用綠色制造提升滾動功能部件的規?；瘜I生產水平

黃祖堯

滾動功能部件屬于專業化大批量生產的產品，而衡量專業化水平的重要標志是:Q（產品優質，性能可靠）、T（短周期）、C（低能耗、低物耗、低成本）、S（優質服務）、E（綠色環保）。新時期向高端沖刺、全面提升規?；瘜I生產水平的重要途徑是綠色制造（GM）和智能制造（IM）。綠色制造所追求的目標是資源利用的最大化，廢棄物排放、對環境的負面影響最小化。

我國滾動功能部件產業與國外的差距，一方面表現在產品內在性能和可靠性不如海外知名企業的名牌產品，另一方面國內多數制造企業在生產過程中生產效率不高、能耗大、資源綜合利用率低、對環境污染重視不夠，綠色制造水平較低，而這第二個差距又常常被忽視。近年，在產品創新、工藝創新、技改和裝備更新方面已開始向綠色生態制造方向邁進，這是可喜的發展動向。下面就影響和推動產業發展的若干綠色制造技術進行探討。

1 高速硬切削技術

硬態干切削的核心是在高速切削狀態下的金屬的軟化效應。在高剛度的精密CNC車床上采用CBN、PCBN刀具對滾珠絲杠和螺母（GCr15、HRc60±2）實施高速硬切削，金屬去除率是磨削的3～4倍，使生產效率大幅提高，并降低能耗，減少粗磨螺紋對環境的污染（噪聲、粉塵）。對于長絲杠，還避免了傳統老工藝（軟車螺紋——淬火——粗磨螺紋）因淬火過程中的變形導致硬化層不均布的缺陷。

漢江機床公司、北京精密天工公司、上海萊恩精密機床附件公司等企業已在生產中部分采用這一新工藝。云南CY集團在CCMT2012（南京）展會上推出具有高速硬車削功能的Cylinder 40系列高剛度全閉環CNC車床，該機床采用靜壓導軌，主軸最高轉速可達5 000 r/min，用PCBN刀具硬車削滾珠絲杠，表面粗糙度Ra0.4 μm，刀具壽命提高20%。

廣州敏嘉制造技術公司最新推出針對大導程滾珠螺母加工的CGK300型滾珠螺母超精密硬車削CNC機床（見圖1）。該機床采用花崗石床身，特制高剛度刀桿，15 kW靜壓電主軸，直線電動機驅動，對淬硬的大導程滾珠螺母一次安裝完成外圓、內孔、端面和內螺紋滾道的精加工，而螺紋滾道是采用展成原理硬切削。因速度快，每次進刀量小，在反向孔部位因斷續切削對刀具壽命的影響較小，螺母反向孔與滾道的對中精度可達0.02 mm，表面粗糙度Ra0.8 μm，導程精度很高。這是一臺全新概念的綠色復合加工機床，它解決了用傳統磨削工藝產生齒形干涉的難題。該產品正在進行工藝試驗，調試完善之后將投放市場。之前，德國BLIS公司在Hembrag超精車床上采用PCBN刀具高速硬車削滾珠螺母，達到以車代磨的效果，除提高生產效率外，成本下降40% ～60%。

2 CNC硬旋風銑技術和裝備——螺紋制造技術的綠色革命

作為銑削的一種特殊的方式，旋風銑已有幾十年的歷史，但只有當旋銑技術由“軟銑”邁向“硬銑”才出現創造性的突破。高速硬切削的理論基礎是建立在德國切削物理學家薩洛蒙（Carl Salomon）等知名學者的理論和試驗基礎上的，而CBN、PCBN刀具的誕生和發展為推廣應用創造了條件?？梢娀A對于創新何等重要。

高速硬旋銑技術切削力小、工件溫升小，熱變形小，切屑方便回收，省去了對環境污染的切削液，單位時間金屬切除率是常規切削方式的3～6倍，生產效率很高。新一代精密CNC旋風硬銑裝備加工精度可達P2～P3級，表面粗糙度Ra0.4 μm。這是螺紋制造領域典型的高能效、低耗、低排放的綠色制造技術，給規模化專業生產大型、超長、重載滾珠絲杠帶來一場工藝革命。全球一大批專業廠紛紛采用硬旋銑技術和裝備。我國南京工藝裝備公司率先從德國引進Leistritz硬旋銑技術和新一代的CNC裝備，之后山東博特精工、大連高金等都相繼引進，而漢江機床公司則自主研發成功HJ09Z型6 m、8 m CNC旋風銑機床。“硬旋風”將助推使我國的大型、超長、重載滾珠絲杠副迅速實現國產化，部分替代進口。

