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综述 s p e c ia I 绿色滚动功能部件在伺服进给系统中 助推数控机床绿色制造 黄祖尧 摘要 用绿色科技理念指导滚动功能部件产品的设计 ， 以节能降耗提高能效作为创新 目标的新一代绿色滚 动功能部件， 必将在绿色数控机床的线性伺服驱动系统 中熠熠生辉。 关键词 滚动功能部件流畅性轻量化 均载设计转动- 限量 功能集成 中图分类号 G 3 5 3 ． 1 1 文献标识码 A Gr e e n r o l l i n g c o mp o n e n t s b o o s t i n t h e s e r v o f e e d s y s t e m o f NC ma c h i n e t o o l S g r e e n i n t e I l i g e n t ma n u f a c t u r i n g HUANG Zu y a o Ab s t r a c t G r e e n t e c h n o l o g y c o n c e p t i s u s e d t o g u i d e t h e d e s i g n o f r o l l i n g c o mp o n e n t s ，a n d a n e w g e n e r a t i o n o f t h e g r e e n r o l l i n g c o mp o n e n t s g o a l i s t o r e d u c e t h e e n e r g y c o ns ump t i o n a n d t o i n p r o v e t h e e n e r gy e f f i c i e n c y， i t wi l l be s h i n e t h e s e r v o f e e d s y s t e m o f NC ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r dsGr e e n Ro l l i ng Co mp o n e n t s；F l u e n c y；Li g h t W e i g h t ；Lo a d Ba l a n c i n g De s i g n；Ro t a r y I n t e r t i a；F u n c t i o n I n t e g r a t i o n 制造业是 国民经济的支柱产业 ， 在地球资源不断 枯竭、 环境状况 日益恶化 的今天 ， 树立科学发展 观， 走 可持续发展之路 ， 已成 为新型工业 化和低碳经济时代 的基本理念和唯一选择 ， 制造业实施低能耗 、 低 物耗 、 低污染 、 低排放已成为不可推卸 的社会责任。研究表 明 产品的性能有 7 0 ％ ～ 8 0 ％是 由产 品的设计 阶段所 决定的， 而绿色设计对节能、 降耗 、 环保 的贡献率可达 7 0 ％ 以上 。 在低碳经济时代， 滚动功能部件的研发、 创新和产 品设计都应 以生态环境意识和绿色科技理论作为指导 准则。新一代的数控机床及其核心功能部件必须把高 效率 、 高精度 、 高可靠性 、 资源和能源 的高利用率 以及 低能耗 、 低排放 作为追求 的 目标 ， 而绿 色制造 G r e e n Ma n u f a c t u r i n g 、 智能制造 I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g 将 是未来制造业发展 的走 向 ， 并成 为高端数控机床的重 要标志和市场竞争的新亮点。 