I型”。
5）采用滚珠螺母主驱动方式。因丝杠轴固定不旋转，避开了临界转速nc对提速的制约，并减小了驱动功率。
6）进一步改善润滑条件。
第二代高速滚珠丝杠副的总体水平是：don值14~18万（20万），V=80~120m/min（中大导程），加速度1~2.5g，精度P3级。（当采用大导程时Vmax=200m/min。）
围绕高速滚珠丝杠副的开发，有关企业研制出高速滚珠丝杠试验台和检测仪器，对速度、加速度、噪声、温升、定位精度进行检测、评定。
滚动直线导轨副的高速化比之滚珠丝杠副更容易实现，因为导轨固定不动，滑块只有直线运动而无高速旋转所带来的一系列问题。现在Vmax=300m/min的滚动直线导轨副已能满足直线电机配套的需要。
机电一体化、智能化、模块化促进滚动功能部件产品功能复合化
瑞士Schneeberger、德国INA、Rexroth、我国台湾HIWIN等公司都先后研制成功带测量系统的智能化滚动直线导轨副，把直线运动的导向功能与磁栅数显的位置检测功能合二而一（图2）。（图片）
图2 Schneeberg AG带测量系统的滚动直线导轨副 Rexroth、INA、THK等公司先后开发出滚珠螺母主驱动空心电机高速滚珠丝杠副（图3），其特点是：与空心AC伺服电机的转子刚性联接的滚珠螺母，在固定的丝杠轴上一边高速旋转一边快速移动（或滚珠螺母旋转，但轴向固定，丝杠做直线运动），Vmax=120m/min，加速度1g，并借助于位置反馈系统获得较高的定位转度。（图片）
图3 滚珠螺母主驱动空心电机高速滚珠丝杠副（Rexroth.MHS 40） 它的优点是：结构紧凑（省去了齿形带传动），转动惯量小，避免了因丝杠轴高速旋转所带来的振动、噪声、热变形等问题，使进给系统的动态特性得到改善。这一新产品已成功地用于加工中心和PKM并联运动机床上（图4）。（图片）
图4 用MHS 40驱动的加工中心的垂直（坐标）轴 日本THK公司近年推出直线电机与滚动直线导轨副一体化的高速线性驱动装置（图5），该装置采用全闭环控制，具有结构紧凑、刚性高、免维修的特点，Vmax=120m/min，加速度2.5~4g，定位精度10μm/500mm，重复精度±0.5μm。是滚动功能部件机电一体化的高端产品。（图片）
图5 直线电机与滚动直线导轨副一体化的高速线性驱动装置 此外，在滚珠丝杠副与滚珠花键一体化的结构中，丝杠轴与花键轴融为一体，既可获得直线往复运动，还可传递矩。海外不少公司推出的新一代直线驱动模块和坐标工作台已实现滚珠丝杠副和滚动直线导轨副的一体化，把滚珠螺母与导轨的滑块做成一体（图6），不但结构紧凑，运动部件轻量化，其几何中心位于驱动丝杠轴心，从而降低了俯仰、摆动力矩，使运动更趋平稳。（图片）
图6 滚珠丝杠与滚动直线导轨副一体化的直线运动模块 面对制造业不同领域的需求，滚动功能部件继续向“超”、“特”方向发展
随着大型CNC龙门镗铣床、重型CNC车床、大型龙门式加工中心的发展，以及钢铁冶金装备、大型电站、空港海港设备、大型雷达装备等对滚动功能部件的需求，海外企业纷纷研制出超重负荷，超长行程的产品，西班牙BSG-ZUAZO S.A采用大型专用螺纹磨床整体加工出14000mm长的超长行程滚珠丝杠，精度达P5级（静态测量）。NSK、HIWIN等推出承载能力达300t专用于电动注塑成型机的超重载滚珠丝杠。滚柱直线导轨副在满足重载、高刚度、长寿命方面更具独特优势，德国INA公司RUE 100E-L型超重型产品（图7），滑块宽250mm，高120mm，自重37kg，Co=1600KN，一个滑块可承载一条重达150t的蓝鲸。Rexroth公司的“125std long超大型滚柱直线导轨副，滑块宽320mm，高160mm，长476mm，可承受200t载荷。（图片）