我國在“十二五”科技重大專項中已將10 m、12 m CNC旋風硬銑技術和裝備的研制納入攻關項目。南京彩云機械電子公司與高校合作已制成功CNC五軸四聯動新一代旋風銑床。筆者堅信，不久的將來我們將擺脫對國外的依賴，我國自主研發的硬旋銑成套技術和裝備將在神州大地開花結果，推動滾動功能部件產業做精做強。

目前，CBN、PCBN刀具的質量和價格以及高精度成型刀的刃磨、修復技術仍是高速硬車削、硬旋銑推廣應用的瓶頸，亟待解決。

3 無屑、快速一次成型技術正在興起和發展

滾珠絲杠的冷滾軋成形是建立在金屬塑性變形理論基礎上的綠色制造技術，從上世紀90年代開始在精密滾軋技術HPR（High Precichion Rolling）的推動下，高剛度數控精密滾軋機的智能化水平得到提升，先后由德國（PROFIROLL）和美國（KINEFAC）推出新一代的高檔滾軋機，使RBS（冷軋滾珠絲杠）的精度穩定達到P5級，部分達到P3級。RBS由量變到質變，顛覆了“非磨無以成器”的傳統制造理念，于是P5～P3級的精密RBS悄然進入閉環和半閉環CNC機床和自動化工業裝備領域，就是順理成章的事情了。

精密RBS的特點是:①材料利用率高達80% ～90%，比切削加工方法省15% ～20%的優質鋼材;②在強大滾壓力作用下金屬工作層的組織更加致密，滾道表面疲勞壽命提高20% ～40%;③滾道表面粗糙度Ra0.5 μm，無磨削缺陷;④導程精度的誤差離散度小，曲線平滑，便于CNC補償;⑤同一批產品有較高的一致性（包括:導程精度、齒形精度、中徑尺寸及圓柱度等）;⑥生產效率比磨削高出幾十倍，生產周期短;⑦能效高，對環境污染小。

RBS是用高效綠色制造技術生產的高能效綠色環保產品。據了解，全球專業生產滾珠絲杠的企業中，大約有30多家企業在其生產線中配備了冷滾軋全套裝備。我國從上世紀80年代后期開始約有5～6家民營企業先后購進德國、韓國和中國臺灣的滾軋機，批量生產中低檔RBS、RTS產品，例如:寧波滾石、浙江新億特、浙江得力亞、福建長青、北京高爾頓等。

在RBS的發展過程中有一個值得深思的現象:上世紀80年代，當我國西部專門從事RBS和冷軋研究的“冷軋技術研究所”消失的時候，西方卻推出了一代又一代的精密CNC智能型滾軋機;上世紀90年代，當我國眾多專業廠以增加螺紋磨床來擴大再生產，少數企業甚至以擁有螺紋磨床數量之多而沾沾自喜的時候，德國Rexroth公司看到精密RBS的市場潛力，果斷調整產品結構，集中主力生產RBS，使其產量上升到總產量的80%左右，而磨削BS下降至20%左右。這說明我們的綠色科技理念、低碳意識淡薄，在采用先進高效制造技術提高工藝水平方面跟不上時代的發展，與海外存在較大差距。

當然，我們在無屑和快速一次成型技術方面也并非無所作為，現在，滾動直線導軌副的導軌體和滑塊已普遍采用冷拉成形工藝制造精胚，甚至將圓弧滾道也一次初拉成初型。大直徑和帶法蘭的滾珠螺母的精胚采用精密（模）鍛，不但降低材耗，還改善金屬內部金相結構，提高機械強度和疲勞壽命。

