張 云 陶衛(wèi)軍 馮虎田

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094)

近年來，國產(chǎn)機床在使用性能上得到了很大提高，國產(chǎn)機床數(shù)控化率也不斷提高［1］。但是，從機床產(chǎn)品總體技術水平來看，我國與國際先進水平還有較大差距，特別在一些高性能、高精度的高端機床產(chǎn)品的整機精度保持性方面差距尤為明顯。高性能的數(shù)控機床離不開高性能的功能部件［2］，而在數(shù)控機床上普遍使用的滾動功能部件(主要包括滾珠絲杠和滾動直線導軌)的精度保持性問題一直沒有得到有效解決。由此，在需要高精度保持性的滾動功能部件高端產(chǎn)品在國內(nèi)市場上大部分由國外廠家或外資企業(yè)所占領，嚴重影響到我國高端數(shù)控裝備的自主研發(fā)與國產(chǎn)化。要解決滾動功能部件的精度保持性問題，必須從滾動功能部件精度衰退機理出發(fā)，通過基礎理論研究、技術攻關和實驗驗證來對滾動功能部件的精度保持性問題進行攻關研究，解決制約國產(chǎn)滾動功能部件產(chǎn)品性能的技術瓶頸問題，提高國產(chǎn)滾動功能部件產(chǎn)品的競爭力和高端產(chǎn)品的國產(chǎn)化率，進一步促進國產(chǎn)高端數(shù)控裝備的國產(chǎn)化和性能水平提高。

1 滾動功能部件精度保持性現(xiàn)狀

目前國內(nèi)滾動功能部件生產(chǎn)廠家已日益重視其產(chǎn)品的精度保持性問題，從材料特性、熱處理工藝和加工工藝等方面進行了初步改進和嘗試，取得了一定進展，但仍未很好地解決其精度保持性問題。國內(nèi)滾動功能部件產(chǎn)品在精度保持性指標上仍然大幅落后日本或歐美國家的高品質(zhì)滾動功能部件產(chǎn)品，所面對的首要瓶頸在于滾動功能部件的材料性能和熱處理工藝，同時缺乏滾動功能部件產(chǎn)品在使用過程中精度衰退機理相關的基礎理論和實驗平臺支撐。日本THK和NSK、德國INA、臺灣HIWIN公司等國內(nèi)外和地區(qū)企業(yè)在滾動功能部件精度保持性方面技術領先，多年來一直在滾珠絲杠副基礎理論研究和結構優(yōu)化與創(chuàng)新上持續(xù)投入大量人力和資金，在精密滾珠絲杠副精度保持性的提升上成果顯著，已開發(fā)了一些相關的試驗與檢測設備，但一般僅限于作為本企業(yè)內(nèi)部使用。以漢江機床有限公司、南京工藝裝備制造有限公司和濟寧博特精工技術有限公司等為首的國內(nèi)滾動功能部件生產(chǎn)企業(yè)近年來聯(lián)合一些高校開發(fā)了一些滾動功能部件產(chǎn)品實驗平臺，但尚未形成完整實驗平臺體系。

在滾動功能部件精度保持性研究方面，國內(nèi)外公開的研究論文和研究成果相對較少。由于精度保持性是摩擦磨損、接觸變形和表面點蝕這3種作用的綜合效果，研究滾動功能部件精度衰退機理必須從分析滾動體和滾道間的相互作用機制著手進行研究。在此方面，Kamalzadeh［3］基于滾珠絲杠副剛體動力學模型對載荷作用下的彈性變形及其所引起的行程誤差進行了分析與建模仿真;吳保群等［4］基于摩擦學理論建立了一種滾珠絲杠副摩擦系數(shù)-載荷、磨損率-載荷的簡化計算公式;Hung［5］和宋現(xiàn)春等［6］分別基于有限元分析法和Hertz接觸模型對滾珠與返向器之間的沖擊失效過程和表面點蝕進行了分析與仿真;張佐營等［7］從絲杠和螺母滾道磨損情況對比實驗結果出發(fā)，基于潤滑情況和彈性接觸應力的數(shù)學建模，分析了絲杠滾道更快磨損的原因;學者Brecher［8］和Verl［9］分別研究了潤滑條件對滾珠絲杠副磨損過程和摩擦力的影響關系和預緊力與滾珠絲杠副壽命間的影響關系;李小彭等［10］通過對滾動直線導軌副導軌滑塊的動態(tài)試驗驗證了所建立的直線滾動導軌副的動力學理論模型和有限元模型;馬建偉、王福吉等［11］對機床的滾柱直線導軌接觸變形區(qū)進行了接觸變形與磨損分析，對其接觸面積和接觸區(qū)的變形建立了新的計算模型，為相關的滾動體設計和壽命評估提供了參考;漢江機床有限公司聯(lián)合南京理工大學基于滾柱直線導軌副精度保持性實驗研制開發(fā)了滾動直線導軌副模擬加載跑合實驗系統(tǒng)。

