南京理工大学教授 冯虎田

近十多年来我国滚动功能部件产业有较快发展，但与当今世界先进工业国家水平相比，依然差距明显，行业长期积累深层次矛盾日益凸显。特别在2012年滚动功能部件行业形势非常严峻：合同逐月急剧下滑、货款回收困难、企业盈利下降，职工停工降薪。产量特别大的、低档次、小型数控车床、铣床、线切割机、雕刻机、木工机械等行业，为其配套的滚珠丝杠副、滚动直线导轨副生产企业，大多订单下滑30%以上，个别企业达到80%以上，形势岌岌可危。

行业发展症结

发展症结一： 产业集中度低，低端产品产能严重过剩

据不完全统计，2011年市场正常年份，以功能部件行业中产业化规模最大的滚动功能部件为例，总产值超亿元企业有5家。大多数生产滚珠丝杠单一产品企业，年生产能力在5 000万元以下，而且大部分小企业缺乏技术研发能力和检测设备。滚动功能部件产业是在发展数控机床的急迫需求下催生出来的，这些企业技术创新能力不强，拥有自主知识产权和专利技术项目少。

滚动功能部件产业相对分散，目前国内30多家滚珠丝杠和滚动直线导轨制造企业产值不足6亿元，无论是与我国2010年金切机床总产值1 306.0亿元和成形机床总产值407.5亿元相比，还是与中国台湾上银（HIWIN）一家企业2010年近100亿元的年产值相比，产业规模都很小，产业链严重失调。滚动功能部件行业长期以来资金投入严重不足，技术基础和产业化基础薄弱，产业发展困难重重，未能形成具有影响力的著名企业和产业集群。

产品品种单一、产品结构及尺寸系列雷同化，形成了中小企业在低端产品市场迅速聚集而产品又过于同质化的局面。在产品的技术水平和质量方面存在明显差距，行业中重点骨干企业的部分产品达到或接近国外21世纪初的先进水平，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。

高性能、高档次的产品，例如在高速、精密、重载方面与当今世界先进水平差距较大。在高速方面差距最大，在机床上配套的国内产品目前最高达到40～60m/min的速度，国外最高速度已达到120m/min，在试验台上能达到200m/min左右。目前我国采购的使用在机床上的国外产品大多是60m/min。在重载方面，主要表现在寿命、承载能力上有很大差距。在精密方面，起始精度与国外相当甚至优于国外，但精度保持性及功能可靠性差，这和基础研究、工艺、原材料及观念都有直接关系。

发展症结二： 对机床行业依存度大，对其他行业适应度差

长期为主机配套形成的对机床这一单一市场的依存度降低了对装备制造各产业需求的适应度。在装备类机电产品中，机床的工作环境、工作条件、受载状态相比之下工况条件较好。以滚珠丝杠为例，一般数控机床对滚珠丝杠和直线导轨的要求主要侧重在定位精度、重复定位精度、系统综合刚度、对CNC指令的灵敏度、运动的平稳性等方面。对机床而言，经统计分析滚珠丝杠副“疲劳寿命”问题出现很少，反应最多的是精度保持性差。

长期以来我国滚动功能部件的制造企业偏重于关心产品的精度指标，而对包括“疲劳寿命”、功能可靠性、精度保持性在内的性能指标却被严重淡化或研究不够，最近四年通过国家科技重大专项的课题支持，南京工艺、汉江机床、济宁博特、大连高金、广东凯特等骨干企业已对此有深刻认识，并结合重大专项采取针对性措施加以试验研究，目前精度保持性指标确定为3 000h，功能可靠性MTBF大于4 000h，此目标实现还需以时日。

目前滚动功能部件产品进入航空、航天、重型机械、军工装备等领域暴露出技术软肋，即功能可靠性差、精度保持性低、疲劳寿命及磨损寿命低。国外，滚动功能部件作为线性传动产业，应用面很广泛，机床大约只占30%～40%市场份额。这方面国内也有成功案例，如南京工艺开发的用于注塑机行业的重载滚珠丝杠，在承载能力，疲劳寿命等方面有突破，形成自己特色；汉江机床开发的用于高速铁路的“转辙机滚珠丝杠副”，经过120万次无故障运行，其使用寿命超过国外同类产品，成为高铁项目替代进口的首选，这是该公司继研发CNC10m超长丝杠磨床和CNC长行程旋风铣床并向市场推出10m超长大型滚珠丝杠之后，向“大、精、高”方向和市场多元化方向又迈出了一大步。

