“十三五”滚动功能部件行业规模化生产模式转变思考与对策

■南京理工大学教授 冯虎田

“十三五”滚动功能部件行业规模化生产模式转变思考与对策

■南京理工大学教授 冯虎田

摘要：针对国产滚动功能部件现状、趋势及需求进行分析，提出滚动功能部件行业规模化生产模式，从三个方面提出对策。

目前国产滚动丝杠副及直线导轨副生产经营形势实在是不容乐观，THK、NSK、Rexroth等国际著名品牌为了更加贴近中国市场，加快交货周期，已相继计划或已在国内设厂，他们打着进口品牌美誉度大举进攻国内市场。此外还有HIWIN、AMT、SKF、STAF和CPC等台湾品牌大规模专业化生产，对大陆市场造成很大冲击，还有台湾在青岛设厂如TBI等品牌以极低价格的竞争，对国产品牌形成了极大压力。实际上，造成国内行业规模和成本处于劣势背后的真正原因是我们缺乏规模化生产关键基础技术研究，境外同行在关键零件精密加工工艺稳定性、在线自动化检测、零部件互换性、精密高效装配等基础性关键技术研究及其专业化设备研发应用方面已经远远走在我们前面，并以此形成了全新规模化生产模式。

现状分析

从全球范围看，我国虽然是滚动功能部件产业制造厂商最多的国家，但生产不集中、分布不合理、总产量和产值不高，除少数重点骨干企业的部分产品达到或接近国外水平外，多数企业只能生产中低档产品，且品种单一、含金量偏低，至今尚无一个在国际上有影响力的知名品牌，尚无一家上市公司。目前我国滚动功能部件生产企业有50家（不含中国台湾省），研究院所、高校共3家，企业附属研究机构3个。生产滚珠丝杠的企业有48家，年产值可达6.5亿元，生产滚动直线导轨的企业有8家（其中4家同时生产滚珠丝杠），年产值可达2.5亿元。在50家企业中，生产规模大、工艺装备较齐全、产量大、品种多的企业有6家，其余绝大部分企业规模小、产量不高、产品品种单一。

功能部件产业与国外主要差距是：专业生产水平不高；信息化管理滞后；产业化进程缓慢；个性化服务跟不上。从产品总体水平看，我们处于发达国家名牌产品之下，发展中国家之上的中偏上水平，中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但

生产效率却远远低于国外。

上银集团成立仅仅几年，但在政策和银行的支持下，发展迅猛。2010年达到100多亿元台币，2011年的目标是200亿台币，大于目前国内滚动功能部件产值的总和。中国台湾的龙头企业生产规模大，信息化管理水平高，以大规模集约化制造的成本和速度，提供全方位满足用户个性化需求的众多系列产品；而且对市场需求反应十分灵敏，每年都推出一批具有时代气息的自主知识产权的新品，并迅速申请专利；同时，在工艺上，装备数控化率高、生产效率高、产品质量稳定，并且拥有先进的检测仪器和产品性能试验设备，为批量生产的产品和新产品的研发提供品质保证，用检测数据和性能对比曲线取信用户。

ECFA的正式实施，更增强了台湾滚动功能部件的竞争力，给大陆正在蓬勃发展中的滚动功能部件行业带来巨大的压力。

时至今日，国外各类生产线已取得了长足的进步。德国已经进入制造4.0时代，并作为国家战略被鲜明提出，在德国企业界得到广泛应用，工业制造4.0是以智能制造为主的工业革命，将传统制造技术与现代无处不在的互联网技术相融合，产生智能化的机械设备制造，在制造领域，将资源、信息、物品和人相互关联，形成“虚拟网络-实体物理系统（Cyber-Physical System，CPS），物流运输方面，应用工业机器人自动上下料，实现了生产线多品种、混流自动加工；生产线控制方面，对生产线运行过程中各类信息采用集成控制方案，实现了生产线的智能化管理。相比之下，国产滚动丝杠副及直线导轨副生产可靠性、模块化程度等方面仍有差距。

趋势分析

国际上近年来在滚动功能部件规模化产业化方面提出了绿色制造的概念，以CNC硬旋铣代替传统的磨制螺纹加工技术，其加工精度可达P2～P3级，表面粗糙度值可达Ra＝0.4μm，这是螺纹制造领域典型的高效能、低耗、低排放的绿色制造技术，给规模化产业化生产大型、超长、重载滚珠丝杠副带来一场工艺革命。

20世纪90年代开始在精密滚轧技术HPR（High Precision 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，其典型的无屑、快速一次成型技术颠覆了“非磨无以成器”的传统制造理念，于是P3～P5级的精密RBS已进入闭环和半闭环CNC机床和自动化工业装备领域。

