用绿色制造提升滚动功能部件的规模化专业生产水平

黄祖尧

滚动功能部件属于专业化大批量生产的产品，而衡量专业化水平的重要标志是:Q（产品优质，性能可靠）、T（短周期）、C（低能耗、低物耗、低成本）、S（优质服务）、E（绿色环保）。新时期向高端冲刺、全面提升规模化专业生产水平的重要途径是绿色制造（GM）和智能制造（IM）。绿色制造所追求的目标是资源利用的最大化，废弃物排放、对环境的负面影响最小化。

我国滚动功能部件产业与国外的差距，一方面表现在产品内在性能和可靠性不如海外知名企业的名牌产品，另一方面国内多数制造企业在生产过程中生产效率不高、能耗大、资源综合利用率低、对环境污染重视不够，绿色制造水平较低，而这第二个差距又常常被忽视。近年，在产品创新、工艺创新、技改和装备更新方面已开始向绿色生态制造方向迈进，这是可喜的发展动向。下面就影响和推动产业发展的若干绿色制造技术进行探讨。

1 高速硬切削技术

硬态干切削的核心是在高速切削状态下的金属的软化效应。在高刚度的精密CNC车床上采用CBN、PCBN刀具对滚珠丝杠和螺母（GCr15、HRc60±2）实施高速硬切削，金属去除率是磨削的3～4倍，使生产效率大幅提高，并降低能耗，减少粗磨螺纹对环境的污染（噪声、粉尘）。对于长丝杠，还避免了传统老工艺（软车螺纹——淬火——粗磨螺纹）因淬火过程中的变形导致硬化层不均布的缺陷。

汉江机床公司、北京精密天工公司、上海莱恩精密机床附件公司等企业已在生产中部分采用这一新工艺。云南CY集团在CCMT2012（南京）展会上推出具有高速硬车削功能的Cylinder 40系列高刚度全闭环CNC车床，该机床采用静压导轨，主轴最高转速可达5 000 r/min，用PCBN刀具硬车削滚珠丝杠，表面粗糙度Ra0.4 μm，刀具寿命提高20%。

广州敏嘉制造技术公司最新推出针对大导程滚珠螺母加工的CGK300型滚珠螺母超精密硬车削CNC机床（见图1）。该机床采用花岗石床身，特制高刚度刀杆，15 kW静压电主轴，直线电动机驱动，对淬硬的大导程滚珠螺母一次安装完成外圆、内孔、端面和内螺纹滚道的精加工，而螺纹滚道是采用展成原理硬切削。因速度快，每次进刀量小，在反向孔部位因断续切削对刀具寿命的影响较小，螺母反向孔与滚道的对中精度可达0.02 mm，表面粗糙度Ra0.8 μm，导程精度很高。这是一台全新概念的绿色复合加工机床，它解决了用传统磨削工艺产生齿形干涉的难题。该产品正在进行工艺试验，调试完善之后将投放市场。之前，德国BLIS公司在Hembrag超精车床上采用PCBN刀具高速硬车削滚珠螺母，达到以车代磨的效果，除提高生产效率外，成本下降40% ～60%。

2 CNC硬旋风铣技术和装备——螺纹制造技术的绿色革命

作为铣削的一种特殊的方式，旋风铣已有几十年的历史，但只有当旋铣技术由“软铣”迈向“硬铣”才出现创造性的突破。高速硬切削的理论基础是建立在德国切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）等知名学者的理论和试验基础上的，而CBN、PCBN刀具的诞生和发展为推广应用创造了条件。可见基础对于创新何等重要。

高速硬旋铣技术切削力小、工件温升小，热变形小，切屑方便回收，省去了对环境污染的切削液，单位时间金属切除率是常规切削方式的3～6倍，生产效率很高。新一代精密CNC旋风硬铣装备加工精度可达P2～P3级，表面粗糙度Ra0.4 μm。这是螺纹制造领域典型的高能效、低耗、低排放的绿色制造技术，给规模化专业生产大型、超长、重载滚珠丝杠带来一场工艺革命。全球一大批专业厂纷纷采用硬旋铣技术和装备。我国南京工艺装备公司率先从德国引进Leistritz硬旋铣技术和新一代的CNC装备，之后山东博特精工、大连高金等都相继引进，而汉江机床公司则自主研发成功HJ09Z型6 m、8 m CNC旋风铣机床。“硬旋风”将助推使我国的大型、超长、重载滚珠丝杠副迅速实现国产化，部分替代进口。