发展症结三： 设计开发能力差，制造工艺技术落后

功能部件企业设计开发能力差，多数产品档次低，工艺落后，规模化产业化程度低，质量不稳定，产品在技术性能、水平和产业化方面与国外先进水平存在较大差距。据金属加工杂志社发布的产业调查结果，高档功能部件产品市场占有率低于5%，中档功能部件产品市场占有率不足30%，导致机床主机行业对中高端功能部件产品的需求主要依赖国外和中国台湾产品，与机床行业产业结构调整和快速发展的要求很不协调，目前已成为制约国产高档数控机床快速发展的瓶颈之一。

传统的工艺和装备制约了制造技术创新。数十年一贯制的以螺纹磨削为主的传统工艺，生产效率低、耗能、费工、环境污染等问题得不到根本解决。而国外，高效环保的螺纹CNC冷轧成形技术、CNC旋风硬铣技术已广泛应用。这方面国内也有成功案例，如汉江机床自主开发的国产CNC长行程旋风铣床技术已得到成功应用，南京工艺、济宁博特、大连高金以进口设备为主的旋铣加工技术已得到广泛应用。另外，用于滚动功能部件的国产GCr15钢等原材料，不能适应工艺革新的要求，制约了高效制造技术发展。丝杠耐用度、精度保持性、噪声、变形量等都和材料有直接的关系，国内原材料供应技术水平低，性能不稳定，造成热处理后变形大，不利于规模化生产。

发展症结四： 基础理论和基础性能试验的研究投入少

我国高速、重载、精密滚珠丝杠设计与应用研究仍处于起步阶段。造成国内产品与国际先进产品差距的主要原因：缺乏产品理论的研究，特别是产品性能方面的理论研究较少；在材料及热处理工艺方面没有突破；产品性能试验起步晚，没有给理论研究提供依据；反向器优化设计创新度跟不上数控机床高速度需求；传统的冷加工工艺突破少，先进的制造技术采用不够；对高速度时下产品的性能指标还没有形成标准。

随着滚珠丝杠的运动速度不断提高（高速加工中心运动速度要求60m/min以上），重载滚珠丝杠副承载达到700kN以上，传统的分析方法及设计理论已不能满足产品制造的要求。在结构优化设计方面，一方面通过理论分析，研究影响高速丝杠动力学性能指标的主要因素和结构设计参数；另一方面通过试验研究分析国外先进产品的结构设计特点，借鉴国外先进的设计和制造经验，缩短研制周期。采用理论分析与试验研究相结合的方法，不断完善结构设计、提高关键零件的加工制造精度。

突破关键技术

当前滚动功能部件产业面临三大急需解决的问题：其一是迅速研制出高性能、高档次的产品，以满足国产高档数控机床产业化的需求；其二是迅速提升制造技术水平，从革新工艺入手，提高批量生产的产品质量和生产效率，缩短制造周期；其三是功能可靠性与精度保持性是研究的重中之重。围绕这三大问题，实现产业化的关键是加大技术投入和资金投入。

关键技术一： 普通型和特殊型发展并举，突破高性能新产品设计开发关键技术

为了满足高温、低温、无润滑、水下或露天等特殊工作环境要求，开发“特殊型”滚珠丝杠副。主要用于航空和核工业。美国用于飞机上的特殊滚珠丝杠副占全部用量的30%以上，主要供飞机襟翼和尾翼操纵系统、喷气发动机推力换向开关和燃烧室喷嘴位置的调整装置。英国生产的特殊型内循环滚珠丝杠副，用于飞机起落架操纵机构、直升飞机等。滚珠丝杠传动用于核反应堆控制棒的驱动装置，可防止反应堆发生危险。

国内普通型滚珠丝杠副的开发，对冷轧滚珠丝杠副做了大量工作，取得了相当大的进展，目前已能生产冷轧型滚珠丝杠副，填补了国内在滚珠丝杠副产品方面的空白，主要用于普通机床。在特殊型滚珠丝杠副方面，则研制了空心丝杠和沉淀硬化钢滚珠丝杠副，用于航空、航天工业、核工程等虽然起步较晚，但发展较快，成绩显著，力争几年内赶上国外生产水平，潜力很大。另外，批量生产精密高速滚珠丝杠副的制造技术和装备；与直线电动机配套的高速、高刚度、低噪声精密滚动直线导轨副；根据主机的需要研发智能化、复合化、机电一体化的高性能滚动功能部件产品；用于重型数控机床的高精度、高刚度滚柱直线导轨副；开发滚动功能部件绿色产品。

