機(jī)器人行業(yè)新技術(shù)專題(三)：冷鍛工藝極限精度C3兼具高效率低成本優(yōu)勢

圖表21：不絲精要求，性比杠藝的擇 11圖表22：冷和銑工藝比 11圖表23：同個(gè)上形螺和輪加工的比較 12圖表24：行滾絲專利術(shù)域布 12圖表25：主專權(quán)排名 12AI圖表1：人形機(jī)器人發(fā)展情況來源：20/圖表2：絲杠是機(jī)器人木桶短板，當(dāng)前設(shè)備瓶頸極大來源：。（2圖表3：螺紋加工方法分類來源：王旭《行星滾柱絲杠滾柱冷滾壓成形機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究》，1988-2021圖表4：截至2021年行星滾柱絲杠專利分布一級技術(shù)二級技術(shù)19881989199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020211研究1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21123227211573114710713751422261623393138372736131.2嚙合機(jī)理與接觸特性研究1511.3靜剛度與變形研究11.4載荷分布與均載方法研究211231.5摩擦機(jī)理與傳動(dòng)效率研究1122.1車削工藝研究121111112.2砂輪廓形修整及保持技術(shù)121111133442822.3深孔內(nèi)螺紋制造技術(shù)研究1311111131145436210413142.4大長徑比外螺紋制造技術(shù)研究1111133123.1檢測技術(shù)研究1233.2測量試驗(yàn)研究11344224531133.3剛度特性試驗(yàn)研究11133213.4測量試驗(yàn)研究111117431155來源：田青《行星滾柱絲杠技術(shù)專利分析》，（屬5-10低車材利率于70一致差壽命等題因此2014年趙噸張偉采滾壓形法2017圖表5：螺紋滾柱通過模具一次性成型來源：《螺紋滾柱軋制工藝研究》，圖表6：車銑磨工藝與冷鍛工藝加工精度對比極限精度加工精度表面粗糙度加工速度車0.1μIT7~IT5Ra0.04-0.01μm快銑-IT16~IT8Ra0.63-5μm快磨好于0.01μIT8~IT5甚至更高好于Ra0.01μm慢車+銑+磨好于0.01μ較快冷鍛-C5，極限下C3,快冷鍛+磨好于0.01μ--較快來源：荷蘭漢布雷格機(jī)床公司官網(wǎng)，《金屬切削刀具與機(jī)床》，寶飛螺官網(wǎng)，調(diào)研資料，，屬維連的流型組結(jié)緊，使紋強(qiáng)大提，抗強(qiáng)提升20以，抗強(qiáng)升5-10，度升40上（2）精：用擠壓式工螺，紋孔張極，螺行位差成Ra0.4-0.8（4）（5）圖表7：冷擠壓內(nèi)螺紋相比切削具備較多優(yōu)勢考核指標(biāo)冷擠壓相比切削內(nèi)螺紋優(yōu)勢強(qiáng)度提升。拉強(qiáng)提高20以上，剪強(qiáng)提高5~10，內(nèi)紋表的冷硬化層約為0.15mm，硬度提高40以上內(nèi)螺紋精度提升。螺紋孔擴(kuò)張量極小，內(nèi)螺紋行位誤差小，成形精度高，質(zhì)量穩(wěn)定表面質(zhì)量提升。擠壓絲錐的擠壓棱齒表面對內(nèi)螺紋表面產(chǎn)生擠光作用，成形后的內(nèi)螺紋表面光潔度極好，表面粗糙度可以達(dá)Ra0.4-0.8耗材更省。加工過程中沒有切屑產(chǎn)生，大幅提升材料的利用率深孔和盲孔加工更適合。由于擠壓過程中不需要清除切屑，從而避免了因排屑困難或切屑擁塞而導(dǎo)致的絲錐崩刃、折斷來源：陳鑫《內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》，C31831HazardKnowles圖表8：擠壓技術(shù)的國外發(fā)展歷史時(shí)間應(yīng)用國家應(yīng)用領(lǐng)域狀態(tài)18世紀(jì)末法國軟金屬鉛、錫第一次世界大戰(zhàn)后德國有色金屬鋁質(zhì)及鋅質(zhì)電容器充體1937年德國軍工批量冷擠壓鋼彈殼1947年德國、美國冷擠壓技術(shù)正式進(jìn)入民用企業(yè)迅速得到廣泛運(yùn)用速擴(kuò)大發(fā)展速擴(kuò)大發(fā)展精密儀器工業(yè)中日本1957首次引入冷擠壓技術(shù)用于鐘表等很快向汽車、電器行業(yè)應(yīng)用并快來源：伊作芳《冷鍛件生產(chǎn)過程開發(fā)項(xiàng)目質(zhì)量管理研究》，C5C32020C5C3工作行程lu[mm]目標(biāo)行程誤差ep[μｍ]公差等級>≤0135710031546工作行程lu[mm]目標(biāo)行程誤差ep[μｍ]公差等級>≤0135710031546122352210來源：寶飛螺官網(wǎng)， 來源：寶飛螺官網(wǎng)，圖表11：螺紋牙數(shù)和運(yùn)行時(shí)影行星滾柱絲杠精度 圖表12：滾柱絲杠精度損失表粗糙度增加而增加0.0170.016精度損失率(μｍ/h)0.015精度損失率(μｍ/h)0.0140.0130.0120.0110.0100.0090.008Ra0.3 Ra0.5 Ra0.8 Ra1.6表面粗糙度(μｍ)來源：杜興《行星滾柱絲杠承載與摩擦特性研究》， 來源：杜興《行星滾柱絲杠承載與摩擦特性研究》，材料的硬度和彈性模量的增加將提高絲杠精度。在行星滾柱絲杠中，絲桿、滾柱和螺母的螺紋滾道表面硬度通常為58-62HRC圖表13：絲杠精度損失率與料度呈反向關(guān)系 圖表14：絲杠精度損失率與料性模量呈反向關(guān)系精度損失率(μｍ/h)0.0108精度損失率(μｍ/h)0.0104

