行星滾柱絲杠副產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用分析

陳傳涓

（中國電建集團(tuán)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化的機(jī)械裝置，屬于基礎(chǔ)傳動(dòng)零部件，也是高端裝備的關(guān)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(zhuǎn)等特點(diǎn)，因此，已在部分應(yīng)用領(lǐng)域替代滾珠絲杠，特別是對載荷和尺寸要求較為苛刻的應(yīng)用場合。

圖1 行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)示意圖

雖然Carl Bruno Strandgren 早在1942年就申請了循環(huán)式滾柱絲杠發(fā)明專利，但至今為止，滾柱絲杠由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、加工成本較高等因素，導(dǎo)致其市場應(yīng)用規(guī)模遠(yuǎn)小于滾珠絲杠。《中國制造2025》明確我國必須強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力，特別是推動(dòng)“四基”發(fā)展，支持軍民兩用技術(shù)攻關(guān)。由于滾柱絲杠具有效率高、高速、重載、壽命長等特點(diǎn)已經(jīng)在軍用和高端民用裝備方面得到了規(guī)模應(yīng)用，屬于關(guān)鍵零部件。因此，本文從行星滾柱絲杠副產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、測試和檢測、專利、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面分析了國內(nèi)外該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并針對性提出了我國行星滾柱絲杠副產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)建議。

1 行星滾柱絲杠副產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

王小波等利用國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索系統(tǒng)中的CNABS、SIPOABS、DWPI 等數(shù)據(jù)庫從多方面對滾柱絲杠專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和梳理，表明由于時(shí)間發(fā)展差異，該產(chǎn)業(yè)的巨頭企業(yè)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(huì)社），這些國家的專利申請數(shù)量多并且技術(shù)含量也較高，形成了滾柱絲杠技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，專利優(yōu)勢非常明顯；與之相比，中國在滾柱絲杠領(lǐng)域的研究和發(fā)展還處于起始階段，相關(guān)研究過少，自主研發(fā)的專利申請數(shù)量較少。

1.1 國外行星滾柱絲杠副產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用

國外很多企業(yè)長期致力于行星滾柱絲杠產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、制造和市場推廣應(yīng)用。幾十年來，積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和研究經(jīng)驗(yàn)，這使其在行星滾柱絲杠的精度等級、潤滑維護(hù)、機(jī)構(gòu)搭建等各方面都有了較為成熟的理論，并已經(jīng)具有成熟產(chǎn)品。到現(xiàn)在為止，全球生產(chǎn)行星滾柱絲杠的主要有：德國舍弗勒集團(tuán)（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(chǎn)品有六類：通用型行星滾柱絲杠、螺母型反轉(zhuǎn)行星滾柱絲杠、循環(huán)型行星滾柱絲杠、循環(huán)型環(huán)齒型行星滾柱絲杠、微導(dǎo)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(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、機(jī)床、武器裝備、機(jī)器人等行業(yè)，絲杠直徑從1～150mm，導(dǎo)程從0.1～50mm，導(dǎo)程精度等級從G1～G9（分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)DIN69051-3），速度最高達(dá)到2m/s，可以在極端艱苦的工況下連續(xù)承受重載工作上千個(gè)小時(shí)。

在民用領(lǐng)域，行星滾柱絲杠與電機(jī)一體化形成電動(dòng)執(zhí)行器，由電機(jī)帶動(dòng)螺母（或絲杠）旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)絲杠（或螺母）帶載荷實(shí)現(xiàn)直線反復(fù)運(yùn)動(dòng)。國外已經(jīng)在閥門執(zhí)行器、塑料機(jī)械、無人汽車、六自由度模擬器、高端汽車生產(chǎn)線等領(lǐng)域得到應(yīng)用。行星滾柱絲杠在國外軍品應(yīng)用案例包括F-35B 戰(zhàn)斗機(jī)電動(dòng)起落架、潛艇六自由度模擬仿真平臺(tái)、電動(dòng)造波機(jī)、美國魚鷹戰(zhàn)斗機(jī)航空武器懸掛發(fā)射系統(tǒng)裝置、美國武裝直升機(jī)的航空武器懸掛發(fā)射系統(tǒng)裝置和螺旋槳高低調(diào)節(jié)裝置等。

1.2 國內(nèi)行星滾柱絲杠副產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用

在基礎(chǔ)理論研究方面，西北工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校對于行星滾柱絲杠的研究集中于嚙合、運(yùn)動(dòng)特性、摩擦和剛度等基礎(chǔ)理論研究。西北工業(yè)大學(xué)陜西省機(jī)電傳動(dòng)與控制工程實(shí)驗(yàn)室已開展行星滾柱絲杠相關(guān)技術(shù)研究，掌握了行星滾柱絲杠參數(shù)匹配設(shè)計(jì)、靜剛度、接觸摩擦和效率等計(jì)算方法，并與國內(nèi)漢中宏峰公司、漢江機(jī)床廠建立了合作關(guān)系，研制了行星滾柱絲杠樣件和基于行星滾柱絲杠電動(dòng)缸。此外，西北工大還建立了行星滾柱絲杠綜合性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可對大推力、多工況的行星滾柱絲杠進(jìn)行速度、位移和動(dòng)剛度等性能參數(shù)測試。南京理工大學(xué)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(shù)學(xué)模型、確定運(yùn)動(dòng)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、分析軸向接觸變形、計(jì)算彈性變形和剛度等，但尚未有相關(guān)樣品制造和試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)告。在少批量產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用方面，國內(nèi)在研制行星滾柱絲杠的企業(yè)仍然較少，且生產(chǎn)行星滾柱絲杠及以其為核心的相關(guān)產(chǎn)品與國外相比性能上存在一定差距，尚未在高端裝備領(lǐng)域得到規(guī)模應(yīng)用。國內(nèi)具備產(chǎn)品小批量研發(fā)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(tǒng)；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(yīng)用于南京理工大學(xué)滾珠絲杠精度測試臺(tái)架。常州思科瑞已經(jīng)生產(chǎn)出多種系列和規(guī)格產(chǎn)品樣品，并已在部分場合實(shí)現(xiàn)替代國外同類產(chǎn)品應(yīng)用；中國電建裝備研究院行星滾柱絲杠產(chǎn)品已開發(fā)形成多種產(chǎn)品系列，并在電動(dòng)執(zhí)行器、柱塞泵、車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、玻璃壓鑄機(jī)械等產(chǎn)品上得到應(yīng)用，形成小規(guī)模批量供貨，并已在大型港口機(jī)械實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)。

