張立民 李 敏 許武衛(wèi) 王愛榮

（陜西漢江機床有限公司 陜西漢中 723003）

隨著制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的快速發(fā)展及綠色制造的興起，對高檔數(shù)控機床、自動化設(shè)備的高速化、智能化及噪聲等指標(biāo)的要求越來越高。作為數(shù)控機床主要功能部件的滾動直線導(dǎo)軌副在高速化方面發(fā)揮著巨大的作用。然而，隨著運行速度的增加，勢必會帶來整機噪聲的增加，形成噪聲污染，給操作者身體健康帶來極大傷害?，F(xiàn)在噪聲已經(jīng)成為了綜合考評滾動直線導(dǎo)軌副質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。從滾動直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝、潤滑等方面分析滾動直線導(dǎo)軌副的噪聲產(chǎn)生的原因，并提出解決方法。

1 導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 滑塊循環(huán)通道中滾動體首尾間隔的設(shè)計

為了保證滾動體運動的流暢性，通常需要將滑塊循環(huán)通道中滾動體首尾留一定間隙（首尾空檔間隔）。通過合理設(shè)計滾動體首尾間隔，可以減小啟動或急停時滾動體之間沖擊碰撞而產(chǎn)生的噪聲。設(shè)計時要求滑塊每個循環(huán)通道滾動體首尾間隔盡可能小，但最大首尾間隔不要大于0.5Da（Da為滾動體直徑），一般建議首尾間隔取1～5 mm 。

1.2 滑塊回珠孔直徑或回柱槽間隙的設(shè)計

合理選取滑塊回珠孔直徑或回柱槽單邊間隙，也能有效地控制噪聲的大小。對于滾珠直線導(dǎo)軌副，一般取回珠孔直徑：1.02～1.07Da；對于滾柱直線導(dǎo)軌副，一般取滾柱直徑與方形回柱槽的單邊間隙為0.05～0.15 mm 。

1.3 滑塊過渡曲線的設(shè)計

在滾動直線導(dǎo)軌副滑塊組件中，滾動體在一個循環(huán)周期中根據(jù)其受載和變形情況，可分為承載區(qū)、非承載區(qū)和過渡區(qū)三個運動區(qū)域。滾動體從承載區(qū)進(jìn)入非承載區(qū)，即要從受力狀態(tài)或應(yīng)變狀態(tài)逐漸過渡到不受力或零應(yīng)變狀態(tài)，而從非承載區(qū)進(jìn)入承載區(qū)則過程相反。過渡曲線對滾動體的受力狀態(tài)和整個滾動直線導(dǎo)軌副的精度起著至關(guān)重要的作用，在高速時會對導(dǎo)軌副噪聲指標(biāo)產(chǎn)生極大影響。

圖1所示是最初設(shè)計的滾動直線導(dǎo)軌副滾動體運動簡圖，其中R為過渡曲線半徑。從圖中可以看出,反向過渡塊與滑塊滾道之間有一微小的臺階e，當(dāng)滾動體反向運動時，由于臺階的存在，滾動體運動到此處時會產(chǎn)生劇烈振動，不但影響導(dǎo)軌副的精度，而且在高速時會導(dǎo)致導(dǎo)軌副噪聲超標(biāo)。

圖1 最初滾動直線導(dǎo)軌副滾動體運動簡圖

通過對滾動直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)形式的不斷分析及研究，對過渡曲線進(jìn)行優(yōu)化，避免臺階的產(chǎn)生，如圖2所示。圖中過渡曲線由兩段半徑為R的圓弧和一段長為e的直線組成。

圖2 優(yōu)化后滾動直線導(dǎo)軌副滾動體運動簡圖

通過對圖1和圖2的比較分析，可以看出圖2所示結(jié)構(gòu)的反向曲線為平滑過渡的一個曲面，滾動體可以進(jìn)行平穩(wěn)順暢的反向運動，有效地降低了噪聲。

1.4 反向零件隔音裝置設(shè)計

（1）在滑塊反向孔中增加塑料導(dǎo)珠管，使導(dǎo)軌副運行時滾動體與滑塊反向孔的鋼對鋼的碰撞變?yōu)殇搶λ芰系呐鲎?，進(jìn)而大大地降低了噪聲。

（2）在反向過渡塊和導(dǎo)珠管中間增加沉割槽，使運行過程中滾動體與過渡塊和導(dǎo)珠管的接觸面盡可能小, 從而達(dá)到降低噪聲的目的。

（3）在滾動體與滾動體之間增加保持鏈或隔離裝置，避免滾動體與滾動體的相互碰撞。

（4）在反向端蓋上設(shè)計吸聲洞穴或增加吸聲材料裝置，使導(dǎo)軌副得到良好的隔音效果，有效地抑制了噪聲。

1.5 減少滑塊的反向零件數(shù)量

對于高速運行的滾動直線導(dǎo)軌副來說，滑塊的零件數(shù)量越多，反向噪聲越難控制。將滑塊的反向過渡塊和導(dǎo)向管與滑塊整體注塑成一體 ，使運行時滾動體反向更為流暢，避免高速運動時導(dǎo)軌副的劇烈振動，使噪聲得到控制。