0.0096精度損失率(μｍ/h)0.0092精度損失率(μｍ/h)0.0100 0.00880.0096 0.00840.00920.0088

54 56 58 60 62材料硬度(HRC)

0.0076

1/1.5 1/1.2 1/1 1/0.8 1/0.5彈性模量比來源：杜興《行星滾柱絲杠承載與摩擦特性研究》， 來源：杜興《行星滾柱絲杠承載與摩擦特性研究》，圖表15：行星滾柱絲杠專利申請圖顯示其還在成長期來源：田青《行星滾柱絲杠技術(shù)專利分析》，2015：2020圖表16：滾壓行星滾柱絲杠制作流程來源：《一種行星滾柱絲杠用滾柱及制造方法》，成本？冷鍛成本預(yù)比車銑磨低50+,主要益于加工速度提升由于行星滾柱絲杠技術(shù)路徑不同，各家的參數(shù)也處于保密階段，我們在此對各參數(shù)進(jìn)行假設(shè)后測算。20/800/臺(tái)（500臺(tái)熱處理設(shè)備方面，車銑磨工藝假設(shè)需要50萬元，冷鍛工藝假設(shè)需要15萬元。假設(shè)設(shè)備按十年折舊。3-105同時(shí)工作才能拉平與冷鍛床的加工速度，因此對應(yīng)車銑床相應(yīng)成本為4000萬元。圖表17：滾壓螺紋相比切削有效率低成本優(yōu)勢 圖表18：滾壓螺紋效率較傳車加工提高近十倍生產(chǎn)率（件

螺紋滾壓機(jī)床 螺紋車削機(jī)床80/min）60402000 10 20 30 40螺紋直徑（mm）來源：齊會(huì)萍《螺紋冷滾壓理論與工藝參數(shù)研究》， 來源：王旭《行星滾柱絲杠滾柱冷滾壓成形機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究》，1818/2/10分鐘/個(gè)/臺(tái)。則單個(gè)行星滾柱絲杠綜合加工時(shí)間為34分鐘。160001kg16銑和鍛藝材料用分為60，對原料本別為27、18元根。圖表19：車銑磨工藝VS冷鍛工藝成本對比測算項(xiàng)目車銑磨冷鍛流程數(shù)值冷鍛數(shù)值車銑磨冷鍛設(shè)備價(jià)格（萬元）冷鐓20冷鐓204.724.72車銑4000滾壓機(jī)500944.44118.06磨2000磨2000472.22472.22熱處理50熱處理1511.813.54總設(shè)備成本（萬元）607025351,433.19598.54-58%材料利用率60%90%2718-33%合計(jì)成本（元/根）1,460616-58%來源：測算測算果示冷工的綜成本在想況比車磨約58。磨的備舊本材本約1460/根，冷鍛工藝約616元/根。主要差異來自于加工效率上的不同。絲杠加工工藝的性能成本四象限圖綜上所述，成本上看，行星滾柱絲杠成本是冷鍛<車銑<磨；由于冷鍛的加工效率是切削加工的2-10倍，加工過程中使用的設(shè)備量少且材料利用率高，因此具備較低的成本。C5C30.1μC0圖表20：絲杠加工工藝的性能&成本四象限圖來源：C5（）C3C5（；C3圖表21：不同絲杠精度要求下，高性價(jià)比絲杠工藝的選擇精度要求高性價(jià)比工藝附加條件C5前段冷鐓，中后段冷鍛①產(chǎn)業(yè)鏈摩擦成本較低C3-C5前段冷鐓，中后段冷鍛①+②材料具備較好的勻質(zhì)性高于C3前段冷鐓，中段冷鍛，后道磨床①+②+③先鍛后磨的工藝成熟來源：寶飛螺官網(wǎng)，圖表22：冷鍛和車銑磨工藝對比工藝路線優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)冷鍛性價(jià)比高：成本低，效率高，綠色環(huán)保，強(qiáng)度大，一致性好技術(shù)不成熟：冷鍛滾柱絲杠尚無批量成熟案例；摩擦成本；產(chǎn)業(yè)鏈配套不成熟車銑磨技術(shù)較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)前主流路線一致性低，加工速度較慢，材料利用率較低來源：《內(nèi)螺紋冷擠壓工藝的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢_陳鑫》，車銑磨技術(shù)較為成熟，其困境在于速度較低。若單磨床的效率提升（通過多線磨頭工藝、復(fù)合磨床工藝等），且高精度磨床實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)以大幅降低磨床價(jià)格，同時(shí)大幅提升磨床產(chǎn)量，則采用磨床工藝最優(yōu)。否則前道還是需要疊加車銑工藝，同樣若車銑的技術(shù)改進(jìn)使得加工速度大幅提升至冷鍛水平，則車銑磨的方式會(huì)持續(xù)沿用，并減少換技術(shù)路線的摩擦成本。圖表23：同一個(gè)軸上成形螺紋和齒輪的加工工藝的比較成形方法設(shè)備數(shù)量設(shè)備復(fù)雜程度成形過程成形時(shí)間現(xiàn)有成形方法減材/切削加工≥2普通設(shè)備按先后順序切削成形螺紋和齒輪比較長