自2009年以来，在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（以下简称“04专项”）的支持下，山东博特精工股份有限公司（以下简称“山东博特精工”）牵头承担了4项有关国产滚动功能部件的课题，具体包括：

“高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨的研制与产业化”课题（课题编号：2009ZX04011-032）：通过该课题的实施，山东博特精工具备了高速、高精、新型滚动功能部件的研制能力，及滚动功能部件性能试验的初步保证手段，课题已通过验收。

“滚珠丝杠的材料、热处理精确控制技术及工艺规范”课题（课题编号：2011ZX04014-031）：通过该课题的实施，完成了滚珠丝杠优质钢材的研制及热处理工艺规范，为滚珠丝杠的批量化生产以及向中、高档方向发展奠定了良好的材料基础，目前该课题已通过技术验收。

“滚动功能部件产业化关键技术及装备开发与应用”课题（课题编号：2012ZX04002013）：开发了批量化生产滚动功能部件的工艺流程、工艺规范、检测仪器及检测规范，具备了滚动功能部件的所有性能试验手段并建立了相应的试验标准。目前该课题正在进行中，计划于2016年底验收。

“精密机床主轴高效、柔性加工生产线”课题（课题编号：2013ZX04012051）：已按照合同书要求，制定了整体方案并开始实施，完成了关键设备及检测仪器的招标工作，其中，采用国拨资金购买了试验设备——HS300和HS400动平衡仪、圆柱度测量仪及自制的检测设备，同时自筹资金购买了车铣复合加工设备，设备已投入使用。目前，山东博特精工正围绕生产线的过程监控及信息化管理开展调研、论证和优化工作。课题参与单位——北京第二机床厂有限公司及无锡机床股份有限公司的课题方案也已制定完成，正在推进之中。按计划，课题将于2017年6月验收。

通过课题的实施，山东博特精工起草了4项标准，获得了55项授权专利，其中发明专利3项，见表1、表2所示。

表1 山东博特精工起草的标准

表2 山东博特精工获得的专利

系列化新产品已形成批量生产能力

随着“高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨的研制与产业化”课题于2009年的实施，以及"滚动功能部件产业化关键工艺技术及装备开发与应用"课题于2012年的实施，山东博特精工在基础理论研究、加工技术研究和检测技术研究的基础上，围绕滚珠丝杠副和滚动直线导轨副等主导产品，不断完善了产品的结构设计，研制开发出KD4016X2200和KD4020X2450高速精密滚珠丝杠副，以及LZG45KL2F22、LZG55KL2F22和LZG65KL2F22高速重载直线导轨副等新产品。2016年4月，在CCMT2016展会举行的“高档数控机床科技重大专项滚动功能部件产品性能测试结果发布会”上，这些新产品的主要性能指标被公认为已接近国外同类产品的水平。

目前，山东博特精工开发的高速、精密和重载系列化产品，已形成批量生产能力。其中，K和KD系列的端塞式加工中心用高速精密滚珠丝杆副产品，公称直径25～80mm，稳定批量加工精度达P2～P3，部分达P1级，运行速度可达60m/min以上，DN值12万以上；外循环重载滚珠丝杠副，公称直径在50mm以上，采用均载化技术，通过对适应度、接触角、返向装置布置、材料选用和热处理技术的优化，提高了产品在重载工况下的抗疲劳性及可靠性；LZG35-65系列滚柱直线导轨副的精度为P1～P3级，其中70%以上的产品超过P2级，噪声不大于72dB，运行速度90m/min。

高速精密滚珠丝杠副：精度P1级，速度60m/min，用于加工中心、全机能数控车床、数控冲床和数控激光设备

重载滚珠丝杠：大钢球、多头螺纹、高可靠的反向机构

行星滚柱丝杠：高寿命、大载荷、高速度、高可靠性，直径20～120mm,最大动载荷80t，用于数控压力机、数控注塑机，以及军工、航天等加工领域

加工中心用电主轴：可生产ER系列、ISO25、ISO30、BT30、BT40和BT50，最高转速24000r/min，功率40kW，扭矩400Nm

车床用电主轴：可生产A2-4、A2-5、A2-6、A2-8和A2-11等规格的电主轴，最高转速12000r/min、功率40kW、扭矩800Nm

LZG45、LZG55和LZG65滚柱直线导轨副获“国家重点新产品”称号

产品结构的优化设计

1. 高速滚珠丝杠副螺母循环返向结构的优化设计

滚珠在螺母体及返向装置中高速运转，会对螺纹滚道与返向的接口部位以及返向装置的回珠通道带来较大的冲击和磨损。如果让回珠曲线沿螺旋线的切线方向进出返向装置，就可以减少钢球因运动方向发生变化而带来的撞击力。为保证钢球在双圆弧螺纹滚道与回珠通道之间的平滑过渡，山东博特精工对回珠滚道的内径进行了分段拟合，达到了钢球逐步卸载和加载的效果。通过控制回珠通道与钢球的间隙，保证了钢球在通道内不发生楔紧现象，且摩擦力较小。同时，结合螺母的承载能力，冷、热加工性能，山东博特精工综合设计了螺母及返向装置的结构。经过多次分析、试验，选用了端盖式结构的循环返向装置。基于有限元软件，山东博特精工建立了反向器的有限元模型，加载求解进行应力场分析，计算出了反向器的最大应力、应变，显示三维应力等值面，从而为反向器的优化分析提供了充分的理论依据。