众所周知， 在数控机床中， 核心功能部件作为单元 技术的载体， 其“ 功能” 通过主机的集成组合与 C N C 控制 ， 从而达到总体性能和精度的要求 。其实 ， 滚动功 能部件 滚珠丝杠副、 滚动直线导轨副⋯⋯ 从本质上 分析， 它们就具有 “ 高效率 ” 、 “ 省能” 、 “ 长寿命” 等特 性， 再通过三维 C A D绿色设计， 可放大“ 绿色功能” ， 成为数控机床绿色制造的有力推手 ， 让绿色智能数控 3 8 机床熠熠生辉 。 1 提高流畅性是提升产品性能的关键 滚动摩擦是各类滚动功能部件 的最基本特征， 由 小摩擦系数 0 ． 0 0 2 5～ 0 ． 0 0 3 5 所派 生出高传动 效率 卵 8 5 ％ 逆 ， , ／ 9 5 ％ 正 和高速特性 d 。 凡 ≥ 1 2～ 2 0 x1 0 m m r ／ mi n 。但是 ， 它 与滚动轴承却 有很大差异 ， 其受力和运动状态更 为复杂 ， 并 非纯滚 动。滚动体需要借助于“ 循环返 向装置” 完成周而复 始往复不断的循环滚动。因此 ， 需要从滚道 、 滚动链 、 循环返 向装 置三个 环节通过优 化设计 来解决 “ 流 畅 性” 的问题 。海外知名 品牌 的企业 ， 都在这个基础领 域狠下功夫使产品性能大幅提高。 1 ． 1 滚道形状和主参数 滚动体在滚道 中的工作状态随载荷大小 、 运动速 度和方向的变化而发生变化， 对滚道形状和主参数优 化设计的目的就是通过三维实体建模， 运用有限元分 析在各种工况下的受力和变形规律 、 研究滚动摩擦机 理 ， 从而获得最佳滚 道截形 、 滚道 曲率 、 接触 角 O ／ 、 适应度． 厂 r 等主参数 ， 达到降低摩擦耗损 ， 提高能效 ， 满足流畅性的要求 。 1 ． 2 循环返向装置 等 ； ￡u 10 平 弗 J 蚓 滚动体在进 出返 向装置的瞬间， 其受力状态 、 滚动 方式 ， 运动方 向均发生变化 ， 并重复出现 B r i n e l l 效应 ， 即布氏撞击耗损。以滚珠丝杠副为例， 无论什么循环 方式 ， 通过三维 C A D设计 ， 应用有 限元软件分析返 向 过程 中的最大应力变化 ， 并遵循 “ 滚 动体 的运动轨迹 始终与丝杠副的螺旋线 包括 中径 D ⋯ 螺旋升角 咖 保持相切对接 而不是相交对接 状态” 的原则 ， 就可 以最大限度降低布氏撞击耗损 ， 达到提高流畅性 的 目 的。图 1为端部导流轴 向返向的典型结构 。对于插管 式外循环而言 ， 除遵循 “ 相切” 原则之外 ， 增加 “ 管壁 ” 和“ 管舌” 强度 ， 提高管道的曲率和管孔 的圆度亦尤为 重 要 图1靖部导流轴向返回型反向装置 1 ． 3 滚动链 为 了避免在循环滚动过程 中滚动体之间的相互摩 擦 、 碰撞和挤压 ， 可采用间隔 滚动链 ， 即采用 [ ] ， 滚动体直径 D 一 大一小 的排列。还可采用钢球 与陶瓷球间隔混合排列 ， 即[ S t e e l S i 3 N 4 S t e e l S i 3 N 4 ] 的排列方式 。近年 ， 具有 自润、 降噪 、 减摩功能的滚动 体隔离链 见图 2 已成为绿色环保的时尚结构。 一 袋 a 滚珠丝杠副 b 滚动直线导轨副 图2 具有自润、降噪、减摩功能的滚珠隔离链 2 轻量化成为高速、 高能效的追求 目标 低能耗促进产品结构的轻量化 。作为能耗较大的 数控机床， 减小运动部件的体积和质量是降低驱动功 率的重要措施， 而对于高速数控机床， 所有运动部件必 须满足最小运动惯量 的要求 ， 以达到所需 的加 减 速 度指标。轻量化包括运动部件结构的简化 ， 布局 的优 化和材质的改进等。满足强度和刚度要求的轻质材料 ． O 年 帚O 州 s p e c ia I R e p 综述 和它的制造技术是轻量化设计关注的焦点。