图7 INA公司高刚度滚柱直线导轨副 随着信息化产业的发展，纳米技术，半导体装备，微机电产品、光学仪器、微型医疗机械，γ刀设备、航空航天。卫星、导弹等对微型滚动功能部件的需求与日俱增。德国Steinmeyer公司推出世界上最小的微型滚珠丝杠Φ3×0.5（mm），全长80mm，动态转矩仅为0.3N.cm。日本NSK公司最早推出MSFD系列微型滚珠丝杠副，最小规格Φ4×1（mm），精度Co级（JIS标准）。KKS公司早在上世纪90年代就建立了产能6000套/月的生产线，德国Rexroth、JENA等公司都有微型滚珠丝杠的系列产品。日本KURODA等公司批量生产小径大导程滚珠丝杠，Φ8~Φ16(mm)，Pn=30、40、60mm，用于半导体装备、医疗机械、办公自动化设备的快速驱动场合。
日本THK公司的RSR 1M/2M系列超小型滚动直线导轨副的导轨宽度仅为1mm、滑块宽4mm、高2.5mm。日本IKD公司的LWL系列，台湾CPC公司的MR3MN系列，滑块的最小宽度仅为3mm。
行星式滚柱丝杠副的承载能力高出滚珠丝杠约10倍，具有抗冲击能力强，进给速度快（don值14万），加（减）速度高，能在恶劣环境下可靠工作等特点，但由于它的制造难度大，成本高，国外只有SKF、INA、意大利VCS等公司有系列产品。
特殊工作环境包括高温，超低温、核辐射、腐蚀、真空、粉尘等，海外不少企业开发了用于核电站、核潜艇、航天装置、宇宙飞船等特殊领域的高可靠性滚珠丝杠副，并通过试验装置提供测试数据。
全球范围的绿色浪潮催生具有时代气息的滚动功能部件产品
在“绿色革命”、“4R循环经济”、“高效率制造”理念的推动下，滚动功能部件产业的技术创新正沿着绿色大道阔步迈进。
1）冷轧成形技术使滚动功能部件的量产能力大幅增长，冷轧滚珠丝杠作为独立的商品在精度、性能方面得到提升。
作为一种高效、无屑加工技术，冷轧成形是清洁生产的典范，其特点是：原材料利用率高、制造周期短、成本低、产品的机械强度高、使用寿命长（抗拉强度提高20~30%、疲劳强度提高20~40%）。在绿色制造和产业化大批量生产的推动下，滚动直线导轨和滑块已全部采用冷轧型钢，而滚珠丝杠的冷轧技术也由于轧机的改进、轧辊精度和轧机智能化水平的提高，使冷轧滚珠丝杠产品在精度和性能方面上了一个新台阶。Rexroth, Neff, NSK, THK等已使冷轧丝杠的导程精度达到0.05mm/300mm。Warner Electric等公司采用计算机控制可移动双轧辊技术，每个轧辊由μm级精度的同步交流电机驱动，计标机控制轧辊的压力，通过传感器跟踪丝杠中径尺寸的变化反馈调整轧辊的微进给量，使丝杠中径的圆度和圆柱度达到0.003~0.008mm，导程精度达到0.006mm/2π、0.01mm/300mm、0.062mm/4000mm。NSK公司推出LPR系列冷轧大导程滚珠丝杠副，25×25（mm）、32×32（mm）、40×40（mm）、50×50（mm），精度C5.C7级，Vmax=150m/min。Abssac公司推出微型冷轧滚珠丝杠，Φ4~Φ14（mm）、Pn=1~20mm，与磨削滚珠螺母匹配，丝杠副的定位精度与磨削丝杠接近。THK公司推出JPF系列“0间隙”定压预紧精密冷轧滚珠丝杠副，螺母采用具有柔性环节的导程增量预紧结构，丝杠滚道面冷轧后光至Ra0.5μm，丝杠副的重复定位精度±0.2μm，周期误差2.8μm/2π，行程450mm范围的预紧转矩变动量0.07~0.10N.m