通常意义上来讲，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。针对这一点，国外滚动功能部件专用加工设备制造厂商提出了在精磨之后再实施超精研抛是十分必要的。日本NSK在其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高精度及高质量要求。总之，国内近年来在滚动功能部件专用制造设备研发投入方面取得了长足的发展，这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。

需求分析

滚动直线导轨副是保证主机运动精度的关键性部件。众所周知，滚动直线导轨是当今数控机床中使用非常广泛的功能部件，由滚动直线导轨组成的滑台传动装置性能的好坏将对机床的最终性能产生非常重要的影响。国外众多直线导轨制造企业通过技术创新和产业升级，已经实现了大规模高效生产。利用其稳定的产品质量和较低的价格，正在不断地挤压国内同类生产厂家的生存空间。为了应对这种状况，有必要重点支持直线导轨副生产企业的加工制造和测试试验能力的提升，同时围绕产品质量，扩大生产规模，降低产品成本，提高市场占有率。支持开展大批量自动化制造及检测关键技术研究，建设有示范作用的直线导轨副产品批量自动化生产线。

04专项在“十二五”期间安排了一系列国产滚动功能部件专用加工设备项目，并通过用户使用得到认可。针对“十三五”，

我们必须以稳定产品质量，扩大生产规模，降低产品成本，提高市场占有率的总体目标，支持开展大批量自动化制造及检测关键技术研究，以国产功能部件专用装备建设有示范作用的功能部件产品批量自动化生产线。

安排功能部件专用制造装备的示范应用，研究国产功能部件专用制造装备在滚动功能部件产品自动智能化加工、装配、检测试验等领域的应用；基于自动化高效专用工艺配套国产中高档数控机床；基于先进工艺引进部分国内一流加工设备与实验设备，从而推动滚动功能部件生产模式的转型升级，实现滚动功能部件前期课题成果产品集约化大规模柔性化生产模式，以大幅度提高产品批量生产的质量稳定性，形成产品规模化生产能力，为国产中高档数控机床提供规模配套，以适应中高档数控机床行业的发展需求，解决目前国产中高档滚动功能部件90%依赖进口的现状，降低国产中高档数控机床的成本，提升我国中高档数控机床的竞争优势。

对策

依据高档数控机床及其他重点行业的迫切需求，开展滚动功能部件大批量自动化制造及检测关键技术研究，建立国产功能部件产品批量自动化生产线；在现有产品设计原理与加工工艺路线的基础上，进行产品规模化产业化加工制造的工艺研究，解决专用制造装备及试验设备紧缺等制约生产的加工能力的问题，提升产业自主创新能力；满足高档数控机床需求，最终形成稳定的批量生产能力，为国内高端用户提供优质的产品，替代进口，促进行业快速发展。

一是滚动功能部件加工企业苦练内功，产学研合作开展行业产品研发、检测条件建设，为规模化生产提供软件基础。

（1）进行国产功能部件型谱参数测定试验和性能检测，与境外产品进行全面的试验对比，建立国产滚动功能部件型谱参数数据库。将针对国内龙头企业的产品以及日本、台湾、欧洲的滚动功能部件进行精度、刚性、噪声、振动、加速度、额定静载荷、额定动载荷等性能测试，并加以对比，建立国产滚动功能部件型谱参数数据库，找到国产产品的真实差距。

（2）进行功能部件可靠性、寿命、精度保持性试验验证，通过试验进行功能故障、精度衰退、寿命失效机理研究。研究将集中在精度保持性、疲劳寿命、功能可靠性的试验方法、评价方法研究，并针对部分产品进行符合性验证试验。引入材料、工艺、表面参数、使用工况等其他影响参数，研究多参数以及使用方法对可靠性、寿命、精度保持性的影响机理以及优化方法。建立健全针对滚动功能部件的统一的检测试验体系。

（3）针对功能部件，开展材料级别的摩擦磨损、接触疲劳、冷却润滑等基础性试验工作，结合理论分析与试验研究填补行业内对基础研究的空白。

（4）联合功能部件龙头企业以及各大主机企业，进行功能部件应用试验研究。该研究针对功能部件如何在主机上运用得更好，增进企业与主机厂家的沟通。

二是国产装备企业与滚动功能部件加工企业共担风险，强化国产专用装备应用示范，为规模化生产提供硬件基础。

目前国内的主要滚动功能部件生产厂家的高精度设备大部分为进口，国产装备在整体精度及稳定性方面还有较大的差距，要想缩小这种差距，关键在于在应用中不断发现问题，切实地改进问题，不断地积累提高，使国产设备的整体质量更贴近于滚动功能部件加工日益提高的要求，促进滚动功能部件的发展，同时滚动功能部件的发展亦可支撑国产装备的进一步提升，这是相辅相成的，因此加大国产设备的配套还是有必要的。