我国在“十二五”科技重大专项中已将10 m、12 m CNC旋风硬铣技术和装备的研制纳入攻关项目。南京彩云机械电子公司与高校合作已制成功CNC五轴四联动新一代旋风铣床。笔者坚信，不久的将来我们将摆脱对国外的依赖，我国自主研发的硬旋铣成套技术和装备将在神州大地开花结果，推动滚动功能部件产业做精做强。

目前，CBN、PCBN刀具的质量和价格以及高精度成型刀的刃磨、修复技术仍是高速硬车削、硬旋铣推广应用的瓶颈，亟待解决。

3 无屑、快速一次成型技术正在兴起和发展

滚珠丝杠的冷滚轧成形是建立在金属塑性变形理论基础上的绿色制造技术，从上世纪90年代开始在精密滚轧技术HPR（High Precichion Rolling）的推动下，高刚度数控精密滚轧机的智能化水平得到提升，先后由德国（PROFIROLL）和美国（KINEFAC）推出新一代的高档滚轧机，使RBS（冷轧滚珠丝杠）的精度稳定达到P5级，部分达到P3级。RBS由量变到质变，颠覆了“非磨无以成器”的传统制造理念，于是P5～P3级的精密RBS悄然进入闭环和半闭环CNC机床和自动化工业装备领域，就是顺理成章的事情了。

精密RBS的特点是:①材料利用率高达80% ～90%，比切削加工方法省15% ～20%的优质钢材;②在强大滚压力作用下金属工作层的组织更加致密，滚道表面疲劳寿命提高20% ～40%;③滚道表面粗糙度Ra0.5 μm，无磨削缺陷;④导程精度的误差离散度小，曲线平滑，便于CNC补偿;⑤同一批产品有较高的一致性（包括:导程精度、齿形精度、中径尺寸及圆柱度等）;⑥生产效率比磨削高出几十倍，生产周期短;⑦能效高，对环境污染小。

RBS是用高效绿色制造技术生产的高能效绿色环保产品。据了解，全球专业生产滚珠丝杠的企业中，大约有30多家企业在其生产线中配备了冷滚轧全套装备。我国从上世纪80年代后期开始约有5～6家民营企业先后购进德国、韩国和中国台湾的滚轧机，批量生产中低档RBS、RTS产品，例如:宁波滚石、浙江新亿特、浙江得力亚、福建长青、北京高尔顿等。

在RBS的发展过程中有一个值得深思的现象:上世纪80年代，当我国西部专门从事RBS和冷轧研究的“冷轧技术研究所”消失的时候，西方却推出了一代又一代的精密CNC智能型滚轧机;上世纪90年代，当我国众多专业厂以增加螺纹磨床来扩大再生产，少数企业甚至以拥有螺纹磨床数量之多而沾沾自喜的时候，德国Rexroth公司看到精密RBS的市场潜力，果断调整产品结构，集中主力生产RBS，使其产量上升到总产量的80%左右，而磨削BS下降至20%左右。这说明我们的绿色科技理念、低碳意识淡薄，在采用先进高效制造技术提高工艺水平方面跟不上时代的发展，与海外存在较大差距。

当然，我们在无屑和快速一次成型技术方面也并非无所作为，现在，滚动直线导轨副的导轨体和滑块已普遍采用冷拉成形工艺制造精胚，甚至将圆弧滚道也一次初拉成初型。大直径和带法兰的滚珠螺母的精胚采用精密（模）锻，不但降低材耗，还改善金属内部金相结构，提高机械强度和疲劳寿命。

4 MIM技术让“返向装置”旧貌换新颜

“返向装置”是滚动功能部件中的核心组件，它的结构、参数、制造工艺、加工质量都对实现周而复始的“返向功能”及产品的流畅性、摩擦特性、速度特性产生十分重要的影响，在高速、重载工况下更是产品可靠性的关键环节。

所谓MIM（Metal Injection Molding），是将金属微粉（8～20 μm）与其粘结剂的增塑混合料经混炼后注射于模具中，再经过脱脂、烧结的成形方法。在装备制造业中，MIM是当今最热门的中、小精密零件一次近净成形的绿色制造技术。MIM技术与传统成形工艺的比较见表1。

从表中的对比可以看出，返向装置采用MIM技术与传统的加工方法对比，具有以下优点:细密均匀的显微组织提高了返向通道的耐磨性和抗冲击能力;返向器零件的尺寸精度可控制在±0.3% ～±0.5%，同批零件具有较高的尺寸一致性;返向通道的表面粗糙度可达Ra3.2 μm;金属粉混料可反复利用，接近零材耗。

