行星滾柱絲杠副產品產業化應用分析

陳傳涓

（中國電建集團裝備研究院有限公司，上海 200233）

如圖1 所示，行星滾柱絲杠與滾珠絲杠類似，是可將旋轉運動和直線運動相互轉化的機械裝置，屬于基礎傳動零部件，也是高端裝備的關鍵零部件。但與滾珠絲杠比較，相同尺寸下行星滾柱絲杠具有高效、承載大和可高速旋轉等特點，因此，已在部分應用領域替代滾珠絲杠，特別是對載荷和尺寸要求較為苛刻的應用場合。

圖1 行星滾柱絲杠副結構示意圖

雖然Carl Bruno Strandgren 早在1942年就申請了循環式滾柱絲杠發明專利，但至今為止，滾柱絲杠由于其結構復雜、加工難度大、加工成本較高等因素，導致其市場應用規模遠小于滾珠絲杠。《中國制造2025》明確我國必須強化工業基礎能力，特別是推動“四基”發展，支持軍民兩用技術攻關。由于滾柱絲杠具有效率高、高速、重載、壽命長等特點已經在軍用和高端民用裝備方面得到了規模應用，屬于關鍵零部件。因此，本文從行星滾柱絲杠副產品的研發、設計、制造、測試和檢測、專利、產業化應用等方面分析了國內外該產品的產業發展現狀，并針對性提出了我國行星滾柱絲杠副產品產業發展的相關建議。

1 行星滾柱絲杠副產品產業發展現狀

王小波等利用國家知識產權局專利檢索系統中的CNABS、SIPOABS、DWPI 等數據庫從多方面對滾柱絲杠專利進行了統計分析和梳理，表明由于時間發展差異，該產業的巨頭企業大多屬于日本、歐洲和美國公司（例如瑞士Rollvis、瑞士GAS、瑞典SKF 公司、日本NTN 株式會社），這些國家的專利申請數量多并且技術含量也較高，形成了滾柱絲杠技術領域的技術壟斷，專利優勢非常明顯；與之相比，中國在滾柱絲杠領域的研究和發展還處于起始階段，相關研究過少，自主研發的專利申請數量較少。

1.1 國外行星滾柱絲杠副產品研發和應用

國外很多企業長期致力于行星滾柱絲杠產品的設計研發、制造和市場推廣應用。幾十年來，積累了大量的生產經驗和研究經驗，這使其在行星滾柱絲杠的精度等級、潤滑維護、機構搭建等各方面都有了較為成熟的理論，并已經具有成熟產品。到現在為止，全球生產行星滾柱絲杠的主要有：德國舍弗勒集團（Schaeffler）旗下的INA、瑞典斯凱孚（SKF）、瑞士力姆泰克（Rollvis）、瑞士GSA、博世力士樂（Bosch Rexroth AG）、美國Creative Motion Control（CMC）、美國Exlar 公司、英國Power Jack 公司、德國LTK 公司等。國外行星滾柱絲杠主要產品有六類：通用型行星滾柱絲杠、螺母型反轉行星滾柱絲杠、循環型行星滾柱絲杠、循環型環齒型行星滾柱絲杠、微導程型小螺母直徑行星滾柱絲杠和定軸型行星滾柱絲杠。

行星滾柱絲杠副產品已被廣泛地應用于航空航天、機床、武器裝備、機器人等行業，絲杠直徑從1～150mm，導程從0.1～50mm，導程精度等級從G1～G9（分類標準根據DIN69051-3），速度最高達到2m/s，可以在極端艱苦的工況下連續承受重載工作上千個小時。

在民用領域，行星滾柱絲杠與電機一體化形成電動執行器，由電機帶動螺母（或絲杠）旋轉，從而實現絲杠（或螺母）帶載荷實現直線反復運動。國外已經在閥門執行器、塑料機械、無人汽車、六自由度模擬器、高端汽車生產線等領域得到應用。行星滾柱絲杠在國外軍品應用案例包括F-35B 戰斗機電動起落架、潛艇六自由度模擬仿真平臺、電動造波機、美國魚鷹戰斗機航空武器懸掛發射系統裝置、美國武裝直升機的航空武器懸掛發射系統裝置和螺旋槳高低調節裝置等。

1.2 國內行星滾柱絲杠副產品研發和應用

在基礎理論研究方面，西北工業大學、南京理工大學、北京航空航天大學、華中科技大學等高校對于行星滾柱絲杠的研究集中于嚙合、運動特性、摩擦和剛度等基礎理論研究。西北工業大學陜西省機電傳動與控制工程實驗室已開展行星滾柱絲杠相關技術研究，掌握了行星滾柱絲杠參數匹配設計、靜剛度、接觸摩擦和效率等計算方法，并與國內漢中宏峰公司、漢江機床廠建立了合作關系，研制了行星滾柱絲杠樣件和基于行星滾柱絲杠電動缸。此外，西北工大還建立了行星滾柱絲杠綜合性能測試實驗臺，可對大推力、多工況的行星滾柱絲杠進行速度、位移和動剛度等性能參數測試。南京理工大學對行星滾柱絲杠的研究主要集中于理論研究和分析，包括建立數學模型、確定運動關系、運動學仿真、分析軸向接觸變形、計算彈性變形和剛度等，但尚未有相關樣品制造和試驗的相關報告。在少批量產品生產和應用方面，國內在研制行星滾柱絲杠的企業仍然較少，且生產行星滾柱絲杠及以其為核心的相關產品與國外相比性能上存在一定差距，尚未在高端裝備領域得到規模應用。國內具備產品小批量研發和制造能力的主要有：山東博特精工研制出的行星滾柱絲杠已用于炮控系統；南京工藝裝備制造有限公司也研制出行星滾柱絲杠樣品，額定承載能力為39t，并應用于南京理工大學滾珠絲杠精度測試臺架。常州思科瑞已經生產出多種系列和規格產品樣品，并已在部分場合實現替代國外同類產品應用；中國電建裝備研究院行星滾柱絲杠產品已開發形成多種產品系列，并在電動執行器、柱塞泵、車輛轉向機構、玻璃壓鑄機械等產品上得到應用，形成小規模批量供貨，并已在大型港口機械實現產品方案設計。