针对产品的加工工艺，引进专业化及生产线成套专用设备。需要设备制造商深度了解加工工艺及制造成本的要求，对于专用设备及其专用夹具的研究尤其重要。

如导轨和滑块的关键工序为磨削基准面和沟槽，这些设备应为专用设备。而前道加工需求为专用或专用成线配套设备。滑块复合加工设备满足回珠孔及定位安装孔加工（钻、铰、攻螺纹），铣型腔、轨道复合加工的设备，可达到一次装夹完成80%以上的工序。专用滑块精磨基准面设备可以减少磨削余量及磨削加工面，提高加工效率。导轨钻孔、沉孔、倒角（正反倒角）专用设备满足产品批量化生

产需要，钻孔、沉孔尺寸精度。滑块铣端面及倒角，实现自动上下料、自动装夹。滑块由锻件铣面、铣槽、倒角、钻孔、攻螺纹等工艺，形成局部工序生产线，目标为1min/件的加工效率。导轨磨床实现三面同时磨削，效率为30min/4m。

如外螺纹磨床稳定加工P2，部分达到P1，能够实现磨削热伸长、螺距误差、锥度分段计算机补偿，砂轮架螺旋角数控调整，砂轮自动动平衡，金刚滚轮数控自动修整砂轮。螺母磨削中心可以实现滚珠螺母外圆、端面、内螺纹滚道的一次装夹磨削，对刀装置实现返向器孔与内螺纹滚道相对位置的自动对刀，实现非圆法兰产品装夹，固定不同规格螺母的加工程序，不需要单独编程，实现大导程螺母的磨削。滚珠丝杠、滚珠螺母在线检测设备实现滚道锥度、椭圆度在线检测，滚珠螺母内螺纹中径值在线检测，滚珠螺母内螺纹滚道螺距精度在线检测，滚珠螺母内螺纹滚道锥度、椭圆度在线检测。

滚动功能部件国产装备及滚动功能部件本身这两者是相互促进的关系，示范应该是相互的，最好实现滚动功能部件国产装备企业与滚动功能部件加工企业的联合示范，这样一方面滚动功能部件国产装备企业可以更好得了解功能部件在制造过程中的实际需求，另一方面功能部件企业亦可更好地了解产品的实际应用情况。国产专用装备应用示范在主机厂与功能部件厂之间做好分配协调，以承担各自风险。

三是转变生产模式、优化布局，强化新工艺研究，建设规模化生产线。

关键零件制造精度及批量化生产能力提升，主要依靠加工手段数控化、柔性化形成加工生产线，不仅可以有保障地控制产品质量，减少因人为因素产生的质量事故，还可以有效地提高生产率。通过建立产品装配线、检测线，可以稳定装配环节的质量及效率，形成稳定的装配工艺及检测工艺。通过试验手段的不断加强、检验规范的严格实施、制造过程的有效控制以及在管理措施上的坚持不懈，来提高产品的可靠性。

（1）滚珠丝杠、滚珠螺母及其装配过程自动化加工技术研究与应用，实现滚珠丝杠副规模化生产。

研究滚珠丝杠优质高效加工技术，建立规模化制造丝杠生产线。针对滚珠螺纹滚道加工，开展高效精密成型加工技术研究，形成可有效提高加工精度、加工效率和加工表面质量的新方法，以提高滚道加工质量稳定性，降低成本；研究砂轮精确修型技术，采用多线切削滚道加工方法，提高滚道加工效率及稳定性。轴端型式多样化是滚珠丝杠无法形成批量制造的主要矛盾，研究高效的以车代磨技术，实现滚珠丝杠轴端加工中一次粗精车达到磨削效果加工工艺，替代传统先车后磨加工工艺，提高效率，同时开发具有在线自动检测的数控复合硬体切削专用机床，提高零件加工柔性，在一次装夹下，完成轴颈上键槽等部位的铣削加工，提高产品位置精度，提高产品制造柔性，缩短产品工艺流程。滚珠丝杠属于细长类零件，热处理中的变形大造成精加工余量需放大，增加了制造成本和时间，淬硬层不对称，对后期机加工的不对称切削破坏了金属流线，会导致零件的变形，不利于零件加工质量稳定性，研究小变形、高对称性淬火技术，提高滚珠丝杠后期加工质量和效率。研究开发螺纹齿形轮廓与螺纹精度一体化的在线快速检测装置，减少精加工与检测间装夹的环节，缩短加工节拍。