作为运动 部件的滚珠丝杠副和滚 动直线导轨副， 已经或正在采 取以下措施 滚珠丝 杠、 滚 珠螺 母组 件、 滚动导轨 、 滚动滑块通过 优化设计在满足刚度强度 的 前提下 ， “ 减肥” 和空心化 ， 并 选用优 质钢材 和强化 处理。 例如 T HK公 司推 出 中空轻 型 S S R系列滚动直线导轨与 同规 格 比较 ， 减重 4 0 ％。该 图3 s i 。 N 陶瓷球 公司把碳纤维用于重载滚珠丝杠 副的反 向装置 ， 既增 加了强度又减轻了质量。而滚动体 的轻量化包括 s i N 陶瓷球 材质密度 3 ． 2 g ／ c m ， 是钢球 的4 0 ％ 、 高强 度空心钢球 见图 3 、 空心滚子等。当采用 S i N 陶瓷 球 ， 其离心力 比钢球减小 5 0 ％ 以上 ， 可大 大改善高速 滚珠丝杠副的动态特性并减小能耗。 据对空心圆柱滚子轴承 的研究表 明， 当对“ 空心 度” 进行优化设计的空心滚柱 比实心滚柱的离心力减 小 4 0 ％， d n值提高 2倍 ， 因存在预应力并有一定柔性 ， 使空心滚子受载更均匀 ， 刚度和 回转精 度得到提 高。 无论是实心滚柱或空心滚柱 ， 为避免出现“ 边缘效应” 和“ 偏置载荷” 并使滚柱受力均匀， 推荐采用“ 对数母 线型滚柱 ” ， 它有利于减小摩擦耗损 ， 提高流畅性 。虽 然空心滚珠在机床上很少用 ， 但在航 空航天等领域节 能效果非常明显 ， 据介绍 ， 在大力神军用运输机 内货仓 的滚动输送面板 中， 大约有 4 0 0 0 0个空心大钢球 ， 总 重量减轻 1 8 1 4 k g ， 每年节省航空燃油 1 ． 0 9 1 0 L 。 虽然空心滚动体的制造难度较大 ， 成本也高 ， 在我 国轴承行业中还尚未广泛应用 ， 但都给我们研发精密 高速和高性能绿色滚动功能部件提供了可以借鉴的解 决方案。 3 均载设计可挖掘产 品潜 能及 延长使 用寿命 众所周知 ， “ 螺纹” 具有传动、 联结和紧固的功能 ， 由于 内外螺纹的螺旋线误差 、 齿形误差 以及不同的受 力状态 ， 外加载荷在螺纹 的各圈 中并非均衡分布。用 于传递动力的滚珠丝杠副 滚珠螺旋传动装置 ， 特别 是重载滚珠丝杠副， 如何使其载荷比较均衡地分布在 各圈的承载滚动体上， 成为业内关注的重心。 在上世纪 8 0 年代， 海外学者 例如 井、7尺实、 稻叶 善治 、宫 口和男 、二宫瑞穗等 先后对高负荷工况下 的滚珠丝杠副运用光弹理论等方法试验研究不同受力 状态下的载荷均化问题 ， 其成果用于指导生产， 取得一 3 9 综述 S p e c ia I R e p o n s 定 效果 。 所谓“ 均载设计 ” ， 就是通过对产品 滚珠丝杠副 受力状态的理论分析和试验 ， 优化产品设计 ， 把外加负 荷较平均地分摊到每个受载滚动体上 ， 力争做到“ 无 零载” ， “ 无过载” 的均衡动力传递 。 借鉴海外的研究成果 ， 经过综合分析判断 ， 笔者认 为在均载设计 中， 必须 注意解决以下问题 其 中某些 问题常常被忽视 1 对于高负荷 的重载滚珠 丝杠副 ， 设计要求丝 杠和螺母的螺旋线误差 ， 以及误差 的“ 走 向” 应力求趋 于一致 ， 内外齿形误差应“ 吻合” 。对于双头 或多头 螺纹 ， 需严格控制 内外螺纹各 条螺纹线之 问的“ 分度 误差 ” 。 2 要求每个 螺母 或者导轨副 的“ 滑块 ” 内的 滚动体 滚珠 、 滚 柱 其直径 误差 的一致 性达 到最佳 化 。在滚动链中严禁大误差的滚动体混入 。“ 批直径 变动量” 超过允许值 ， 将导致“ 零载” 或“ 过载” 。 3 在滚珠螺母体的周 围和轴 向合理配置 “ 反 向 器”， 以满足均载设计的要求 见图 4 a 、 4 b 。 a 滚珠螺母和丝杠轴都 承受压缩负荷 b 有利于均载的返向器布局 c 结构改进后钢球的载荷分布曲线 图4 重载滚珠丝杠剐均载设计的实例 4 施加在滚珠丝杠 、 滚珠螺母的载荷 ， 其作用力 的中 t D 应通过丝杠副的轴心 。