4 MIM技術讓“返向裝置”舊貌換新顏

“返向裝置”是滾動功能部件中的核心組件，它的結構、參數、制造工藝、加工質量都對實現周而復始的“返向功能”及產品的流暢性、摩擦特性、速度特性產生十分重要的影響，在高速、重載工況下更是產品可靠性的關鍵環節。

所謂MIM（Metal Injection Molding），是將金屬微粉（8～20 μm）與其粘結劑的增塑混合料經混煉后注射于模具中，再經過脫脂、燒結的成形方法。在裝備制造業中，MIM是當今最熱門的中、小精密零件一次近凈成形的綠色制造技術。MIM技術與傳統成形工藝的比較見表1。

從表中的對比可以看出，返向裝置采用MIM技術與傳統的加工方法對比，具有以下優點:細密均勻的顯微組織提高了返向通道的耐磨性和抗沖擊能力;返向器零件的尺寸精度可控制在±0.3% ～±0.5%，同批零件具有較高的尺寸一致性;返向通道的表面粗糙度可達Ra3.2 μm;金屬粉混料可反復利用，接近零材耗。

表1 MIM技術與傳統成形工藝的比較表

對于導珠管型的反向裝置，MIM更具獨特優勢;MIM能使管孔各區段的孔徑一致，避免了傳統彎管工藝在拐彎處的不圓誤差對流暢性的影響;導珠管的管壁厚和管舌均可按需要增厚（這是彎管工藝難于做到的），從而提高了用于重載、高速產品的使用壽命和可靠性;管孔內壁平滑，表面粗糙度Ra值遠遠低于彎管工藝;容易實現3D導珠管的一次注射成形。

MIM作為21世紀的先進制造技術，為“返向裝置”結構和參數的3D優化設計創造了有利條件，MIM技術讓用于高檔滾動功能部件的“返向裝置”舊貌換新顏，讓高精度、高速度、重載滾動功能部件熠熠生輝。

據了解，我國是最早將MIM技術引入滾動功能部件（線性傳動）產業的少數國家之一，處于國際先進水平。

比之工程塑料返向器，目前用不銹鋼微粉制造MIM返向器，工藝難度依然較大，成本較高，這是制約大面積推廣應用的重要原因。還需要提高二次配套的專業化生產水平。

5 滾道表面的光整加工技術

滾道表面經過常規精加工后，其表面質量（包括:粗糙度、紋理、微細毛刺、表層的金相組織和殘余應力等）都會對產品使用性能產生直接影響。對于承受交變載荷的滾動功能部件，進一步降低表面粗糙度、提高表面質量、改善滾動摩擦特性、降低噪聲、使疲勞強度提高30% ～40%。對于高性能（高精、高速、高可靠性）的滾動功能部件，在精磨之后再實施超精研拋是十分必要的。

雖然光整加工的方法很多，但筆者一直認為，基于都具有滾動摩擦物理特性的共同“基因”，借鑒軸承工業在這方面的成熟技術是最佳的選擇，因為國內外的知名軸承企業對解決高精度、高性能軸承滾道超精加工技術和裝備已有一套完整的解決方案，把這套技術移植過來，就可收到立竿見影、事半功倍的效果。

筆者曾應邀到上海萊必泰（RABBIT）公司（以生產軸承專機和自動線著稱）參訪時，了解其下屬的上海萊恩（LAIEN）公司（與日本NTN合資），在精密滾珠絲杠生產線上就配置了自行研制的“滾珠絲杠螺紋滾道超精研機床”，在精磨螺紋后用特制的油石對滾道面施加一定壓力，沿螺紋滾道進行震蕩式仿形超精加工，可使表面粗糙度達到Ra≤0.2～0.4 μm。據了解，漢江機床公司和瑞安特等也在開展表面光整加工技術的研究。

筆者認為:我國在“十二五”及今后數控機床科技重大專項攻關中，針對用于納米級的高動態特性、超高精度CNC機床等的市場需求，研究P0級以上的滾珠絲杠和滾珠螺母滾道、最佳的光整加工方法和機理、研制內外螺紋滾道CNC光整加工裝備和成套技術，是很有必要的。

