超精密机床导轨研究

2015-12-20赵阳王旭

决策与信息 2015年36期

关键词：滚珠静压导轨

赵阳王旭

沈阳机床股份有限公司辽宁沈阳 110142

超精密机床导轨研究

赵阳王旭

沈阳机床股份有限公司辽宁沈阳 110142

精密与超精密加工技术是现代高科技产品的发展基础，是现代制造科学的发展方向，同时也是发展尖端技术、国防工业及微电子工业等的基础，并且目前已经成为国际竞争的关键技术。而超精密机床在超精密加工技术的研究和发展中起到了决定性的作用。

超精密机床；导轨

1.常见导轨类型及特点比较

超精密机床加工精度主要靠主轴系统和导轨系统两大系统来保障，其中导轨在超精密机床里具有承载和导向作用。目前几种常见导轨及其优、缺点与适用场合如下。

1.1 滑动导轨

优点：制造容易，结构简单，运动误差规律明显且易于修正；

缺点：容易出现低速爬行等现象，不能获得高分辨率、定位精度；适用场合：低要求场合；

1.2 滚动导轨

优点：动摩擦系数小，运动灵活，不易出现爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长；缺点：导轨面和滚动体是点接触或线接触，抗振性差；接触应力大，对导轨的表面硬度要求高，对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高；

适用场合：摩擦小、精度高场合

1.3 液体静压导轨

优点：承载能力大，精度高且持久阻尼大，动刚度好；即使在极低速时，也不会产生爬行；油膜具有误差均化作用，吸振性良好，导轨运动平稳，寿命高；缺点：液体粘度大，温升大，易发热，油泵振动传递较大；适用场合：中型、大型机床设备气体静压导轨：优点：摩擦小、移动速度高、高速发热小、精度高，清洁性好；缺点：刚度低、承载能力低、辅助条件高；适用场合：应用于中小型机床。

2.超精密加工机床导轨

2.1 导轨功能

超精密加工是利用刀具与工件之间的一种精确相对运动来对工件进行切削的，此过程需要在超精密机床及设备上进行，目的便是使工件有很高的表面粗糙度及形状精度。产生上述所说的刀具与工件之间的、具有严格约束限制的相对运动的主要部件为超精密机床的回转运部件及直线部件，它们分别为机床的主轴和机床的导轨。其中，精密导轨的功能就是为机床其他部件提供位置及运动的基准，高的导轨精度既可以保障机床运动间的几何关系，又可以保障溜板的运行精度。

2.2 滚动导轨

随着科学技术的发展，人们对数控机床中广泛使用的导轨有了更高的要求，既要有较高的精度，还要具有较好的刚度以保障其抵抗变形的能力。近年来，随着滚动直线导轨的生产成本不断降低、品质却不断提升，它已经在各种机床、自动化设备中得到了越来越广泛的普及。在高刚度、重负荷的机床中，滚柱直线导轨在日本滚动导轨市场中占到了80%，欧洲占90%，其他地区约占50%。另一方面，机床的高效率化要求提高滚柱导轨的使用率。

传统滚动导轨的结构如图2.1所示。

它的结构及各组成部件的功能见表2-1。传统滚动导轨的滚道几何精度必须很高，这样才能保证导轨、溜板（滑块）与滚动体三者之间的精确接触。一般情况下，导轨和溜板的安装面要有很高的形状精度以使滚动体顺畅地在滚道里滚动。

上面这种滚动导轨有两个明显不足：

一是循环道的精度在加工中很难保证，这势必会影响导轨的精度；

二是滚柱或滚珠在循环道滚动时通常会出现卡堵现象，这也会降低滚动体的运行平稳性，从而降低导轨精度。

新型滚动直线导轨结构截面示意图如图2.2所示。

表2-1 传统滚动导轨构成及功用

新型结构的滚动导轨，在满足高精度的基础上同时具有要求的高刚度。这种导轨的滚动体与导轨和溜板均采用平面接触，大大改善了导轨与溜板的加工性；此外，导轨与上溜板、侧溜板之间分别放入了高精度的滚柱，消除了循环道精度难保证的影响，提高了导轨系统的整体精度，具有较高的刚度。在有限的空间里显现出很好的承载能力与刚性、良好的运行平稳性、较低的噪声、较高的工件加工精度与优良的导轨可加工性、大大简化的导轨结构、大大降低的导轨成本等等，满足了数控产业对滚动直线导轨各种功能的要求，此种导轨技术与生产的成熟性将为我国整个制造业的发展做出新的贡献。

3.滚动直线导轨的研究方向及进展

对滚动直线导轨的具体研究方向及进展如下：

导轨刚度研究方面，对带有滚珠的导轨进行了承载性能分析，研究了当工作台在偏载荷作用下的各个滚珠承受载荷发生的具体改变，从而研究导轨的刚度改变；并且进一步地建立了滚柱处于不同的位置与所受外载的函数对应关系，继而提出了导轨的刚度会受到所受外载的影响，并将这些影响定量化、具体化。导轨寿命研究方面，经过对滚动导轨的大量实验总结出了一般的寿命通用计算公式，以及针对不同使用条件、不同材料及周围环境的补充公式。导轨摩擦性能研究方面，对滚动体受到四个相等的力状态下的滚珠导轨进行了研究，得到了计算这种滚动导轨差动摩擦力的数学模型。导轨振动研究方面，德国的学者对这方面做了大量的研究，他们在滚动导轨振动时总结出自己的模型。