端盖式结构的循环返向装置

2.高速滚柱直线导轨结构的优化设计

对滑块返向器的结构进行优化设计，使得滚柱在进入和离开返向器之前，能逐步卸载和承载，从而减少了冲击，降低了噪声；通过优化返向器返向槽的曲率半径，尽量减小离心力，使得滚柱返向更加平稳；通过优化返向通道结构，使得滑块在满足承载要求的前提下，结构更加紧凑，返向更加流畅；通过让滚动体处于油膜接触状态，降低了高速运动时的噪声，使运动更为平稳。以滚柱的接触特性、赫兹压力和整体质量为优化目标，以滚柱直径、滑块返向器等几何参数、材料性能为变量，山东博特精工采用优化数值算法进行优化，改进了滚柱导轨副的结构。

高速滚动导轨副横剖断面图

高速滚动导轨副侧剖断面图

布局合理的工艺流程

通过研究分析，山东博特精工认为，硬铣削加工前，坯料的外圆尺寸、表面粗糙度、直线度、椭圆度、淬硬层深度及均匀性，以及加工过程的冷却和刀具精度的控制等，都会影响产品的加工质量，因此，针对上述几个方面，采取了相应的控制措施，优化了加工流程，确保了质量稳定的批量化生产。

以螺母车铣加工为例，山东博特精工实现了一次装夹完成外圆、内孔、滚道和返向器孔的加工，从而确保了始终如一的批次质量，这对于“保证返向器孔与螺纹的相对位置关系，避免在磨削时出入口处的滚道位置偏离返向器滚道”是至关重要的一步。

目前，山东博特精工已形成了完善的滚动直线导轨副批量化生产工艺。新的生产线布局依据相邻工序就近的原则，缩短了工件的周转时间，并尽可能地采用一次装夹完成多个工序的方式，消除了多次装夹产生的误差，产品的整个加工过程尽可能做到少人操作，从而有效地避免了人为操作带来的误差，最终确保了产品精度。

先进检测设备的研制开发

长期以来，功能部件生产企业大多只重视对产品加工精度的检测,缺乏对产品综合性能指标的检测。在04专项的支持下，近年来，山东博特精工研制开发出了滚珠丝杠副综合性能试验台、静刚度试验台、摩擦力矩测试仪、可靠性寿命试验台、精度保持性试验台以及滚动直线导轨副综合性能试验台、静刚度试验台、精度保持性试验台等20多台套产品性能检测设备；购置了红外热像仪、材料成分快速分析仪、齿形粗糙度测量仪和三坐标测量仪等专用设备；自行研制开发了多台用于产品加工过程质量控制的检测装置和测量仪器。借助这些检测试验平台，并通过与多所高等院校的紧密合作，开展了一系列的试验研究工作，最终确保了产品质量和性能的提高。

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机械行业滚动功能部件重点试验

滚珠丝杠副可靠性寿命试验台 

滚动直线导轨副综合性能试验台

滚动直线导轨副精度保持性试验台

滚珠丝杠副静刚度测量仪

滚动直线导轨副静刚度试验台

导轨轨道圆弧度与粗糙度检测

螺母滚道轮廓仪齿形检测

购置关键工序加工设备，形成批量生产能力

在对产品批量化生产工艺持续优化的基础上，山东博特精工投入5000多万元配套资金，购置了20余台套的关键加工设备，完成了1.5m、2m半螺纹磨床的数控化改造，建成了具有国内领先水平的滚珠丝杠、螺母和滑块生产线，极大地提高了产品批量生产的质量稳定性。这些关键设备包括：德国Leistritz的8m、2m旋风硬铣加工中心，螺母车铣复合加工中心，螺母磨削加工中心，高精度导轨、滑块磨床等。

左：滚珠丝杠生产线  右：滚珠螺母生产线

螺母车铣复合加工中心

螺母磨削加工中心

基础理论研究

在实施“滚珠丝杠的材料、热处理精确控制技术及工艺规范”课题的过程中，山东博特精工开展了滚珠丝杠感应加热有限元数值的模拟研究：分析了温度场对磁场、电场和电流密度分布的影响，分析了冷却带宽度对温度场和相变的影响，分析了感应器匝数、形状对淬火质量的影响。通过有限元数值模拟，获得了最佳的加热参数；通过对感应器的改进，获得了最佳的淬火层；通过与国外先进水平的对比，对实际效果进行了验证。