6 表面改質技術——高性能滾動功能部件的新工藝途徑

德國亞琛摩擦學協會的研究指出:摩擦和磨損所造成的經濟損失約占發達國家每年GNP的5%。因此，研發摩擦優化技術及材料十分必要。滾動功能部件進行表面改質處理是通過改變滾道面的化學成份、組織結構和應力狀態，達到降低摩擦系數，改善動態特性，提高抗疲勞、磨耗和腐蝕的能力，延長使用壽命的目的。

近年興起的表面納米化和納米復合涂層技術是表面改質技術發展中的新亮點。在提高表面力學性能和化學性能的同時，因納米層與金屬基體層呈梯度漸變，不損害基體材料的韌性和機械強度（但是，盲目孤立追求高硬度并不可取，它往往會帶來摩擦副偶件磨損加快，壽命下降等問題）。

有關試驗表明:等離子噴涂納米FeS涂層、含量為3．1% 的納米顆粒的納米涂層，它與普通GCr15軸承鋼比較，其摩擦系數大幅減小，減摩、耐腐、抗疲勞效果明顯。

關于表面改質技術，在軸承工業中早有應用，但在我國滾動功能部件產業中尚未推廣應用，而在國外同行中已有成功應用的實例，例如:NSK公司早就研制出DS改質鋼球，在用高純度ESI鋼制造的鋼球球外表面上，增加Fe、Cr、Ni化合物涂層，使DS鋼球的回轉精度、耐沖擊性、壽命大幅提高。

西班牙Korta Group在高速精密滾珠絲杠副的研制中，對滾珠螺母的螺紋內滾道采用代號為NTG的表面改質技術取得明顯效果，見圖2的性能測試對比。圖2中的對比試驗是采用以下的組合方式:［NTG滾珠螺母+Steel/Si3N4鋼球與陶瓷球混裝的滾珠鏈］

從圖中可以看出:表面改質技術搭配混裝滾珠鏈大大提升了高速滾珠絲杠副的速度特性，使DN值達22萬，并獲得低噪聲、預緊轉矩波動小、低振動、低發熱、低磨耗、低油耗的明顯效果。

筆者認為:Korta Group對精密高速滾珠絲杠副所采取的措施，是值得借鑒的綠色制造技術。

7 滾動功能部件的綠色熱處理

熱處理車間是企業的能耗大戶。據統計，傳統熱處理的能耗費用約占總費用的60%～80%。新時期，綠色熱處理技術正朝著精密（微變形、尺寸穩定）、節能、清潔（把廢水、廢氣、廢渣、粉塵、噪聲降到最?。┮约案吣苄Х较虬l展。

（1）高效、節能的CNC中頻感應淬火

通過大密度能量快速加熱、快速冷卻，促使金屬中奧氏體組織加快轉變，使淬火表面達到所需硬度和細小隱晶馬氏體。它比整體鹽爐淬火節電40% ～50%，比“滲碳”和“碳氮共滲”節電80%以上，是十余種熱處理方法中能耗比最低、對環境的負面影響較小的淬火技術。

在我國滾動功能部件產業中已廣泛采用這種大約有100年歷史的高效節能感應裝備。南京工藝裝備公司最早從德國AEG公司引進CNC中頻淬火技術（包括特殊的淬火液）和成套裝備（圖3）。之后，北京機床研究所、山東濟寧絲杠廠（博特精工前身）、漢江機床公司等相繼研制成功CNC中頻淬火機并在批量生產中發揮重要作用。近年博特精工、大連高金也引進了國外的CNC中頻淬火技術和設備。北京PCA公司、廣東凱特精機等，為滿足不同產品的要求，擴大頻率范圍，來用超音頻感應淬火技術，有助于減少變形，提高感應淬火質量。

新一代的CNC中頻感應淬火裝備采用高效節能的新型加熱設備;淬火機床采用滾珠絲杠傳動、CNC控制技術;環保淬火液的過濾、降溫控制系統;以及3D優化設計的感應器等新技術的有機結合，使滾珠絲杠螺紋滾道的硬度、硬化層深度、軸向變形的自動補償等得到圓滿解決，除獲得所需HRC硬度外，在全長上硬度均勻，使產品的內在質量、疲勞強度和可靠性能夠達到設計要求。

