本文作者黄祖尧先生，系中国机床工具协会滚动功能部件分会高级顾问、北京机床研究所教授级高工，享受国务院特殊津贴专家
重工业化是发展的动力
上世纪中叶西方国家重工业迅猛发展，钢铁冶金工业、航空航太、重型军事装备、大飞机大船、大型发电设备、第一代核电站等，催生了一批大（重）型数控机床及大型、重载滚珠丝杠副产品。
例如：早期英国Coventry公司研制的直径203mm长1.83m（内装500个Ф15.075mm钢球）的重载滚珠丝杠副，能承受200吨载荷，用於炼钢设备；直径102mm长约11m用於核电站的耐热大型滚珠丝杠副。美国Beaver公司研制的直径127mm长12.5m的产品，则在大型雷达自动跟踪定位系统中大显身手。日本NSK公司也成功推出多款该类产品：用於超大型数控龙门铣床的滚珠丝杠副，直径140mm长15m、导程32mm。而直径300mm长16m自重达9.5吨的“巨无霸”滚珠丝杠产品，创世界之最。为了降低惯性力矩，NSK还曾推出滚珠蜗母条(Ball Rack)，并成功应用於超长行程的重型装备。
图1 大型、重载滚动功能部件成为CIMT 2007、2009两届展会的亮点
进入21世纪，中国装备制造业的重工业化出现了快速发展的态势，这从最近几届的中国国际机床展会（CIMT）上便能看出，参展的大（重）型CNC机床以及大型、重载、超长滚动功能部件产品一届比一届更多，更有新意。以今年4月的CIMT 2009展会为例，滚动功能部件参展商中海外13家、大陆7家，他们都竞相推出大型、重载、超长产品，成为数控机床关键功能部件展品中十分引人注目的亮点。
汉江机床有限公司利用自行开发的SK7450×10m超长CNC丝杠磨床，整体精磨出10m精密滚珠丝杠副；南京艺工和博特精工都引进了德国Leistritz公司最新的pw300HP型8m CNC旋风铣床，硬精铣出整体8m以上的大型滚珠丝杠副（如图1）；南京艺工、凯特精工、汉江机床公司、博特精工、大连高金均推出高刚度重载滚柱直线导轨副；博特精工还推出了用於冶金设备和军工装备的行星式滚柱丝杠副；台湾HIWIN公司则推出了高刚度重载交叉滚柱丝杠副，等等。
笔者认为：大型、重载、精密、高速这类高端产品在全球金融危机的大环境中，将成为近期带动中国滚动功能部件产业走出低谷、继续向前发展的主导产品。
重在基础、勇於创新
基於“Hertz”弹性接触应力理论，滚动功能部件在高负荷下运行时，其弹性接触应力非常大。为了减小重载下的弹性变形，增加运行可靠性并延长工作寿命，笔者特综合分析国外相关文献资料，从产品结构、主参数优化、驱动方式以及制造技术（含材料）等方面对相关关键技术进行剖析，供读者参考。
1. 产品结构和基本参数的优化
① 基本参数的优化
影响承载能力、轴向刚度和工作寿命的基本参数包括：节圆直径Dpw、滚珠直径Dw、每个循环圈内承载滚珠数Z1、滚道接触角α、滚道曲率的适应度fr、导程Ph及导程角φ。根据大型、重载滚珠丝杠副的工况特徵，笔者分析比较了这些基本参数对产品性能的影响，并提出了其推荐值（见表1）。表1 基本参数对产品性能的影响（注：其中推荐值仅供参考）
 从对表1的分析可以发现以下三点：
(1)虽然，增加Dpw可带来表中列出的许多好处，还可使临界转速增大，抗拉、抗扭强度增强，但是，基於绿色设计和制造的理念，为降低驱动力矩，节约能源和原材料，笔者认为宜首先优化其他参数来满足主机的要求。这样做，可以使在承载能力相同的情况下丝杠直径、螺母外径缩小大约20~30％。
(2)适应度fr(Conformity)是以滚动摩擦为特徵的滚动功能部件产品十分重要的参数，fr=r/Dw(r为滚道半径)。设计人员常发现：同规格的产品，不同制造厂产品样本中的Ca、Coa值不同，其中一个重要原因便在於fr的取值不同：fr愈小，加工、装配的难度也就愈大。