热处理工艺及材料研究

山东博特精工还对滚珠丝杠热处理工艺进行了研究，解决了滚珠丝杠的淬硬层硬度分布、热处理畸变等问题。通过研究和试验，以及对工艺的精确控制，掌握了预先热处理、淬火、回火和稳定化处理过程中组织变化的规律及其对耐磨性、接触疲劳强度和组织稳定性的影响。根据滚珠丝杠工作时的受力特点，优化选择并研制出滚珠丝杠专用CrMo钢材料，提高了滚珠丝杠的耐磨性和接触疲劳强度。该材料的特点是：淬透性好，淬火后残余奥氏体少，冷加工工艺性稳定，磨削裂纹倾向小。为提高滚珠丝杠副的精度保持性和可靠性，山东博特精工制定了滚珠丝杠热处理精确控制工艺规范，为滚珠丝杠的批量化生产，以及向中、高档方向提升打下了良好的材料基础。通过引进淬火生产线，解决了产品的热处理难题。产品的制造工艺部分达到世界同类先进水平。基于此，2016年该项目被机械工业联合会评为“优秀科技成果奖”。

实验室建设情况

自2009年以来，在04专项的指导和专项资金的支持下，山东博特精工与国内高等院校合作，率先于国内建立了一个试验设备齐全的功能部件综合性能实验室，开展了对产品各项性能的试验分析，试验内容涵盖了寿命、精度保持性、批次故障率、动载荷、静载荷、速度、加速度、温升和噪声等指标。2012年5月，该实验室被中国机械工业联合会认定为“机械工业滚动功能部件工程实验室”。

山东博特精工的功能部件综合性能实验室被中国机械工业联合会认定为“机械工业滚动功能部件工程实验室”

整体研发能力显著提升

以中国机械工业联合会认定的“机械工业滚动功能部件工程实验室”、山东省科技厅认定的“山东省滚动功能部件工程技术中心”为依托，在04专项的支持下，山东博特精工与课题参与单位山东建筑大学合作，开发出“滚珠丝杠副、滚动直线导轨副”快速设计开发平台。该平台覆盖了结构优化设计、自动化装配、动态仿真和机械CAD工艺图等功能模块，从而采用参数化建模方式，极大地提升了新产品的开发能力和开发速度。

随着04专项课题的实施，山东博特精工加快了人才队伍建设的步伐，骨干技术人员数量日益增多，为企业发展带来了后劲。自2009年以来，公司新增正高级职称人员3人，高级职称人员12人，各类从事产品开发和工艺研究的中级技术骨干26人。其中，在读工程博士1人，在读工程硕士4人。

管理上一新台阶

通过专项课题的实施，山东博特精工引进了先进的管理方法和管理模式,利用信息整合技术对经营业务、产品开发和产品加工的全流程进行了系统的整合与控制，建立了全面唯一的数据库，实现了公司内部数据的集成和联动，有效地精简了数据流，实现了资源的高度共享。因此，采购成本降低了10%以上，销售成本降低了5%以上，库存占压降低了30%以上，产成品成本降低了10%以上,产品设计、工艺设计和新产品开发效率提高了30％。

在产品质量管理方面，已从“注重生产全过程管理和检测把关”的被动模式，逐步转向“追求客户满意”的价值理念，并努力从思想观念、业务素质、事业心、责任心及职业道德等方面，培养员工的自发自觉性，并配合培训和激励措施，调动了员工的积极性，从而为质量管理体系的落到实处提供了保障。

市场竞争力明显增强

通过专项课题的实施，山东博特精工实现了设备的升级改造（设备数控化率由35%提升到75%），建成了先进的生产线，优化了生产工艺（工序质量得到稳定控制），开发了系列新产品，且产品的交货期、质量（产品合格率提升了5%，滚珠丝杠、直线导轨的精度由P3提升到P1）、成本和价格等都满足了市场的需求，因此市场竞争力明显增强，业务范围已从仅服务于机床行业逐步扩展到了航天、军工、轨道交通和新能源汽车等终端应用领域，企业发展后劲强劲。

存在的差距及今后努力的方向

通过前期课题的实施，山东博特精工在滚动功能部件的加工精度、批量稳定性以及试验能力等方面取得了明显进步，对影响滚动功能部件性能的关键因素有了较为明确的认识。围绕课题成果，仅就国产滚动功能部件的精度、承载能力和刚度而言，与国外产品的差距已明显缩小，但产品的平均无故障时间、精度保持性等仍存在很大的差距，需要在可靠性设计、滚道加工和研磨技术，以及摩擦理论研究等方面继续深入研究。

此外，还需要加强与功能部件的附件企业展开密切合作，包括轴承、钢球、返向器、密封和润滑等，以推动国内的功能部件附件企业提升产品的质量和性能，促使他们能够针对功能部件的性能要求，研制开发出专用的附件产品，满足功能部件企业的需要。

建议

希望04专项能够加大对功能部件相关课题的设备支持力度，特别是用于关键工序的数控化设备，如数控螺纹磨床、数控滚珠螺母磨削中心、数控淬火设备、数控导轨磨床、数控滑块磨床和数控校直设备等。