綜上可知，國外的行星滾柱絲杠產品已經實現商業化應用，而國內行星滾柱絲杠還處于研發或小批量生產和應用狀態，成熟規模應用的產品較少。

1.3 材料、熱處理以及制造與安裝

標準行星絲杠產品絕大多數采用馬氏體不銹鋼，硬度處置到HRC56 以上；其他特殊場合使用的產品需要根據用戶需求選擇不同的鋼材和熱處理工藝。例如，南京理工大學研究發現行星滾柱絲杠中絲杠選用的材料為合金結構鋼42CrMo，其強度和淬透性比35CrMo 有所增高，調質后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。對合金結構鋼42CrMo 需做預處理，使其表淬硬度不低于54～60HRC。螺母和滾柱選用的材料為高碳鉻軸承鋼GCr15，高碳鉻軸承鋼GCrl5 綜合性能良好，淬火和回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性和高的接觸疲勞壽命，熱加變形性能和切削加工性能均好。對高碳鉻軸承鋼GCr15 需做進行淬火處理，其表面接觸硬度為56～60HRC。因為滾柱的滾動表面與絲杠的兩個接觸螺紋槽表面最容易產生疲勞點蝕，所以對絲杠和螺母的螺旋槽的表面及滾柱的滾動表面進行滲碳或碳氮共滲處理，從而生成硬化的表層。瑞典SKF 公司標準絲杠主要是預處理的50CrMo4（或 42CrMo4）表面硬化處理加工的。螺母和滾柱采用硬化處理的100Cr6軸承鋼為材料。當行星滾柱絲杠運行溫度高于180℃或者用于高磨損場合時，100Cr6 軸承鋼也可被用作絲杠材料。德國Bosch Rexroth 絲杠材料采用高品質、經熱處理鋼，高碳鉻合金鋼或滲碳鋼。絲杠和螺母的洛氏硬度通常大于HRC 58，絲杠兩端不做硬化處理。

行星滾柱絲杠屬于精密傳動零部件，國內目前行星滾柱絲杠加工制造設備主要有兩類采用滾珠絲杠制造設備或者研發專用制造設備，加工精度基本可以達到G5 級精度。另外，工藝流程和質量保證也對行星滾柱絲杠的產品性能也有較大的影響，特別是生產人員對工藝流程的掌握及其質保意識決定了產品質量。由于行星滾柱絲杠加工制造工藝較為復雜，若生產人員缺少質保意識且工藝掌握較差，容易導致行星滾柱絲杠加工周期過長，且產品精度不能滿足要求。為了確保產品性能，國外廠商對產品安裝、保存、拆卸等過程都做了詳細的建議。例如瑞典SKF 建議安裝過程中避免用手直接接觸產品，避免對軸承鋼造成腐蝕；存放時環境溫度保持在-10～50℃等。德國Bosch Rexroth 安裝過程中要求緊固力矩設定遵照VDI 2230 和 DIN ISO 898。

2 產品產業化總結和發展建議

國外行星滾柱絲杠產品已經在軍工裝備、汽車自動化產線、大型機床、電動執行器等產品領域獲得規模商業化應用。國內行星滾柱絲杠廠商受加工設備、加工工藝、材料和熱處理工藝、測試設備、產業工人等因素的制約導致產品無法實現規模化地商業推廣和應用。但在替代國外進口產品以及未來全電動裝備發展，例如，全電動注塑機等，行星滾柱絲杠存在著巨大的市場應用前景。為了推動行星滾柱絲杠產品產業化應用，建議：（1）加大小導程、高精度加工制造機械的研發投入；并加強產業工人培養；（2）產品研發增強企業和研發機構的聯系，充分利用研發機構產品開發和測試平臺，以及企業的制造能力；（3）加強產品材料和熱處理工藝攻關，特別是在核電、軍工等應用領域；（4）加強產品性能測試平臺建設，特別是在滿足核電、軍工等特殊應用領域的測試要求。

3 結語

由于行星滾柱絲杠副具有承載能力強、速度快、精度高、壽命長等特點，在航空機械、大型機床、重型軍用裝備等具有較大的應用潛力。國外行星滾柱絲杠產品已經實現成熟商業化和規模化應用。國內現階段受行星滾柱絲杠副加工設備、加工工藝與測試手段等方面的限制，還未形成規模化的應用，因此建議加大對產品加工機械研發投入、增強產品研發合作、攻克材料和熱處理關鍵工藝、培養產業工人等。