(3)提高承载能力始终是重载滚珠丝杠追求的目标，但是在对Dw和φ(ph)进行选择时，与高速丝杠恰恰相反，Dw宜选大，除非对进给速度有一定要求，一般φ宜小。
表2列出了对於同一规格的大型滚珠丝杠副，国内外各企业因选择不同的Dw（圈数也不同），呈现出Coa的明显差异。因为Dw加大使每个滚动体的承载面积加大，可有效减小高负荷下的弹性变形。表2 各企业选择不同的Dw所呈现出的Coa数值
 ② 对重载产品实施“均载设计”
所谓“均载设计”的概念，就是让外加载荷“平均”分摊到每个受载滚动体，实现“无零载”、“无过载”的等负载传动。为此，可采取以下措施：
(1)因为在通常情况下，滚珠在滚珠螺母体内沿轴向负载分布是不均匀的，在螺母组件优化设计时应合理排列反向机构在螺母上的位置，此外在丝杠—螺母安装设计时，确定丝杠和螺母的受力方向使两者伸缩变形方向一致以达到均化载荷的目的。日本NSK公司用於电动注塑机的HTF系列高负荷滚珠丝杠副，就是均载设计的成功范例（见表2）。
(2)在对丝杠、螺母的滚道进行精加工时，要求内外螺纹导程误差的大小和走向一致。对於双头、多头螺纹，精磨内外螺纹时需严格控制各螺纹头数之间的“分度误差”。
(3)通过严格筛选，使一个螺母（或滑块）内的滚珠或滚柱，其直径公差的一致性达到最佳化，因为“批直径变动量”超过允许值，将会导致局部“零载”和“过载”。
③ 对“返向机构”进行“顺畅性”优化设计
在滚动功能部件产品中，“返向机构”是直接影响产品性能的核心元件，无论是“体内”或“体外”循环返向，其基本要求是：滚动体循环返向必须灵活顺畅；能承受冲击载荷，在恶劣工况下运行可靠；循环返向的次数宜少不宜多；在滚珠螺母体内安装十分牢固；尺寸精度具有较高的互换性。
基於这些要求，在重载、高速滚珠丝杠副中，近年来流行以下两种新结构：
顺流强力型体外循环结构：三维导珠管顺内螺纹滚道的螺旋线方向与之相切，实现滚动体平滑顺流返向，或者虽不相切但具有最佳的反向角。而高强度材质和厚璧的导珠管具有很强的抗冲击能力。
图2 用於重载和高速滚珠丝杠副的MIM返向器（北科大）
端部导流型体内循环结构：采用三维CAD软件对反向通道进行优化设计，使反向孔通道与内螺纹滚道精确对接，而滚动体在反向通道中的运动十分平滑顺畅。直接嵌入滚珠螺母螺纹两端的“端塞式”反向块，安装牢固、刚度好、强度高、结构十分紧凑(图2)。
2.“滚动体”的创新派生出三类高刚度重载产品
同样基於“Hertz弹性接触应力理论”，作为承受载荷的载体，“滚动体”的结构也在不断变化创新，以适应高载、高速、高顺畅性的要求。“滚动体”从“滚珠”到“滚柱”，再从“一般滚柱”发展为“球形短滚柱”、“特殊母线滚柱”、“行星式滚柱”等新型滚动体，由此派生出三类新产品。
① 滚柱直线导轨副
与滚珠直线导轨比较，滚柱直线导轨的滚柱增大了承载面积，使承载能力、接触刚度和工作寿命大幅度提高（如图3）。近年中国南京艺工、汉江机床、凯特精机、博特精工、大连高金都先後推出滚柱直线导轨系列产品。
图3 滚珠直线导轨副（剖视图）
表3是南京艺工的相同规格（85）两种导轨承载能力的对比。在对导轨和滑块元件的优化设计中都采用有限元建模分析受力和变形，从而选定最佳截形并设定最佳预紧力。
在对滚柱的“凸度设计”中采用“对数母线型滚柱”可有效消除“边缘效应”，使接触压力集中系数趋“零”，当滚柱受到偏置载荷时，压力分布更均匀，从而提高滚柱的流畅性，延长使用寿命。在以滚柱为滚动体的滚动功能部件中（包括滚柱丝杠、滚柱轴承等），“凸度技术”正日益受到关注。海外批量生产滚柱直线导轨副的知名企业有THK、NSK、INA、Rexroth、Thomson、HIWIN等公司。
② 交叉滚柱丝杠副
此类产品，早年法国“Machines outils”公司曾试制过。日本THK在EMO 2003展会上推出了外插管式交叉滚珠丝杠副，直径从Ф50~120，导程20mm。