表1 MIM技术与传统成形工艺的比较表

对于导珠管型的反向装置，MIM更具独特优势;MIM能使管孔各区段的孔径一致，避免了传统弯管工艺在拐弯处的不圆误差对流畅性的影响;导珠管的管壁厚和管舌均可按需要增厚（这是弯管工艺难于做到的），从而提高了用于重载、高速产品的使用寿命和可靠性;管孔内壁平滑，表面粗糙度Ra值远远低于弯管工艺;容易实现3D导珠管的一次注射成形。

MIM作为21世纪的先进制造技术，为“返向装置”结构和参数的3D优化设计创造了有利条件，MIM技术让用于高档滚动功能部件的“返向装置”旧貌换新颜，让高精度、高速度、重载滚动功能部件熠熠生辉。

据了解，我国是最早将MIM技术引入滚动功能部件（线性传动）产业的少数国家之一，处于国际先进水平。

比之工程塑料返向器，目前用不锈钢微粉制造MIM返向器，工艺难度依然较大，成本较高，这是制约大面积推广应用的重要原因。还需要提高二次配套的专业化生产水平。

5 滚道表面的光整加工技术

滚道表面经过常规精加工后，其表面质量（包括:粗糙度、纹理、微细毛刺、表层的金相组织和残余应力等）都会对产品使用性能产生直接影响。对于承受交变载荷的滚动功能部件，进一步降低表面粗糙度、提高表面质量、改善滚动摩擦特性、降低噪声、使疲劳强度提高30% ～40%。对于高性能（高精、高速、高可靠性）的滚动功能部件，在精磨之后再实施超精研抛是十分必要的。

虽然光整加工的方法很多，但笔者一直认为，基于都具有滚动摩擦物理特性的共同“基因”，借鉴轴承工业在这方面的成熟技术是最佳的选择，因为国内外的知名轴承企业对解决高精度、高性能轴承滚道超精加工技术和装备已有一套完整的解决方案，把这套技术移植过来，就可收到立竿见影、事半功倍的效果。

笔者曾应邀到上海莱必泰（RABBIT）公司（以生产轴承专机和自动线著称）参访时，了解其下属的上海莱恩（LAIEN）公司（与日本NTN合资），在精密滚珠丝杠生产线上就配置了自行研制的“滚珠丝杠螺纹滚道超精研机床”，在精磨螺纹后用特制的油石对滚道面施加一定压力，沿螺纹滚道进行震荡式仿形超精加工，可使表面粗糙度达到Ra≤0.2～0.4 μm。据了解，汉江机床公司和瑞安特等也在开展表面光整加工技术的研究。

笔者认为:我国在“十二五”及今后数控机床科技重大专项攻关中，针对用于纳米级的高动态特性、超高精度CNC机床等的市场需求，研究P0级以上的滚珠丝杠和滚珠螺母滚道、最佳的光整加工方法和机理、研制内外螺纹滚道CNC光整加工装备和成套技术，是很有必要的。

6 表面改质技术——高性能滚动功能部件的新工艺途径

德国亚琛摩擦学协会的研究指出:摩擦和磨损所造成的经济损失约占发达国家每年GNP的5%。因此，研发摩擦优化技术及材料十分必要。滚动功能部件进行表面改质处理是通过改变滚道面的化学成份、组织结构和应力状态，达到降低摩擦系数，改善动态特性，提高抗疲劳、磨耗和腐蚀的能力，延长使用寿命的目的。

近年兴起的表面纳米化和纳米复合涂层技术是表面改质技术发展中的新亮点。在提高表面力学性能和化学性能的同时，因纳米层与金属基体层呈梯度渐变，不损害基体材料的韧性和机械强度（但是，盲目孤立追求高硬度并不可取，它往往会带来摩擦副偶件磨损加快，寿命下降等问题）。

有关试验表明:等离子喷涂纳米FeS涂层、含量为3．1% 的纳米颗粒的纳米涂层，它与普通GCr15轴承钢比较，其摩擦系数大幅减小，减摩、耐腐、抗疲劳效果明显。

关于表面改质技术，在轴承工业中早有应用，但在我国滚动功能部件产业中尚未推广应用，而在国外同行中已有成功应用的实例，例如:NSK公司早就研制出DS改质钢球，在用高纯度ESI钢制造的钢球球外表面上，增加Fe、Cr、Ni化合物涂层，使DS钢球的回转精度、耐冲击性、寿命大幅提高。

