馮健文　李林林　潘繼超　曹鵬杰　關(guān)景開　楊家軍

(①廣東高新凱特精密機械股份有限公司，廣東 江門 529100；②華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；③新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700)

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滾動直線導軌副用阻尼器減振分析及驗證*

國家重大專項：高性能直線導軌副阻尼器、鉗制器、自潤滑器的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化(2013ZX04008-031)

馮健文①李林林②潘繼超③曹鵬杰①關(guān)景開①楊家軍②

(①廣東高新凱特精密機械股份有限公司，廣東 江門 529100；②華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；③新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700)

滾動直線導軌副中滾子與導軌之間的結(jié)合部形式是點或線接觸，工作中容易引起振動。為改善滾動直線導軌副的抗振性能，給出了一種滾動直線導軌副用阻尼器的結(jié)構(gòu)模型、油膜減振原理、試驗設計和功能驗證。通過試驗表明了阻尼器能夠有效改善滾動直線導軌副的抗振性能。此外，阻尼器在機床上進行了功能驗證，即當機床導軌副配備阻尼器時，可以提高工件加工表面質(zhì)量、降低刀具損耗，由此反映了阻尼器可有效減小刀具加工時產(chǎn)生的自激振動幅值。

滾動直線導軌；減振；阻尼器；油膜阻尼

滾動直線導軌副是當今數(shù)控機床中使用非常廣泛的功能部件，由其組成的滑臺傳動裝置，對機床的加工精度會產(chǎn)生重要的影響。滾動直線導軌副具有動、靜摩擦系數(shù)小、承載能力大、剛性好、使用壽命長的優(yōu)點，且加工方便，裝配容易，可達到很高的進給速度和導向精度。然而，在實際工作中它是通過導軌與滾子間有限的點或線接觸而實現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的滑動導軌相比，具有抗振性能差的特點。為改善滾動直線導軌副的抗振性能，過去的做法是增加預載荷，但效果并不理想，反而因此增加了滾動單元的變形，使接觸面磨損加快，嚴重影響導軌副的工作壽命。研究表明[1-3]，采用擠壓油膜阻尼技術(shù)可以有效改善滾動直線導軌副的抗振性能。本文給出了一種滾動直線導軌副用阻尼器的結(jié)構(gòu)、原理、試驗和應用案例。

1　阻尼器結(jié)構(gòu)模型

高新凱特公司專門設計一種滾動直線導軌副阻尼器與特制的LGR滾柱導軌副配套使用，同時為保證阻尼滑塊與導軌間形成油膜，導軌需安裝銅螺孔帽，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

阻尼器鋼制主體上有安裝孔和注油孔，內(nèi)表面覆蓋一層貼塑層，貼塑層形狀與導軌外形相一致，與相對應的導軌表面形成均勻的間隙。當潤滑油充滿后，阻尼滑塊與導軌間會形成0.01～0.03 mm的油膜。當滾動直線導軌副在受到外界交變載荷時，油膜會在反復的擠壓和吸入中得到保持。因此，阻尼器在工作時具有良好的油膜自彌補能力，端部泄漏量極小，而無需壓力供油，定時在阻尼滑塊的注油孔中滴入潤滑油即可。

2　阻尼器油膜減振機理

充滿流體的兩板以一定的頻率承受交變載荷時，會受到間隙內(nèi)流體的壓強而產(chǎn)生阻力，形成擠壓油膜阻尼。流體阻尼系統(tǒng)是通過擠壓油膜來消耗振動能量，減小振動幅值[4]。

Wang等[5]通過試驗給出了機床滾動導軌系統(tǒng)擠壓油膜阻尼模型：

(1)

式中：C為擠壓油膜阻尼系數(shù)；η為潤滑油的動力粘度；h為油膜厚度；b和L分別為擠壓油膜表面的寬度和長度；β為與長寬比L/b有關(guān)的修正系數(shù)。

江早等[2]從理論的角度給出了考慮交變載荷的角振型下的擠壓油膜阻尼模型：

(2)

式中：Cφ為角阻尼系數(shù)，g(R)為與長寬比R=L/b有關(guān)的修正系數(shù)。

從上述理論可以看出，影響阻尼器減振性能的參數(shù)主要是油膜厚度和阻尼器長度，且在一定范圍內(nèi)減小油膜厚度和增加阻尼器長度可以改善阻尼器的減振性能。而阻尼滑塊的擠壓油膜面的寬度由滾動直線導軌副所決定，在這里看成是常參量。

3　試驗研究

為測試滾動直線導軌副用阻尼器的減振效果，進行了試驗設計。圖2為滾動直線導軌副用阻尼器振動性能試驗臺。激振器通過彈簧懸掛支撐，且左右、上下可以調(diào)節(jié)，可改變激振器的不同激振位置。通過數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)，可以測試有阻尼器和無阻尼器兩種情況下的減振效果。如圖3給出了有阻尼器和無阻尼器下滾動直線導軌副系統(tǒng)的動柔度-頻率曲線。從圖中可以看出，無阻尼器情況下的滾柱直線導軌副在共振頻率f=212 Hz時的動柔度值為31.7 μm/kN，而對應有阻尼情況時的動柔度值為7.6 μm/kN，幅值減小了約76%。因此，阻尼器可以顯著改善滾柱直線導軌副的振動性能。