中国台湾HIWIN公司大约在2006年研制成功同类产品，2008年、2009年相继在东京JIMTOF展会和北京CIMT 2009展会上展出（如图4），据该公司试验表明：在相同外力作用下，滚柱产生的接触应力约为滚珠的1/2，最大弹性变形为滚珠的1/3，其接触刚度可提高3倍。它与滚柱直线导轨副的区别在於，受结构的限制其滚柱的长度较短并交叉排列。据介绍，这种产品已用於全电动注塑机、重载CNC压力机、龙门式加工中心等主机上。
图4 交叉滚柱丝杠副（HIWIN产品透视图）
③ 行星滚柱丝杠副
图5为行星滚柱丝杠副产品的剖视图。基於内部结构、运动机理和受力状态的差异，行星滚柱丝杠副具有以下特点：
（1）高刚度、高承载能力，比同规格滚珠丝杠副高出3倍以上（最高超过10倍）。
（2）承受冲击载荷的能力很强，工作可靠，使用寿命长。
图5 行星滚柱丝杠副（SKF产品剖视图）
（3）避开了返向装置对DN值的制约，在导程很小的情况下实现高速驱动，DN≥14万，Vmax≥60m/min，角加速度7, 000r/s2，振动小、噪音低。
（4）丝杠轴是小导程角的非圆孤螺纹，有利於达到较高的导程精度，可实现精密微进给。
（5）一体化的螺母组件很容易从丝杠轴分离，滚动体及相关零件不会散落，便於安装维修。
（6）对恶劣环境（低温、粉尘、化学沈积、无润滑等）的适应能力较强。
笔者对行星滚柱丝杠副和滚珠丝杠副的运动机理和受力状态所做的分析比较，参见表4。表4 行星滚柱丝杠副和滚珠丝杠副的运动机理和受力状态的对比
 目前能够生产行星滚柱丝杠副的国外企业有：INA（德）、SKF、LSI（美）、Rollvis（瑞）、Transrl（法）、Vcs. SPA（意）等，国内则尚处於研制和单件生产阶段。
根据这种产品的特点，它主要被用於航空母舰、核潜艇、核电站、重型军事装备、冶金设备、重型数控机床等需要重载和高可靠性要求的场合。
3. 滚珠丝杠副的驱动方式日趋多样化
适应主机超长行程、重载、高速的需求，滚珠丝杠副的驱动方式从传统的“丝杠旋转主驱动”发展为“螺母旋转主驱动”，从“单一驱动”到“双驱动、多驱动”，对“旋转”与“直线”两大运动方式进行优化组合与叠加，使产品功能进一步得到延伸与扩展。
螺母旋转主驱动有两大类共三种：
① 机械传动型
AC电机通过无隙齿带或定时滑轮驱动滚珠螺母旋转，在固定不动的丝杠反推力作用下带动工作台轴向运动（图6）。NSK、Korta、BLIS、LSI、HIWIN、汉江机床、博特精工、优励聂夫等公司在大型、超长滚珠丝杠副都先後推出新产品，并成为今年北京CIMT 2009展会的新亮点，引起业内人士的高度关注。
② 机电一体化直驱型（包括两种）：
第一种：一个空心AC电机的转子与一个滚珠螺母刚性联结，直接驱动螺母旋转，使丝杠产生轴向运动。德国INA、Rexroth、日本THK都生产这类产品，用於并联机床。对於长丝杠，则丝杠固定，螺母一边旋转一边带动工作台做直线运动。
图6 滚珠螺母主驱动结构用於大型超长滚珠丝杠副
第二种：德国AMK Arnold Mueller驱动技术公司推出“SPINDASYN”驱动装置，在一根分别有左旋和右旋螺纹的丝杠上，分别配有左旋和右旋滚珠螺母，并由两个空心AC电机串联组成，而转子与螺母刚性联结。通过同时改变AC电机的转数和旋转方向，使旋转运动与直线运动叠加组合。
在大型、超长滚珠丝杠副中，滚珠螺母旋转主驱动具有以下特点：
（1）因丝杠固定不动，避免了大型丝杠旋转时产生的振动和噪音，大大改善了伺服进给系统的动态特性。
（2）转动惯量小，节省能源。
（3）因避开了丝杠旋转时两端支承方式和间距对临界转速Nc的制约，Nc值可更高，有利於高速驱动。
（4）支承旋转螺母的轴承远远大於支承丝杠的轴承，轴向支承刚度更高。
（5）可扩展主机功能，完成一轴多驱动。
（6）安装调试较方便。
无论1型或2型，在滚珠螺母外圆上都要加工出径向止推轴承的内滚道，并要求与内螺纹滚道有很高的同轴度。为避免因质量偏心引起的振动，螺母体在圆周方向质量应当均匀，需进行动平衡。