（2）激光（Laser）相變硬化

在表面改質處理技術中，激光固態相變硬化技術（即激光淬火）正日益受到關注和推廣應用，成為綠色熱處理新的亮點。

與傳統淬火工藝相比較，激光表面相變硬化技術具有以下優點:①加熱速度極快，生產效率很高;②淬火后的熱應力及變形小，硬化過程幾乎不產生氧化、脫碳，不影響淬火前零件的尺寸精度;③輸入功率小，能效高;④不需要熱介質、淬火液，清潔生產，對環境無污染;⑤GCr15軸承鋼激光淬火后不但馬氏體硬度增高，而且可獲得極細的馬氏體硬化層和很高的錯位密度，硬化層深可達0.5～0.8 mm，表面產生壓應力，可使疲勞壽命提高50%～70%;⑥工藝過程易于實現計算機控制等。

上述諸多優點，使激光淬火在機床導軌、主軸、齒輪、曲軸、凸輪軸、花鏈套、軸承、離合器等許多零件中得到應用。至于在滾動功能部件中的應用，早年華中理工大學、漢江機床公司、北京機床研究所、北京東方通快激光公司也做過初步的嘗試，但它卻很難取代技術成熟度較高、使用效果好的CNC中頻感應淬火技術在滾動功能部件產業中的應用。由于設備較昂貴，初期投入較大等原因都影響推廣應用。目前仍處于認知、比較判斷的階段。

筆者認為，對于大導程滾珠螺母（例如:φ32×32，φ40×40），精車內滾道之后，再采用激光淬火，可以解決用傳統磨削方法所帶來的齒形干涉這個難題。對于形狀復雜的薄壁或特細長的滾動功能部件，也是一種小變形的相變硬化方案。

（3）頻譜諧波振動時效技術

時效處理是消除內應力、穩定組織、提高產品尺寸穩定性的工藝過程。包括:熱時效、冰冷處理、自然時效、振動時效等。

振動時效VSR（Vibratory Stress Relief）是利用外加振動能量對金屬零件產生周期性的作用力，使其內部組織產生塑性變形，達到均化和減小殘余應力、提高抗變形能力的機械時效方法。通常VSR可將殘余應力減小20% ～30% 甚至50% ～60%，使峰值應力降低，均化應力分布。

上世紀70年代我國開始從事VSR的研發并在鑄、焊大件取得成效。約10年前江蘇瑞安特曾與高校合作在滾珠絲杠生產中用VSR代替熱時效，初見成效。第一代VSR雖具有高效、節能、降耗的優勢，但長期以來存在以下問題:①應用面窄（頻率范圍0～166.7 Hz），大約只有23%的低頻構件可以采用;②有效振型太少，對多維殘余應力無法消除，很難達到熱時效的效果;③操作不方便，效果不穩定;④噪聲很大。

21世紀初，北京翔博科技公司發明了“頻譜諧波VSR”專利技術，克服了傳統VSR的技術缺陷，是VSR的第二代綠色創新成果，開創了VSR的新紀元。

頻譜諧波VSR技術，首先利用傅里葉方法對工件進行頻譜分析，找出幾十種諧波頻率并從中優選對消除殘余應力效果最佳的五種不同振型的諧波頻率實施振動時效處理，達到多維除應力、提高工件尺寸和精度穩定性的目的。

頻譜諧波VSR的優點在于:①應用面很廣，能夠處理在原VSR亞共振中無法處理的高剛性、高固有頻率的工件，在機械制造業中的覆蓋面幾乎為100%，這為在滾動功能部件產業中推廣應用創造了有利的條件;②在時效處理過程中的噪聲低，環境友好宜人化;③消除應力的效果達到和超過熱時效;④降低能耗可達95%以上。

頻譜諧波VSR技術是對傳統熱時效的綠色科技創新，已在航空、航天、軍工裝備、船舶、機床、工程機械等眾多領域應用，并被國家發改委批準在機械制造業中廣泛推廣。北京翔博科技公司的這項專利技術還被列入《國家重點節能技術推廣目錄》（第二批），并納入《十二五國防科技工業百項先進工業技術目錄》。