西班牙Korta Group在高速精密滚珠丝杠副的研制中，对滚珠螺母的螺纹内滚道采用代号为NTG的表面改质技术取得明显效果，见图2的性能测试对比。图2中的对比试验是采用以下的组合方式:［NTG滚珠螺母+Steel/Si3N4钢球与陶瓷球混装的滚珠链］

从图中可以看出:表面改质技术搭配混装滚珠链大大提升了高速滚珠丝杠副的速度特性，使DN值达22万，并获得低噪声、预紧转矩波动小、低振动、低发热、低磨耗、低油耗的明显效果。

笔者认为:Korta Group对精密高速滚珠丝杠副所采取的措施，是值得借鉴的绿色制造技术。

7 滚动功能部件的绿色热处理

热处理车间是企业的能耗大户。据统计，传统热处理的能耗费用约占总费用的60%～80%。新时期，绿色热处理技术正朝着精密（微变形、尺寸稳定）、节能、清洁（把废水、废气、废渣、粉尘、噪声降到最小）以及高能效方向发展。

（1）高效、节能的CNC中频感应淬火

通过大密度能量快速加热、快速冷却，促使金属中奥氏体组织加快转变，使淬火表面达到所需硬度和细小隐晶马氏体。它比整体盐炉淬火节电40% ～50%，比“渗碳”和“碳氮共渗”节电80%以上，是十余种热处理方法中能耗比最低、对环境的负面影响较小的淬火技术。

在我国滚动功能部件产业中已广泛采用这种大约有100年历史的高效节能感应装备。南京工艺装备公司最早从德国AEG公司引进CNC中频淬火技术（包括特殊的淬火液）和成套装备（图3）。之后，北京机床研究所、山东济宁丝杠厂（博特精工前身）、汉江机床公司等相继研制成功CNC中频淬火机并在批量生产中发挥重要作用。近年博特精工、大连高金也引进了国外的CNC中频淬火技术和设备。北京PCA公司、广东凯特精机等，为满足不同产品的要求，扩大频率范围，来用超音频感应淬火技术，有助于减少变形，提高感应淬火质量。

新一代的CNC中频感应淬火装备采用高效节能的新型加热设备;淬火机床采用滚珠丝杠传动、CNC控制技术;环保淬火液的过滤、降温控制系统;以及3D优化设计的感应器等新技术的有机结合，使滚珠丝杠螺纹滚道的硬度、硬化层深度、轴向变形的自动补偿等得到圆满解决，除获得所需HRC硬度外，在全长上硬度均匀，使产品的内在质量、疲劳强度和可靠性能够达到设计要求。

（2）激光（Laser）相变硬化

在表面改质处理技术中，激光固态相变硬化技术（即激光淬火）正日益受到关注和推广应用，成为绿色热处理新的亮点。

与传统淬火工艺相比较，激光表面相变硬化技术具有以下优点:①加热速度极快，生产效率很高;②淬火后的热应力及变形小，硬化过程几乎不产生氧化、脱碳，不影响淬火前零件的尺寸精度;③输入功率小，能效高;④不需要热介质、淬火液，清洁生产，对环境无污染;⑤GCr15轴承钢激光淬火后不但马氏体硬度增高，而且可获得极细的马氏体硬化层和很高的错位密度，硬化层深可达0.5～0.8 mm，表面产生压应力，可使疲劳寿命提高50%～70%;⑥工艺过程易于实现计算机控制等。

上述诸多优点，使激光淬火在机床导轨、主轴、齿轮、曲轴、凸轮轴、花链套、轴承、离合器等许多零件中得到应用。至于在滚动功能部件中的应用，早年华中理工大学、汉江机床公司、北京机床研究所、北京东方通快激光公司也做过初步的尝试，但它却很难取代技术成熟度较高、使用效果好的CNC中频感应淬火技术在滚动功能部件产业中的应用。由于设备较昂贵，初期投入较大等原因都影响推广应用。目前仍处于认知、比较判断的阶段。

笔者认为，对于大导程滚珠螺母（例如:φ32×32，φ40×40），精车内滚道之后，再采用激光淬火，可以解决用传统磨削方法所带来的齿形干涉这个难题。对于形状复杂的薄壁或特细长的滚动功能部件，也是一种小变形的相变硬化方案。