为此 ， 对丝杠 或螺母 的支承轴颈的同轴度应提 出严格要求。数控机床上 的 丝杠和螺母支撑座 ， 三者的中心位置 ， 应精调到“ 三点 同轴” 的状态 ， 避免 因偏 心导致 丝杆副承受 “ 偏置 载 荷” 。 5 基于 H e r t z 弹性变性理论 ， 在结构设计时应尽 可能使滚珠螺母和丝杠轴的有效断面积接近。在设计 滚珠螺母 的安装方式和受 力方 向时 ， 应使滚珠螺母 与 丝杠轴处于同时受拉伸或受压缩 的状态 ， 使两者弹性 变形的方 向趋于一致 ， 以利于载荷的均化 见 图4 a 。 图4是经过实验研究分析后 ， 推荐滚珠螺母安装 受力方式和返向器的配置方案。这是针对于电动注塑 机用高载荷滚珠丝杠副的实例。对用于大重型数控机 床的重载滚珠丝杠副 ， 同样具有借鉴价值。 均载设计对于高负荷 的重载滚珠丝杠副 包括滚 动直线导轨副 是挖 掘产品承载潜能 、 延长 价格 昂贵 的大型、 重载滚动功能部件使用寿命 、 提高产品能效 的 绿色设计。 4 双冷技术的效用 在数控机床中， 针对各种热源对机床热变形 的影 响 ， 常常需要对几何误差 和热误差实施误差补偿。对 于采用滚珠丝杠驱动 的伺服进 给系统 ， 传统抑制热变 形的对策包括 对两端固定支承的丝杠轴实施预拉伸 ； 根据设定 的进给速度 ， 用增大导程 P 来降低丝杠轴的 转速 ； 对空心滚珠丝杠实施循环强制冷却等。 对丝杠轴和滚珠螺母组 件 的热态分 析可 以发现 丝 杠轴是属于随滚珠螺母位移 变化 的移 动热源 ， 而滚 珠螺 母 内部在传动的 自始至终都 处于产 生摩擦热 的状 态 ， 是 散热条件差 的连续热源。基 于这种判 断 ， 海外不 少知名 图5 滚珠螺母冷却新产品 N S K 等 企业推出滚珠螺母冷却新 产品 图 5 。据介绍 ， 最高 线速度可达 1 2 0 r n ／ m i n ， 冷却 系统对螺母预 紧力不产 生影响 ， 比之丝杠冷却 ， 对 工作 台的温升要低 3℃左 右 ， 能更好满足高精度的要求 。 我国台湾 H I WI N公司和南京工艺装备公司也相 继开发冷却螺母的产品。 日本 N S K公 司和 HI WI N公 司在较早研制成功滚珠螺母冷却产 品的基础 上， 通过 有 限元分析 ， 研究最 佳热传 导制 冷方案 ， 提 出“ 恒温 式” 滚珠丝杠副的设计理念空 心滚珠 丝杠内冷 滚珠螺母 的双冷技术。众所周知， 在数控机床加工 中， 通常都是先空运转， 在达到热平衡后才开始加工， 即 “暖机 时间” 。 据统计 ， 机床空载功率的损耗约 占整个 8 O 7 0 6 O 0 5 O 4 0 3 O 2 O l O O 图6 双冷技术缩短暖机时间 HI WI N 确导向与位置 自动控测集成 为一体 ， 集制动 、 准停 、 防 振 、 阻尼等功能于一体 的高速精密滚动直线导轨副， 改 善了高速运动时的阻尼特征 ， 使运动平稳安全可靠 ； 滚 珠丝杠副的“ 螺母 ” 与滚动直线导轨副的“ 滑块 ” ， 两件 合二为一的线性模块 单轴 ， 双轴 ， 该模块 的质量 中 心与驱动丝杠轴心重叠使传动平稳省力 ； 滚珠丝杠副 与滚珠花键一体 ， 其丝杠轴与花键轴合二为一 ， 既可实 现往复直线运动 ， 还可传递转矩 ， 用于 F MS生产 自动 线 、 加工 中心 自动换刀 、 装配机器人等场合 ； 滚动直线 导轨副与直线电动机一体化的高速线性驱动装置等。 以上 复合化 、 模块化的产 品， 除结构紧凑 、 占用主 机空间小、 功能扩展外， 也是降低能耗、 物耗、 提高能效 的绿色制造产品。 8 产品生命周期通过再制造得到延长 对于滚珠丝杠副而言， 在确保制造质量和可靠性 以及正确安装 、 使用的前提下， 其额定寿命 为 L 。 