关键技术二： 提升制造工艺及装备水平，掌握核心高效、高精加工关键技术

生产流程中的关键工序实现CNC化，包括CNC车削中心、CNC丝杠磨床、CNC内螺纹磨削中心、CNC中频淬火设备等。CNC丝杠磨床不但可获得很高的导程精度、双头螺纹的分度精度，还可自动补偿由于砂轮磨损导致丝杠中径尺寸的变化，而这恰恰是高速传动要求全行程内预紧力矩和刚度稳定所需要的。在CNC内螺纹磨削中心上滚珠螺母一次安装完成内螺纹滚道和装配基面的精磨，这将大大提高丝杠副在主机上的安装精度，使高速传动更加平稳。

满足尺寸稳定性、可靠性、易成形性和生产效率要求的新材料及热工工艺及其装备的开发，滚珠丝杠精密冷轧技术及装备的国产化，P3级以下的滚珠丝杠全面推广冷轧工艺。为了确保高速运行时的安全和可靠性，要从冷热工艺入手严格控制产品的内在质量。首先要严格控制原材料的品质，其次要在冷热加工的全过程实施“小变形无裂纹”工艺。采用CNC中频淬火工艺既能达到硬度和硬化层深度的要求，还可减少淬火过程中的弯曲和轴向变形，使丝杠全长上硬度均布。对滚珠螺母实施光亮（真空）淬火不但可减小变形、避免淬裂倾向，还能改善硬化层的质量，提高疲劳寿命。对于空心滚珠丝杠，采用内排屑深孔钻和双喷油深孔钻系统，能够满足高速滚珠丝杠对深孔的直线度、表面粗糙度以及与外圆同轴度的要求。

引进并消化吸收“CNC精密旋风硬铣削”技术，装备国产化使P3级以下以旋风铣手段部分取代螺纹磨削；滚珠返向装置的优化设计及一次成形制造技术的产业化；提高滚道廓形精度的相关技术。采用CNC砂轮修正器或金刚滚轮可对大螺旋升角的双圆弧滚道型面进行矫正，可获得高精度的滚道截形，使滚珠与滚道的适应度处于最佳状态，从而提高接触刚度，改善滚珠在快速滚动时的流畅性。如果再对螺纹滚道抛光或超精研抛，滚道表面粗糙度值Ra可达0.04～0.08μm，滚珠与滚道的吻合度可提高20%左右，可大大降低高速运行时的噪声，增加疲劳强度。

关键技术三： 精度保持性及可靠性成为今后行业研究关键技术重中之重

高性能数控机床离不开高性能功能部件，作为数控机床关键功能部件的滚动功能部件在精度保持性和功能可靠性方面问题非常突出，急需进行技术攻关来解决。目前国内滚动功能部件高端产品市场大部分由国外厂家或外资企业所占领，严重影响到我国高端数控装备的自主研发与国产化，因此，从精度保持性和功能可靠性入手，提高滚动功能部件的性能和质量已成为国产滚动功能部件生产企业的当务之急，直接影响到我国机床行业和装备制造业发展。

国外企业和外资企业在滚动功能部件精度保持性和性能可靠性方面技术领先，开发了一些相关的试验与检测设备。国内滚动功能部件生产企业规模一般不大，在滚动功能部件精度保持性和可靠性技术方面大多基于经验模式，缺乏针对性系统研究，没有建立起滚动功能部件可靠性试验体系与试验规范，指标笼统且难以进行量化考核。

针对目前国产滚动功能部件在精度保持性和功能可靠性方面难以满足高端数控机床产品要求的这一现状，非常有必要对滚动功能部件精度保持性和功能可靠性进行系统研究，尤其应该注重可靠性试验研究，争取在国内滚动功能部件生产企业建立完善可靠性研究体系，提高滚动功能部件使用性能，进而提高其在高端产品市场竞争力。滚动功能部件可靠性研究是一个系统工程，主要围绕滚动功能部件精度保持性和功能可靠性从可靠性设计、可靠性分析、可靠性试验、可靠性评估和可靠性增长等方面进行方法与技术研究。目前南京理工大学、南京工艺、汉江机床、济宁博特、大连高金、广东凯特等骨干企业承担的重大专项主要任务之一就是滚动功能部件精度保持性和功能可靠性研究。

（1）滚动功能部件失效机理分析 目前国内企业对滚动功能部件失效模式具有实际经验，但在其失效机理分析方面基础研究非常缺乏，这也是阻碍国产滚动功能部件性能实现突破的一个关键因素。要完成好滚动功能部件失效机理分析，需要从动力学、接触力学与微观检测分析角度出发，从如下几个方面开展研究：滚动功能部件动力学分析与接触应力分析、滚动功能部件接触表面状态检测与分析、失效过程建模与机理分析等。