（3）频谱谐波振动时效技术

时效处理是消除内应力、稳定组织、提高产品尺寸稳定性的工艺过程。包括:热时效、冰冷处理、自然时效、振动时效等。

振动时效VSR（Vibratory Stress Relief）是利用外加振动能量对金属零件产生周期性的作用力，使其内部组织产生塑性变形，达到均化和减小残余应力、提高抗变形能力的机械时效方法。通常VSR可将残余应力减小20% ～30% 甚至50% ～60%，使峰值应力降低，均化应力分布。

上世纪70年代我国开始从事VSR的研发并在铸、焊大件取得成效。约10年前江苏瑞安特曾与高校合作在滚珠丝杠生产中用VSR代替热时效，初见成效。第一代VSR虽具有高效、节能、降耗的优势，但长期以来存在以下问题:①应用面窄（频率范围0～166.7 Hz），大约只有23%的低频构件可以采用;②有效振型太少，对多维残余应力无法消除，很难达到热时效的效果;③操作不方便，效果不稳定;④噪声很大。

21世纪初，北京翔博科技公司发明了“频谱谐波VSR”专利技术，克服了传统VSR的技术缺陷，是VSR的第二代绿色创新成果，开创了VSR的新纪元。

频谱谐波VSR技术，首先利用傅里叶方法对工件进行频谱分析，找出几十种谐波频率并从中优选对消除残余应力效果最佳的五种不同振型的谐波频率实施振动时效处理，达到多维除应力、提高工件尺寸和精度稳定性的目的。

频谱谐波VSR的优点在于:①应用面很广，能够处理在原VSR亚共振中无法处理的高刚性、高固有频率的工件，在机械制造业中的覆盖面几乎为100%，这为在滚动功能部件产业中推广应用创造了有利的条件;②在时效处理过程中的噪声低，环境友好宜人化;③消除应力的效果达到和超过热时效;④降低能耗可达95%以上。

频谱谐波VSR技术是对传统热时效的绿色科技创新，已在航空、航天、军工装备、船舶、机床、工程机械等众多领域应用，并被国家发改委批准在机械制造业中广泛推广。北京翔博科技公司的这项专利技术还被列入《国家重点节能技术推广目录》（第二批），并纳入《十二五国防科技工业百项先进工业技术目录》。

据介绍，翔博科技正在设计和完善配套装置，为高刚度、高固有频率的精密零件（多为中小件）推广应用频谱谐波VSR做准备。

8 绿色装配

滚动功能部件中的各种零件，其加工误差和制造质量都在装配过程中暴露无遗，因此装配是确保产品质量和总成性能十分关键的工序。而绿色装配是通过文明、精益生产、清洁装配、节能、降耗最终达到成品性能和可靠性的要求。绿色装配中需要重视的几个要点:

（1）要有一个文明、清洁的装配环境，装配间内空气粉尘浓度和掉发物的浓度应严格控制。

（2）为提高滚动体装填效率减少油脂的消耗，推广采用干式装配，宜采用专门的工具填充滚动体（钢球），而不用油脂把滚动体粘在滚珠螺母和滑块内，最后再清洗掉。

（3）为保证产品的初始接触刚度，“加载跑合”要充分，不能“走过场”应付了事。

（4）为保证预紧状态下的流畅性，在装配返向器时，对螺母滚道的接口应少打磨和不打磨（只去毛刺）。必须清醒地认识到:过量的打磨接口会导致滚动体进出返向器时运动轨迹发生错位，出现卡滞现象;而提高返向孔与滚道的对中精度（≤0.02 mm）才是根本的解决办法。

（5）每个装配工位应严格按不同规格存取钢球、返向器、滚柱、密封件、标准件等，严格按设计要求的数量填装滚动体，绝对不允许在滚动链中混入“大钢球”;对于间隔滚珠链严格按“一大一小”排列，不能错乱。

（6）推荐采用超声波清洗，需要循环使用的跑合冲洗油，应当严格过滤后再回收使用，避免不洁清洗油中的颗粒物在“跑合”中划伤滚到表面。

（7）对于高精度、高速度一类的高档产品要补充进行“残磁量”和“清洁度”的检测（参照轴承行业的相关标准）。

总之，21世纪是节能环保时代，绿色制造，智能制造将引领产业业实施绿色技术改造，在促进企业转型升级中发挥主要作用。绿色智造将提升滚动功能部件产业规模化专业生产的制造工艺水平，在提高生产效率的同时，还为研制高端产品找到最佳工艺途径;而新的工艺技术在提升企业核心竞争力的同时还会衍生出新的经济增长方式。在低碳经济时代绿色智造将推动我国滚动功能部件产业健康、持续发展，为做精做强打下坚实基础。

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