據介紹，翔博科技正在設計和完善配套裝置，為高剛度、高固有頻率的精密零件（多為中小件）推廣應用頻譜諧波VSR做準備。

8 綠色裝配

滾動功能部件中的各種零件，其加工誤差和制造質量都在裝配過程中暴露無遺，因此裝配是確保產品質量和總成性能十分關鍵的工序。而綠色裝配是通過文明、精益生產、清潔裝配、節能、降耗最終達到成品性能和可靠性的要求。綠色裝配中需要重視的幾個要點:

（1）要有一個文明、清潔的裝配環境，裝配間內空氣粉塵濃度和掉發物的濃度應嚴格控制。

（2）為提高滾動體裝填效率減少油脂的消耗，推廣采用干式裝配，宜采用專門的工具填充滾動體（鋼球），而不用油脂把滾動體粘在滾珠螺母和滑塊內，最后再清洗掉。

（3）為保證產品的初始接觸剛度，“加載跑合”要充分，不能“走過場”應付了事。

（4）為保證預緊狀態下的流暢性，在裝配返向器時，對螺母滾道的接口應少打磨和不打磨（只去毛刺）。必須清醒地認識到:過量的打磨接口會導致滾動體進出返向器時運動軌跡發生錯位，出現卡滯現象;而提高返向孔與滾道的對中精度（≤0.02 mm）才是根本的解決辦法。

（5）每個裝配工位應嚴格按不同規格存取鋼球、返向器、滾柱、密封件、標準件等，嚴格按設計要求的數量填裝滾動體，絕對不允許在滾動鏈中混入“大鋼球”;對于間隔滾珠鏈嚴格按“一大一小”排列，不能錯亂。

（6）推薦采用超聲波清洗，需要循環使用的跑合沖洗油，應當嚴格過濾后再回收使用，避免不潔清洗油中的顆粒物在“跑合”中劃傷滾到表面。

（7）對于高精度、高速度一類的高檔產品要補充進行“殘磁量”和“清潔度”的檢測（參照軸承行業的相關標準）。

總之，21世紀是節能環保時代，綠色制造，智能制造將引領產業業實施綠色技術改造，在促進企業轉型升級中發揮主要作用。綠色智造將提升滾動功能部件產業規模化專業生產的制造工藝水平，在提高生產效率的同時，還為研制高端產品找到最佳工藝途徑;而新的工藝技術在提升企業核心競爭力的同時還會衍生出新的經濟增長方式。在低碳經濟時代綠色智造將推動我國滾動功能部件產業健康、持續發展，為做精做強打下堅實基礎。

［1］艾興，劉戰強，黃傳真，等．高速切削綜合技術［J］．航空制造技術，2002（3）．

［2］何寧．高速切削技術［M］．上海:上?？萍汲霭嫔?，2012．

［3］文東輝，劉獻禮．用PCBN刀精密切削GCr15淬硬軸承鋼［J］．工具技術，2002，36（3）．

［4］黃祖堯．CNC螺紋旋風硬銑削—高效綠色制造技術［J］．機械工人，2004（9）．

［5］高乃坤，許舜．硬體旋銑技術在滾珠絲杠制造中的應用［J］．機械工人，2006（5）．

［6］黃祖堯．滾珠絲杠螺紋制造技術向高效、低耗、綠色方向發展［J］．金屬加工，2010（20/21）．

［7］蔡蔚．冷軋滾珠絲杠試驗研究［C］．中國機械工程學會三屆鍛壓年會論文集，1983（5）．

［8］Heinz－Robert Schneider．冷軋型滾珠絲杠［J］．PT Design，1999．

［9］何新波，曲選輝，黃祖堯，等．金屬粉末注射成形技術及其在數控機床功能部件中的應用［J］．制造技術與機床，2009（8）．

［10］楊勝強，李文輝，陳紅玲，等．表面光整加工理論與新技術［M］．北京:國防工業出版社，2011．

［11］胡曉東．振動時效技術的發展［J］．制造技術與機床，2009（4）．

［12］王偉順，姬國棟，全博文，等．頻譜諧波時效技術在機床零件加工中消除應力的應用研究［J］．制造技術與機床，2011（7）．

［13］林信智．高效節能的感應熱處理工藝［J］．金屬加工:熱加工，2012（S2）．