研究滚珠螺母关键加工技术，建立规模化制造螺母生产线。研究螺母微变形淬火技术，减少螺母滚道的精加工余量，缩短精加工节拍。滚珠螺母硬车加工中心代替磨削，实现对淬火滚珠螺母外圆、端面、内螺纹滚道的一次装夹车削，对刀装置实现返向器孔与内螺纹滚道相对位置的自动对刀，可实现非圆法兰产品的装夹，固定不同规格螺母的加工程序，不需要单独编程；实现大导程螺母的车削。完成滚珠螺母内滚道、端面、外圆硬体车削以及各部尺寸的在线检测。缩短滚珠螺母淬火后精加工工艺路径，提高加工效率及质量。

研究高效装配关键技术，净化装配环境，形成规模化丝杠副装配能力。研究滚珠螺母与滚珠丝杠互换性设计技术、互换性加工工艺、互换性精度检测、互换性零件管理及装配技术，达到同规格任意螺母与丝杠互换，实现丝杠副互换性生产。滚珠副总成精度要求高，传统人工检测方法效率低，劳动强度大，检测不确定因素较多，无法实现精确、高效测量。研究利用先进传感技术、激光非接触检测技术，开发多点位置、尺寸精度等高度集成精密检测装置，并配以能对数据进行处理和评判的专用软件，实现滚珠丝杠副总成精度的高效自动检测。

（2）滚动导轨、滚动滑块及其装配过程自动化加工技术研究与应用，实现滚动直线导轨副规模化生产。

研究滚动直线导轨的互换、绿色加工技术，建立规模化导轨生产线。目前导轨的冷拉型材多数采用进口材料，尤其是高精度、大规格及复杂型面的滚柱导轨的冷拉型材全部依赖进口，居高不下的原材料成本已经成为国内导轨成本难以下调的主要因素，严重制约了导轨的发展。研究国产导轨冷拉型材小变形淬火、校直校扭等关键工艺技术，逐步达到进口材料水平，实现批量国产化替代，进一步缩短生产周期、提高效率、降低生产成本。大幅扩大导轨磨滚道磨削加工产能，研究导轨滚道磨削的分规格分线生产模式，通过对影响导轨互换的关键性因素研究，包括导轨中心距尺寸一致性，滚道一致性要求，滚道等高等，对以上尺寸进行精确磨削和在线测量，细化导轨零件管理，对已经检测的导轨按不同精度等级编号、分档，实现信息化管理，从而改变导轨的生产模式，实现规模化互换性生产。

研究自动、复合、高效滑块加工技术，建立规模化滑块生产线。传统的滚动滑块端面铣削、磨削均是通过普通铣床、普通平磨进行加工，每道工序加工一端面后再加工另一端面，加工效率低，劳动强度大。研究数控自动专业化加工方式，配置数控化卧式双端面铣削、双端面磨削流水线，工件通过间断自动输送方式进行自动上下料，自动装夹，进行滑块两端面的精密铣削、磨削加工，达到加工效率高，劳动强度低，质量稳定性好。滑块零件形状复杂，多孔且滚道与孔的相关位置精度要求高，加工难度大，传统的孔加工工序均在加工中心完成，加工完一端后再掉头装夹进行另一端孔加工，精度难以保证，且滑块上加工孔非常多，加工效率极低。针对这种复杂零件的加工，研究多工位多头加工方法，配置圆弧转盘，工件在不同工位同时进行滑块不同位置的孔加工，每旋转一次，相当于完成一个滑块加工，工件不需重复装夹，加工效率高、精度稳定性好，适用于规模化加工。传统的滑块淬火工艺，变形大、氧化皮多、淬火时间长，效率低。研究滑块滚道小变形、高效淬火工艺，提高质量稳定性，实现滑块滚道淬火的高效、稳定加工。

研究滚动导轨副自动、敏捷、智能化装配技术，净化装配环境，形成规模化导轨副装配能力。滚动导轨、滑块实现分线式生产后，要求导轨副的装配实现信息化、智能化管理。导轨、滑块滚道加工结束后，对已经检测的导轨、滑块按不同精度等级编号、分档，实现信息化管理，装配时根据产品需求进行最优化自动匹配领料，实现智能化。滚动滑块由滑块、滚动体、返向器、保持架及密封件等组成，结构复杂，装配要求高，目前均通过手工装配，加工效率低，质量稳定性差。研究标准化装配模式，集成自动化的装配流水线，减少装配过程中人为因素的影响，减小劳动强度、大幅提高加工效率，提升质量稳定性。滚动导轨副总成精度检测项目多，要求高，传统检测方法过程复杂、人工检测不确定因素较多，工作量大，无法实现精确、高效测量。基于相对检测原理，用几何模拟的方法对检测要素按设定的间隔进行若干截面上的数据检测，通过数据处理形成设定范围的检测数据，按照给定的允差值进行质量状态评定与分组。对某一阶段出现的质量问题进行分析与提示，以提高检测效率，也为产品的精度提升提供测量保障。

收稿日期：（20150206）