用冷轧技术制造大导程、超大导程、小径大导程以及特别细长的滚珠丝杠更具独特优势。在海外批量生产的冷轧滚珠丝杠的精度已稳定达到P5级~P7级，部份达到P3级。在上述领域已全部或大部份取代螺纹磨削工艺。这是一个值得引起国人重视的发展动向。
2）螺纹旋风铣削技术由“软铣”到“硬铣”、由“粗”到“精”，已成为高效绿色制造技术的新宠。
近年来，由于高速硬切削、干切削技术的发展，超硬刀片材料（CBN、PCBN）以及刀刃精密成型和刃磨技术的成熟，可以对HRc 60以上的淬硬丝杠和螺母实施“螺纹旋风硬铣”（Thread Hard Whirling），而高刚度的机床结构和CNC误差补偿技术又使旋风铣削由低精度粗加工向精密加工方向发展。在国外已出现一批专门生产CNC旋风铣床的企业，例如德国的Leistritz公司和奥地利的WEINGÄRTNER公司等。海外一批滚珠丝杠的专业厂例如：NSK、Rexroth、HIWIN、SHUTON、Thomson、SAGINAW、BEAVER等，都在生产线上配备了这一高效工艺装备。工件材料为CF63（DIN标准），淬硬至HRc60以上，经CNC旋风硬铣后丝杠导程精度P3~P5级，齿面粗糙度Ra≤0.4μm，齿形精度＜0.02mm。螺母导程精度＜0.006/32mm、0.008/120mm。
CNC旋风铣削技术不但生产效率高，由于它不使用难于处置的切削液，呈“逗号”状的切屑易于回收，对生产现场环境的污染大大低于一般铣削和螺纹磨削，因此无论是软铣或硬铣都是值得推广的高效绿色制造技术。
3）内循环滚珠丝杠副的反向器和滚动直线导轨副的回珠块都是直接影响产品运转灵活性和平稳性的关键零件。传统的制造工艺常常是通过7~8道工序的机械加工来完成，不但生产周期长、制造成本高，而且尺寸精度不稳定，直接影响装配质量和效率。国外曾采用精铸、冷冲压、粉末冶金、工程塑料注射成型等一次成形技术。近年来金属注射成形技术（MIM）正在兴起，所谓MIM（Metal Injection Molding），按国标GB/T3500-1998的定义是：“将金属粉末与其粘结的增塑混合料注射于模型中的成形方法。”MIM是塑注技术与金属粉烧结熔融技术相结合、并综合了金属制粉、塑料、机械及模具、自控等领域的高新净成形技术，是当今国际上最热门的复杂、精密零件优质高效绿色制造技术（图8）。（图片）
图8 不锈钢粉MIM反向器 MIM不同于传统的粉末冶金；精度8~20μm的球状金属粉与粘结剂“混炼”后产生优良的可塑性，再在一定温度、压力下注射成形，经过“脱粘”、“烧结”后，零件内部组织致密均匀，其表面光滑、尺寸精度和一致性高，机械性能优于粉末冶金，它的使用寿命和可靠性更是远远高于工程塑料。
4）基于绿色设计的理念，绿色滚动功能部件产品相继问世。
所谓绿色设计，就是充份考虑产品功能、质量、性价比、成本等因素的同时，优化设计要素，使产品在制造和使用过程中对环境影响最小，资源消耗最小，可回收再制造。
本文前面已经介绍过许多基于绿色设计理念的新产品，例如高速静音滚珠丝杠副和滚动直线导轨副；省能省工的滚珠螺母主驱动装置；电动注塑成型机用高负荷滚珠丝杠副；已作为独立商品的冷轧滚珠丝杠和MIM反向器；免维修自润式滚动功能部件等。图9所示的免维修自润式滚珠丝杠副是在滚珠螺母两端配置用高含油率、高密度纤维网制造的自润装置。这类环保型自润、免维修结构在滚动直线导轨副中也有不同类型的产品。（图片）
图9 免维修自润式滚珠丝杠副 纵观各国装备制造业的发展轨迹，先进工业国家和机床制造业的强国都拥有一批高水平的数控机床功能部件专业化生产企业。我们要抓住功能部件发展的黄金机遇，理顺矛盾，找准差距，奋力攻关，迎头赶上。
1/3/2006
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