据了解，国内不少重型、超长的CNC机床，例如：CNC大型动梁双座标落地镗床、CNC大型龙门镗铣床、SK7450×10mCNC超长丝杠磨床、CNC水刀切割机、CNC镭射加工机等都已成功地采用了这一新的驱动产品。
滚珠螺母主驱动比之直线电机，驱动动率更大、更节能、成本低；比之曾长期用於重型机床的齿轮－齿条传动，它的传动效率更高、运动流畅平稳、噪声小；比之NSK早期的“滚珠蜗母条”，它的结构较为简单，制造、装配、调试亦颇为方便。
笔者分析认为：在长行程、重载、高速领域，滚珠螺母主驱动型是结构先进的、具推广价值的绿色产品，有较大市场潜力。
4. 大型、重载滚动功能部件制造技术的特点
大型、重载滚动功能部件应归属“极端制造（Extreme manufacturing）”领域，针对其产品结构、功能特徵、对产品性能（特别是“疲劳寿命”，“可靠性”）和生产效率的要求，在常规制造技术的基础上，可采取以下工艺措施。
① 采用超长行程的高档专用数控机床
例如，可采用如下机床：整体长丝杠精加工采用目前世界上最长的SK7450×100（10米）CNC丝杠磨床（汉江公司）、SK 7450×9000 9米CNC丝杠磨床（安阳盛鑫）、5米CNC丝杠磨床（德国）、PW160（4米、6米）、PW300HP（8米）旋风硬铣床（Leistritz）、HJO92型8米CNC旋风铣床（汉江机床）等。
长导轨精磨则可采用德国和义大利的6米CNC导轨磨床，以及杭州机床厂与德国aba Z&b公司合作生产的HZ-078CNC长行程滚动直线导轨磨床等。
大、长丝杠的精加工从早期的“拼接工艺”发展到现今的“整体一次精磨”和“硬旋铣一次过成形”，是螺纹制造技术的重大突破。而无论是精磨成硬旋铣，长丝杠加工的关键是：导程精度和全长上中径尺寸的一致性、滚道齿形精度和表面粗糙度及其在全长上的一致性。其核心是砂轮和刀片的材质和品质；乾涉修正技术；刀片刃磨技术；误差补偿技术。前面所谈到的关於滚道参数的优化设计，便是通过这些工艺措施落实到产品中的。
② 滚珠丝杠螺纹的精密冷轧成型
这项成型技术是21世纪高效、无屑、绿色的制造技术，乃当今世界上螺纹制造技术的发展趋势之一。由於轧制後的滚道表面质量优良，抗疲劳强度、机械强度都优於金属切削加工後的表面，尤其是得益於导程精度的线性误差、中径尺寸和齿型误差的一致性，可在大型、重载滚珠丝杠中发挥其独特优势。
国外不少知名企业（如NSK、Rexroth、Thomson、BLIS、Korta等），在采用精密螺纹磨削和硬旋铣的同时，也采取精密冷轧成型技术制造6米以下、直径80以下的大型重载滚珠丝杠。
③采用多功能复合机床
通过采用多功能复合机床，可有效提高滚珠螺母的制造精度。
例如：SKR7620型六轴三联动CNC内螺纹磨削中心（汉江）、CNC6950大型螺母磨床（英Matrix）、SMK204型四轴滚珠螺母磨削中心（广州敏嘉）、HF-204型车铣复合加工中心（广州敏嘉）、CNC内螺纹旋风铣床（德国Leistritz）等，其核心技术正是：内螺纹滚道的齿形精度和表面粗糙度；返向装置安装基面与内滚道的对中精度；内滚道与螺母安装基面的相对位置精度；内滚道与螺母外径上的轴承滚道的同轴度（螺母旋转型）等。
④ 材料和热处理
必须高度重视材料和热处理环节，因为会对超长、重载滚珠丝杠产品的承载能力和寿命产生重大影响。国外不少企业在研发新的钢种，例如：NSK研发EP钢，专用於高强度、高刚度的场合。
国务院关於装备制造业的三年振兴规划中，将“机床滚珠丝杠和滚动直线导轨专用钢材”的研制纳入“特种原材料”规划专案，无疑相当必要。
在大型CNC中频淬火机上对滚道实施硬化处理时，应严格控制硬度、硬化层深度、硬化层在全长上的均匀度。但也并不是硬度愈高愈好，更不允许出现“软带”和“裂纹”。根据用户需要还可进行滚道表面的“改性处理”和防锈处理。
