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

　　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70％～80％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70％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(Green Manufacturing)、智能制造(Intelligent Manufacturing)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CNC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CAD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(μ=0.0025～0.0035)所派生出高传动效率(η／>85％(逆)，η／>95％(正))和高速特性(d0n≥(12~20)×104 mm·r／rain)。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r_s·r_n、接触角α、适应度fr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

　　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Brinell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CAD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_pw，螺旋升角Φ)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端部导减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[D_w ⁺+D_w  ^-+_w⁺]，滚动体直径D_w  一大一小的排列。还可采用钢球与陶瓷球间隔混合排列，即[Steel+Si₃N₄+Steel+Si₃N₄]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。

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THK公司推出中空轻型SSR系列滚动直线导轨与同规格比较，减重40％。该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：Si₃N₄ 陶瓷球(材质密度3.2 g／cm³，是钢球的40％)、高强度空心钢球(见图3)、空心滚子等。当采用Si₃N₄ 陶瓷球，其离心力比钢球减小50％以上，可大大改善高速滚珠丝杠副的动态特性并减小能耗。

图3Si₃N₄  陶瓷球

　　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40％，dn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40 000个空心大钢球，总重量减轻1814kg，每年节省航空燃油1.09x105 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80年代，海外学者(例如：井浞夷、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间的“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4a、4b)。
　　(4)施加在滚珠丝杠、滚珠螺母的载荷，其作用力的中心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”。

图4重载滚珠丝杠剐均载设计的实例