筆者所在團隊近年來也從滾動功能部件的力學作用機制和磨損過程分析出發(fā)建立了滾珠絲杠副和直線導軌副的運動精度損失模型，并進行了初步的仿真分析與驗證［12-13］，但還需要結合專用的滾動功能部件精度保持性實驗平臺進行大量實驗來進行驗證。

綜上所述，國內(nèi)在滾動功能部件精度保持性相關技術難點尚未攻克，還沒有建立完整準確的精度失效基礎理論體系，仍需進行深入研究。這方面急需解決的關鍵問題如下:(1)滾動功能部件中滾動體與滾道間的摩擦效應與磨損機制等基礎理論研究缺乏，在產(chǎn)品精度保持性指標方面缺乏準確的理論指導;(2)滾動功能部件材料與熱處理工藝的優(yōu)化問題一直沒有得到解決，國內(nèi)產(chǎn)品在材料耐磨性和抗變形上尚未取得突破性進展;(3)在滾動功能部件精度保持性實驗平臺研發(fā)上嚴重滯后，缺乏系統(tǒng)化的實驗手段和方法來促進國產(chǎn)滾動功能部件產(chǎn)品精度保持性的提高。

2 滾動功能部件精度保持性的研究思路

針對國產(chǎn)滾動功能部件精度保持性的關鍵問題，提出滾動功能部件精度保持性的研究思路如圖1所示。

首先，對滾動功能部件滾動體與滾道間的力學作用機制進行分析。第1步，對滾動功能部件進行力學模型分析，包括滾珠與絲杠、滾珠與螺母滾道的接觸點主曲率、赫茲點接觸參數(shù);第2步，將滾珠絲杠副力學模型簡化為若干個推力向心軸承，將有限長彈性滾柱相對滾道的接觸變形用Palmgren公式［14］進行計算，最終得到滾動體與滾道間的彈性變形量。

其次，基于Archard磨損模型［15］來建立滾動功能部件精度衰退模型。在求出滾動體與滾道間的彈性變形量后，需要研究磨損(主要是粘著磨損)對精度損失的影響，建立精度衰退模型。由此，在對其在載荷作用和運行里程下進行體積磨損量計算的基礎上，結合接觸面積計算公式得到滾動體與滾道垂直接觸方向的磨損量，進而求得在軸向上的精度損失量。綜合考慮上一階段的彈性變形量與本階段磨損引起的軸向精度損失量，建立滾動功能部件精度衰退模型。

進一步研發(fā)滾動功能部件精度保持性實驗平臺與方法。建立滾動功能部件精度衰退模型后，需要開發(fā)實驗平臺和相應的實驗方法來進行大量的精度保持性實驗?？刹捎脤Ｓ玫臐L動功能部件精度保持性實驗臺或者已有的滾珠絲杠副加載試驗系統(tǒng)和滾動直線導軌副模擬加載試驗系統(tǒng)并結合精度變化檢測手段進行實驗，并研究不同載荷、跑合距離以及潤滑條件等因素影響的精度保持性變化情況。

最后，對滾動功能部件精度衰退模型進行實驗驗證與分析。通過精度保持性實驗結果，驗證滾動功能部件精度衰退模型及其影響因素作用效果，進一步完善滾動功能部件基礎理論，提出提高滾動功能部件精度保持性的有效措施和方法，促進國產(chǎn)滾動功能部件性能提高和產(chǎn)品升級。

3 結語

滾動功能部件作為數(shù)控機床的關鍵功能部件，其精度保持性指標直接影響數(shù)控機床的使用性能。本論文對滾動功能部件產(chǎn)品精度保持性問題及其研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研與分析，總結并分析了國產(chǎn)滾動功能部件精度保持性方面存在的關鍵問題，并在此基礎上提出了滾動功能部件精度保持性研究思路供借鑒思考。一旦國產(chǎn)滾動功能部件突破精度保持性方面的技術瓶頸，有望大幅縮小或者消除國產(chǎn)滾動功能部件在精度保持性方面與國外產(chǎn)品的差距，提高國產(chǎn)滾動功能部件在國內(nèi)高端市場的占有率，推動我國滾動功能部件整個行業(yè)的發(fā)展和提升。

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