⑤ MIM金属粉末注射成形技术
该项技术成功用於返向机构复杂零件的制造。具有卓越成形能力和优良材料性能的MIM技术，当被用来制造导珠管时，更具独特优点；导珠管各区段的孔径相同，内孔平滑，提高了反向的流畅性；可随心所欲地加厚管壁，使抗冲击能力和寿命大幅度提高；亦能制造3D型导珠管。
MIM技术作为精密零件近净成形绿色制造技术，给中国返向器的设计和制造带来了创新性突破。如果说，当年低成本的工程塑料返向器曾为大批民营企业重复生产中低档产品绕过了技术“雷区”，那麽，MIM技术则为高档（大型、重载、精密、高速）滚动功能部件的发展创造了十分有利的条件。据了解在中国，MIM技术用於滚动功能部件产品在国际上也处於先进水平。
⑥ 对滚道表面的精密抛光
对滚道表面的精密抛光有利於改善工作区的承载能力和接触刚度。但并不是抛得愈光滑愈好，因为表面太精细又会影响工作面润滑油膜的形成。
⑦ 产品装配中的特别注意事项
首先要选用高强度、高精度的滚动体，在装配过程中严格筛选确保在每个螺母（或滑块）中滚动体尺寸的一致性。
其次，为避免产品使用初期“预加负荷”和“定位精度”的早期丧失，装配後要进行充分的“加载跑合”，以提高产品的“初始接触刚度”。
基於大型重载滚动功能部件产品的独特特点，其制造也与一般产品有重大差异，在专业生产厂中都设有专门的生产线来完成其制造。此外，为了控制产品质量，都需要配备大型、专用的检测仪器。例如，10米镭射丝杠动态测量仪、10米动态空载预紧转矩测量仪、大型投影仪等等。
大有机遇，大有作为，以质取胜
中国装备制造业正处在转型升级阶段，国务院在关於振兴装备制造业的三年规划中，更是将基础零部件和关键功能部件提升到与整机同步并行发展的重要位置，并优先安排数控系统、直线电机、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副等关键功能部件的开发和产业化。
可以说，中国重工业的发展和大型工程的启动为大型、重载滚动功能部件产品的发展提供了前所未有的难得机遇。但是，“机遇在成功与无为之间翩跹，稍纵即逝”，把握住机遇是成功的第一步。
应该看到，实现中国大型、重载滚动功能部件的产业化已经拥有了较好的基础，自主装备的能力颇强，行业中的一些精英企业也已经拥有一批“镇业之宝”，在硬体设施、制造成本、性价比等方面具备一定的“比较优势”，这是中国民族工业的强项。
实践已证明：在引进国外先进技术和装备的同时，不盲目迷信、不依赖洋设备，用国产装备照样能造出大型、超长、重载滚动功能部件的高档产品。相信正在实施的《高档数控机床与基础制造装备》科技重大专项中，“大型、高效、精密数控螺纹加工设备”和“大型滚动直线导轨精密曲面成形数控磨床”两个项目的实施，必将使中国的大型、重载滚动功能部件产业化迈上一个新台阶。
需要强调的是，在“极端制造”这个领域，更需要在基础理论、基础材料、基础性能试验这个层面上去探索产品设计和制造技术的创新亮点，掌握核心技术。前文所提到的参数优化问题，也需要通过自己的性能对比试验，方能作为进一步优化的科学依据。有了硬实力再提升软实力，替代进口、实现国产化指日可待。
无疑，大型、重载滚动功能部件在大（重）型CNC机床和大（重）型工程装备中是十分关键的部件，它的功能、精度、性能、质量，可靠性将对主机产生重大影响并决定着主机的发展深度。正因为此，必须从材料和热处理入手，下苦功将承载能力、疲劳寿命、工作的可靠性、精度的保持性等用户最关心的问题解决好，让用户放心使用。
笔者坚信：中国品牌的大型、超长、重载滚动功能部件通过拼性能、拼质量、拼可靠性，在“以质取胜”的发展历程中会尽快“牛”起来，在迎接新中国成立六十周年之际，用“替代进口，实现国产化，产业化”为国争光，为民族争气。(end)
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