（2）滚动功能部件可靠性设计技术 大量的工程实践证明，滚动功能部件产品故障原因，25%以上来自设计上缺陷。因此，充分做好滚动功能部件产品的可靠性设计工作是保证产品设计质量重要手段。

（3）滚动功能部件可靠性试验技术 国内企业很少有针对滚动功能部件进行系统化可靠性试验方法与技术，同时缺乏专门针对滚动功能部件进行可靠性试验相关设备，很难针对性地提高国产滚动功能部件的使用寿命以及可靠性。基于这种现状，非常有必要围绕可靠性试验进行方法技术研究与相关试验设备开发，具体包括：滚动功能部件可靠性工程试验方法与技术、可靠性测定与验证试验方法及技术、可靠性模拟试验设备开发、滚动功能部件精度和性能测试系统开发等。

（4）滚动功能部件可靠性增长技术 滚动功能部件可靠性增长技术是改进和提高滚动功能部件产品质量以及可靠性的重要手段，而且是一种贯穿于整个滚动功能部件生产制造与使用过程的技术。滚动功能部件可靠性增长技术是一个不断向前推进的过程。它是随着滚动功能部件产品设计、研制、生产、使用阶段工作的逐渐进行，产品的可靠性特征量逐步提高的过程。实现滚动功能部件可靠性增长的手段包括：产品设计与制造中缺陷改进；产品筛选、老炼与磨合；生产技术、生产设备及其运行情况、生产工艺改进等。在滚动功能部件可靠性增长技术方面，主要围绕提高产品可靠性进行产品结构、加工工艺和质量管理等多方面的改善与提高，属于一个系统化的综合技术。

行业发展对策

发展对策一： 整合滚动功能部件行业科技资源，强化基础及试验等共性技术研究

国内针对滚动功能部件共性技术研究相对比较落后，各龙头企业多采取与一个或两个高校联合研究方式，没有在产业内建立共性技术研究平台。行业共性技术研究面临挑战。国家科技重大专项的科研管理体制促进了行业的整体技术提升，机床滚动功能部件行业目前零散的科技研发资源现状希望政府加强协调。在滚动功能部件经费投入方面，专项对于共性技术研究的经费投入并不充裕，这就阻碍了滚动功能部件产业在自主知识产权和关键核心技术创新方面的进展。

2009年科技重大专项立项的“高速重载精密滚珠丝杠及直线导轨”项目布局上，涉及共性技术的研究计划设立和研发内容上缺乏明确清晰的分工和协调一致的合作，从而出现各参研单位研究内容重复、研究计划间的衔接不够紧密、甚至有些研究的关联性不强、共性技术开发能力被削弱、研究成果市场化应用效益不明显等问题。

企业对于共性技术研发参与度较低。企业是技术创新的主体，但在共性技术的研究领域，由于共性技术的外部特征所导致的市场失灵和组织失灵，再加上共性技术研发对滚动功能部件企业资金投入、人才投入、科研设备等具有很高的要求，使得企业没有能力或者没有动力去进行共性技术的开发。目前，单单依靠滚动功能部件行业内的以一个企业为主的工程中心（南京工艺装备制造有限公司滚动功能部件工程中心、济宁博特滚动功能部件工程中心）、研究所（陕西汉江机床有限公司滚动功能部件研究所）或者研究型大学（南京理工大学滚动功能部件基础研究实验室及项目组）开展缺乏紧密联合的共性技术开发容易导致共性技术市场化导向不强，共性技术开发转化率偏低，因此目前共性技术开发方式急需要大学、研究所、骨干企业的联合积极参与，即滚动功能部件行业基础研究条件突出的大学联合行业龙头企业，实现强强联合，共建研发平台，促进知识和技术累积，提升自主创新能力。

有长期滚动功能部件研究背景和条件的研究型大学在基础研究方面的能力未能得到充分利用。研究型大学以培育硕士生和博士生等研究型人才为主，具有良好科研设施和环境。从基础研究角度来看，研究型大学主要作用是进行公共知识和基础知识的研究开发，共性技术开发以基础研究为起点，因而，共性技术研究和技术开发应该充分发挥研究型大学在基础研究方面的优势，将大学作为其开发主体，有利于大学实现科技资源和人力资源开发的最优组合和高效利用。