1 0 。 转 ， 比普通滑动丝杠 的寿命 高 6～1 0倍 。当选用优质 钢材 、 优化热处理工艺 、 对滚道表面进行改质强化处理 和超精密加工 、 以及采用绿色环保的密封 、 自润滑技术 等都能延长产 品的使用寿命 。 对于正常工作情况下的疲劳磨损或因过载而局部 受损的部分零件 ， 可通过维修 、 补充加工 、 更换受损件 等“ 再制造 ” 方法 ， 延长产 品的生命周期 ， 并使 优质合 金钢材得到充分利用。 在数控机床的各类功能部件中， 滚动功能部件具 有标准化程度高、 互换性好的特征， 其 中的每一个零件 都是可以单独出售的商品 ， 具备可 维修 和再制造 的有 利条件 ， 从而降低数控机床的关键功能部件维修成本 ， 缩短再制造周期 。据 了解 ， 在国外 ， 就有这类专业 的维 修公司或工作站。我国许多滚动功能部件的专业制造 公司 ， 也都承担 了国产和进 口产品的再制造维修业务。 我们不要小看维修和再制造， 在低碳经济时代， 它 已逐渐成为制造业中的一个新兴产业。 科学发展观是实现科技兴 国、 把几代人 的机床强 国梦变为实现的指导思想。基于绿色科技 的理念 ， 在 加快发展数控机床和功能部件 特别是用能源驱动的 核心功能部件 时 ， 不但要关注产 品的性能、 精度和可 靠性 ， 还要关注产 品的能效。而新一代绿色滚 动功能 部件将助推数控机床的绿色制造。 节约资源和环境保护是企业不可推卸的社会责 任。高效、 节能、 降耗、 减排的绿色制造和产品将为企 业开拓市场 、 增强竞争力带来新的机遇 ， 必将为社会和 企业带来双赢。绿 色科技 还为企业实施 绿色技术 改 等 ‘ 。0 平 弗 0 删 S p e c i a I R e D o n s综述 造 ， 完成产品结构调整和企业 的转型升级指 明了方向。 9 结语 笔者从本世纪之初 ， 就开始关注滚动功能部件绿 色发展之路 ， 曾多次在不 同的场合 以不 同的方式呼吁 实施绿色制造 。本文和之前 的 用绿色制造提升滚 动 功能部件的规模化专业生产水平 “ 制造技术与机 床” 2 0 1 2年 1 2期 。介绍和评述了近年 国内外滚动功 能部件产业绿色制造和绿 色产 品的发展概况 ， 以期进 一 步引起业内的关注 。在撰写这两篇论文过程 中， 曾 先后到北京、 南京、 山东 、 上海、 广州 的相关企业调研 ， 得到业内朋友的热情支持 ， 特在此表示感谢 由于所 获得的信息和第一手资料 尚不够全面 ， 特别 是海外 的 信息主要取之科技文献 和展会 ， 难免有遗漏和不 当之 处， 敬请指正赐教。 参考文献 [ 1 ] 路 甬祥． 走向绿色和智能制造 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 1 0 2 ． [ 2 ] 曹爱军 ， 李先广 ， 杜 彦斌 ， 等 ． 低碳制 造研 究现状 、 发展 趋势 及挑 战 [ J ] ． 航空 制造技术 ， 2 0 1 2 9 ． [ 3 ] 刘光复 ， 刘志锋 ， 李 钢， 等． 绿 色设计 与绿色制造 [ M] ． 北 京 机械 工 业出版社 ． 2 0 0 0 ． [ 4 ] 黄祖尧． 滚动功能部件的绿色设计与绿色制造[ J ] ． 机械工人， 2 0 0 5 增刊 ． [ 5 ] 宫 口和男 ， 二宫瑞穗 ． 高负荷 滚珠丝杠 副的负荷 均化与延 长寿命 的 研究[ ．I ] ． 精密工学会志 日 ， 2 0 0 1 ， 1 6 7 2 ． [ 6 ] 井浞实， 下 田博一． 滚珠丝杠副载荷分布的若干特性[ J ] ． 润 滑 日 ， 1 9 8 0， 2 5 7 ． [ 7 ] 陈新和 ， 黄逸 群． 滚珠丝杠 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