綜上可知，國外的行星滾柱絲杠產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，而國內(nèi)行星滾柱絲杠還處于研發(fā)或小批量生產(chǎn)和應(yīng)用狀態(tài)，成熟規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品較少。

1.3 材料、熱處理以及制造與安裝

標(biāo)準(zhǔn)行星絲杠產(chǎn)品絕大多數(shù)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(chǎn)品需要根據(jù)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(xué)研究發(fā)現(xiàn)行星滾柱絲杠中絲杠選用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，其強(qiáng)度和淬透性比35CrMo 有所增高，調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)鋼42CrMo 需做預(yù)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(jìn)行淬火處理，其表面接觸硬度為56～60HRC。因?yàn)闈L柱的滾動(dòng)表面與絲杠的兩個(gè)接觸螺紋槽表面最容易產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，所以對絲杠和螺母的螺旋槽的表面及滾柱的滾動(dòng)表面進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)絲杠主要是預(yù)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(dāng)行星滾柱絲杠運(yùn)行溫度高于180℃或者用于高磨損場合時(shí)，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(zhì)、經(jīng)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(dòng)零部件，國內(nèi)目前行星滾柱絲杠加工制造設(shè)備主要有兩類采用滾珠絲杠制造設(shè)備或者研發(fā)專用制造設(shè)備，加工精度基本可以達(dá)到G5 級精度。另外，工藝流程和質(zhì)量保證也對行星滾柱絲杠的產(chǎn)品性能也有較大的影響，特別是生產(chǎn)人員對工藝流程的掌握及其質(zhì)保意識決定了產(chǎn)品質(zhì)量。由于行星滾柱絲杠加工制造工藝較為復(fù)雜，若生產(chǎn)人員缺少質(zhì)保意識且工藝掌握較差，容易導(dǎo)致行星滾柱絲杠加工周期過長，且產(chǎn)品精度不能滿足要求。為了確保產(chǎn)品性能，國外廠商對產(chǎn)品安裝、保存、拆卸等過程都做了詳細(xì)的建議。例如瑞典SKF 建議安裝過程中避免用手直接接觸產(chǎn)品，避免對軸承鋼造成腐蝕；存放時(shí)環(huán)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(shè)定遵照VDI 2230 和 DIN ISO 898。

2 產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化總結(jié)和發(fā)展建議

國外行星滾柱絲杠產(chǎn)品已經(jīng)在軍工裝備、汽車自動(dòng)化產(chǎn)線、大型機(jī)床、電動(dòng)執(zhí)行器等產(chǎn)品領(lǐng)域獲得規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。國內(nèi)行星滾柱絲杠廠商受加工設(shè)備、加工工藝、材料和熱處理工藝、測試設(shè)備、產(chǎn)業(yè)工人等因素的制約導(dǎo)致產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化地商業(yè)推廣和應(yīng)用。但在替代國外進(jìn)口產(chǎn)品以及未來全電動(dòng)裝備發(fā)展，例如，全電動(dòng)注塑機(jī)等，行星滾柱絲杠存在著巨大的市場應(yīng)用前景。為了推動(dòng)行星滾柱絲杠產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，建議：（1）加大小導(dǎo)程、高精度加工制造機(jī)械的研發(fā)投入；并加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)工人培養(yǎng)；（2）產(chǎn)品研發(fā)增強(qiáng)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)的聯(lián)系，充分利用研發(fā)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品開發(fā)和測試平臺(tái)，以及企業(yè)的制造能力；（3）加強(qiáng)產(chǎn)品材料和熱處理工藝攻關(guān)，特別是在核電、軍工等應(yīng)用領(lǐng)域；（4）加強(qiáng)產(chǎn)品性能測試平臺(tái)建設(shè)，特別是在滿足核電、軍工等特殊應(yīng)用領(lǐng)域的測試要求。

3 結(jié)語

由于行星滾柱絲杠副具有承載能力強(qiáng)、速度快、精度高、壽命長等特點(diǎn)，在航空機(jī)械、大型機(jī)床、重型軍用裝備等具有較大的應(yīng)用潛力。國外行星滾柱絲杠產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)成熟商業(yè)化和規(guī)?；瘧?yīng)用。國內(nèi)現(xiàn)階段受行星滾柱絲杠副加工設(shè)備、加工工藝與測試手段等方面的限制，還未形成規(guī)模化的應(yīng)用，因此建議加大對產(chǎn)品加工機(jī)械研發(fā)投入、增強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)合作、攻克材料和熱處理關(guān)鍵工藝、培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)工人等。