从我国滚动功能部件行业相关的研究型大学发展实际来看，长期从事滚动功能部件研究并建立一支稳定的研发队伍的大学不多。尽管大学在基础性研究方面有一定的优势，但是有一些大学的研究未与产业发展实际紧密结合，有脱节现象。根据科技部门的统计，目前我国工业企业与国内其他企业、高校、研发机构合作完成的项目仅占全部R&D项目的20%，而高校每年大量的科研成果实际转化为生产力的还不到30%。

可喜的是，国家科技重大专项专项办、总体组高度重视共性技术研究的重要性，南京理工大学牵头联合南京工艺、汉江机床、济宁博特、大连高金、广东凯特、北京机电院、国家机床监督检验中心等骨干企业联合攻关“滚动功能部件共性技术”，采取“产、学、研、用”相结合的方式促进高档产品的开发与推广应用。通过“研发—性能试验—试用—改进提高—完善定型”这样的过程逐步实现自主化。在滚动摩擦理论、力矩特性、动静刚度特性、高速和微动时的动态摩擦特性、滚动体在不同工况下的运动机理、振动与噪声、可靠性试验与评估技术、标准制定等多方面踏踏实实地做一些试验研究，重点解决行业内各企业存在的共性技术问题。

目前研究进展顺利，有望在多个方面取得共性技术成果，服务全行业，提升行业自主创新能力和体系建设，建立人才培养机制，实现共性技术辐射，研究批量生产的制造技术和装备，整体上提高产品的精度和性能，推动国产功能部件的应用，树立国产品牌，尽快扭转中高档滚动功能部件长期依赖进口受制于人的局面。对此关乎全行业发展大计的发展策略必须长期坚持。

发展对策二： 加大产品结构调整力度，开拓高端及多元化市场，推进专业化生产

调整产品结构，实现市场多元化，瞄准国家重点投资领域去开拓市场。2012年新一轮全球装备市场疲软危机，我国机床产业出现两极分化。一方面，低端产品需求下滑；另一方面，大型、重载、精密、高速、多轴联动、复合化高端数控机床国内市场需求依旧保持上升态势，还在大量进口。两极分化现象也投射到对机床产业依存度很大的滚动功能部件产业中来。明智的决策者应果断地把危机的冲击力迅速转化为向滚动功能部件的“大、精、高”冲刺和实现市场多元化的推动力。

提高设计水平，将先进的加工技术、手段引入到生产实践之中。高速、重载条件下滚珠丝杠副提高工作性能及可靠性，必须从设计入手。通过优化设计、参数设计、动态设计、可靠性设计等理论及方法，突出循环返向系统等结构优化、创新设计，与预紧方式、润滑方式、冷却方式等已有成果有机结合，进行深入研究，提高设计水平。在螺纹制造技术中应推广高速干切削技术、CNC旋风硬铣削技术、冷轧成形技术。

对高速硬车削、旋风硬铣长丝杠等新的加工工艺方法进行深入的研究，从高速切削机理、切削力状态、刀具寿命、工艺参数对切削表面质量的影响等方面进行关注。着重解决螺纹滚道齿形误差控制、螺纹滚道加工热变形控制及表面粗糙度控制、螺母反向器孔的对中性、大螺旋升角螺母加工干涉等问题，在深入研究的基础上推进功能部件和关键加工设备的性能改进。在滚珠螺母制造中采用CNC车铣中心、CNC内螺纹磨削中心复合加工技术。在返向机构的制造中采用金属粉末注射成形MIM技术和高强度工程塑料一次成形技术。在推广高效绿色制造技术的过程中首先要突破材料关，企业与高校和研究院所合作共同研发用于高速硬切削的易切削微变形钢、用于冷轧成形的延伸率好、滚压特性优良的钢材。

发展对策三： 加强政策扶持

本着技术高起点、生产规模化、配套专业化的原则，选择一批基础较好的功能部件生产企业，以专项的形式加大国家政策支持力度，通过引进技术、合资合作、“产学研”结合自主开发、加大技术改造力度等方式，推进功能部件产业化。支持有技术优势的大型企业集团通过产品结构调整与对外合资等多种形式，建立功能部件专业制造厂；鼓励中小机床厂转型为功能部件专业生产厂，加快产业化进程。

通过重点培育国产品牌，实现主要功能部件的配套基本立足国内，促进功能部件与制造基础装备的同步发展。对于战略性产业我们要向西方国家那样，采取市场经济与政府扶持相结合的政策，只有扶持到位才能立竿见影。希望政府继续从财政、税收、金融等方面，对国产功能部件产品加大扶持力度。对国内能够生产的机床功能部件产品，进口不能免税。在招投标活动中，应明令禁止限制采用国产滚动功能部件的条款。