4　驗證分析

本公司研制的滾動直線導軌副用阻尼器已應用在部分主機廠家(如圖4，圖5)，如河南新鄉(xiāng)日升公司。新鄉(xiāng)日升公司專業(yè)從事軸承套圈滾動體數(shù)控裝備的研發(fā)生產(chǎn)和銷售，是目前國內(nèi)軸承套圈和滾動體數(shù)控裝備品種最為齊全的制造商?，F(xiàn)阻尼器應用在該公司數(shù)控球面鏜床上，用于加工外球面軸承座。由于此類工件加工為內(nèi)球面鏜削，且為斷續(xù)切削，加工過程中沖擊振動帶來的表面質(zhì)量差、加工精度不穩(wěn)定及刀具損耗快等問題，長期以來一直困擾著該類工件的加工行業(yè)。

現(xiàn)以該機床加工典型工件P208外球面軸承座的加工為例，來說明機床滾動直線導軌副在有阻尼器和無阻尼器兩種情況下對加工工件的質(zhì)量進行分析說明。加工參數(shù)對比如表1所示。圖6和圖7分別給出了機床滾動直線導軌副在有阻尼器和無阻尼器兩種情況下所加工的工件效果。

表1P208外球面軸承座加工參數(shù)對比

P208外球面軸承座加工參數(shù)對比對比項目機床導軌副有阻尼器機床導軌副無阻尼器被加工工件材料HT200HT200加工球面孔尺寸/mmS?80H6S?80H6粗、精鏜最大余量/mm4;0.24;0.2粗、精鏜轉(zhuǎn)速/(r/min)360;500360;500粗、精鏜進給速度/(mm/r)0.5;0.10.5;0.1加工粗糙度Ra/μm1.251.6連續(xù)加工100件尺寸差/mm0.0120.015單片精鏜刀片加工件數(shù)/件50004000連續(xù)加工節(jié)拍/s4545

根據(jù)表1的對比數(shù)據(jù)可以得出：在其他各項指標相同的情況下，與沒有使用阻尼器的機床對比，精鏜內(nèi)球面孔的粗糙度值由Ra1.6μm減小到Ra1.25 μm，減小了約20%；連續(xù)加工100件尺寸差由0.015 mm減小到0.012 mm，精度穩(wěn)定性提高了約20%；單片精鏜刀片的耐用度由加工4 000件提高到加工5 000件，刀具消耗節(jié)約了約20%?？偟膩砜矗跀嗬m(xù)鏜削加工的工況中，機床導軌副配備阻尼器，可有效減小刀具加工時產(chǎn)生的自激振動幅值，反映到加工效果上表現(xiàn)為：表面質(zhì)量提升、刀具損耗降低及由此帶來的尺寸穩(wěn)定性提高。最終給客戶帶來的經(jīng)濟效益還是比較明顯的。

盡管驗證機床加工典型工件的工況取樣具有一定的偶然性，但是滾動直線導軌副用阻尼器對機床減小有害振動帶來的正面效果是完全可以肯定的。下一步我們將和新鄉(xiāng)日升公司進一步合作，逐步展開在精密銑削、以車代磨、鏡面研磨等工序機床配備阻尼器的驗證分析工作。

5　結(jié)語

本文介紹了一種滾動直線導軌副用阻尼器的產(chǎn)品，給出了試驗驗證，結(jié)果表明，和不加阻尼器相比，滾動直線導軌副在共振頻率f=212 Hz時的動柔度降低了約76%。為驗證阻尼器在機床導軌副上的實際減振效果，本文給出了加工典型工件的結(jié)果對比：精鏜內(nèi)球面孔的粗糙度值減小了約20%；連續(xù)重復加工100件的精度穩(wěn)定性提高了約20%；單片精鏜刀片的耐用度由加工4 000件提高到加工5 000件，刀具消耗節(jié)約了約20%。由此說明，滾動直線導軌副用阻尼器可有效減小刀具加工時產(chǎn)生的自激振動幅值。

[1]江早，王啟義，錢為民.滾動導軌系統(tǒng)油膜阻尼減振效果研究[J]. 東北大學學報:自然科學版，1995，16(4):417-419.

[2]江早，王啟義，錢為民.滾動導軌系統(tǒng)油膜阻尼機理及動態(tài)參數(shù)[J]. 東北大學學報:自然科學版，1995，16(3):248-252.

[3]錢為民，王啟義，陸勇.機床滾動導軌油膜阻尼技術(shù)的研究[J]. 東北工學院學報，1992，13(4):378-381.

[4]孫大成.潤滑力學講義[M].北京：中國友誼出版公司，1991.

[5]Wang Q Y, Jiang Z, Qian W M, et al. Research on machine tools rolling slideways assembly with damping oil-films [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1993, 42(1): 441-444.

(編輯汪藝)

(收修改稿日期：2016-03-28)

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Analysis and verification of vibration attenuation for damper of linear rolling guide

FENG Jianwen①, LI Linlin②, PAN Jichao③, CAO Pengjie①, GUAN Jingkai①, YANG Jiajun②

(①Guangdong Gaoxin Hight Precision Machine Co., Ltd., Jiangmen 529100, CHN; ②School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, CHN;③Xinxiang Risheng CNC Bearing Equipment Co., Ltd., Xinxiang 453700, CHN)

Linear rolling guide causes vibrations easily due to point or line contacts between rollers and guide in the working. In order to improve the damping characteristics of the linear rolling guide, this paper presents a structure model of damper, the film damping mechanisms, experiment design and functional verifications. The experimental results show that the damper can improve effectively the damping characteristics of the linear rolling guide. Furthermore, the functional verifications of the damper operating on the machine are performed. It is shown that the presence of damper for the machine can raise the machined surface quality of parts and decrease the wear of cutting tools, which reflects that the damper can reduce effectively the self-excited vibration amplitude of cutting tools.

linear rolling guide; vibration attenuation; damper; film damping

TH136

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.006

160715