1.6 采用氮化硅陶瓷球做滾動體

氮化硅陶瓷球具有重量輕、高硬度（HRC達(dá)到78）、耐高溫、耐腐蝕、摩擦因數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、電絕緣、無磁性、無金屬污染、無粘附磨損等特點，越來越廣泛地應(yīng)用于武器裝備、航空航天等領(lǐng)域。

Yamata等人研究證明滾動直線導(dǎo)軌副的噪聲產(chǎn)生的主要原因是滾動體與端蓋、滾道之間的碰撞。對于在100～20 000HZ范圍內(nèi)的聲壓級，通過裝入較輕的陶瓷球（Si5 N4）可以降低噪音。通過實測當(dāng)運動速度在0.3～1.17m/s范圍內(nèi)，鋼球滾動體的噪聲為60.0～76.9dB，而陶瓷鋼球的噪聲為55～71dB，平均降噪為4.5dB[1]。

1.7 適當(dāng)增加導(dǎo)軌副預(yù)加載荷

增加導(dǎo)軌副的預(yù)加載荷可以增加阻尼，提高抗振性能。對于高速運行的滾動直線導(dǎo)軌副來說，適當(dāng)?shù)念A(yù)加載荷可以消除高頻振動現(xiàn)象，降低導(dǎo)軌副的噪聲。

根據(jù)工作條件和使用場合，滾動直線導(dǎo)軌副可參考表1選用不同的預(yù)加載荷。其中預(yù)加微載荷 H0為 0.01C ；預(yù)加輕載荷 H1為 0.04C ；預(yù)加中載荷H2為0.07C ；預(yù)加重載荷H3為0.10C（C—額定動載荷）。

表1 預(yù)加載荷一覽表

1.8 配備阻尼滑塊（或稱為阻尼滑座、阻尼器）

阻尼滑塊是由滑塊體、帶塑料層的阻尼塊和壓板等組成，與滾動直線導(dǎo)軌副配套使用，如圖3所示。通過阻尼滑塊與導(dǎo)軌之間的油膜阻尼來吸振，提高數(shù)控機床或機械設(shè)備的加工質(zhì)量，大大降低噪聲。

圖3 HJG—ZN55Z阻尼滑塊與滾柱導(dǎo)軌配套使用

德國INA公司與阿享(Aachen TH)大學(xué)合作研究了“RUDS”阻尼滑座， 將這種滑座安裝在滾動直線導(dǎo)軌出現(xiàn)最大振幅的位置。 試驗表明： 安裝“RUDS ”阻尼滑座后， 振幅降低到原來的1/30,噪聲明顯減弱[2]。

2 導(dǎo)軌副加工工藝

2.1 滑塊回珠孔的加工工藝

采用加工中心或?qū)Ｓ勉@孔設(shè)備，在一次裝夾下，按定位→鉆孔→擴孔→鉸孔的工藝路線完成所有回珠孔的加工。通過此工藝，減少了對接回珠孔中易產(chǎn)生臺階的現(xiàn)象，同時提高了回珠孔的表面粗糙度，使噪聲得到有效的控制。

2.2 滑塊的材料及淬火工藝

滑塊傳統(tǒng)工藝的材料通常選用高碳鋼GCr15，采用整體淬火，如將回珠孔的加工安排在淬火之前，很難保證回珠孔的中心位置精度，使導(dǎo)軌副在運行過程中出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，影響導(dǎo)軌副運行精度，在高速運行時導(dǎo)致導(dǎo)軌副噪聲超標(biāo)。

滑塊新工藝的材料選用低碳鋼20CrMnTi ，采用滲碳→表面淬火 ，回珠孔的加工安排在淬火之后完成 ，保證了回珠孔的中心位置精度 ，使導(dǎo)軌副反向流暢 ，保證了運行精度，在高速時運行時導(dǎo)軌副噪聲得到有效控制。

2.3 提高滾道加工質(zhì)量

1）提高滾道輪廓一致性

數(shù)控直線導(dǎo)軌磨床（如圖4所示）的兩個金剛石滾輪分別修整兩個砂輪，由于兩個金剛石滾輪制造上難免會產(chǎn)生一定的誤差，使得磨削導(dǎo)軌的滾道時輪廓一致性存在誤差，導(dǎo)致導(dǎo)軌副反向精度差，高速運行的噪聲比較大。新設(shè)計的HJ091數(shù)控直線導(dǎo)軌磨床（如圖5所示）采用一個金剛石滾輪同時修整兩個砂輪，保證磨削時導(dǎo)軌滾道輪廓一致性，將該導(dǎo)軌與滑塊裝配后運行更平穩(wěn)，運行高速時噪聲有所降低。

圖4 HJZ037數(shù)控直線導(dǎo)軌磨床

圖5 HJ091數(shù)控直線導(dǎo)軌磨床

2）提高滾道的表面粗糙度

選用WA70JV45M/S和WA80JV45M/S CF2牌號砂輪對DZ65導(dǎo)軌進(jìn)行滾道磨削，磨削后粗糙度對比結(jié)果如表2所示。由表2可看出采用WA80JV45M/S CF2牌號砂輪磨削的導(dǎo)軌，表面粗糙度更好。

表2 DZ65導(dǎo)軌滾道磨削粗糙度對比表

兩根 DZ65導(dǎo)軌與滑塊裝配后，發(fā)現(xiàn)采用WA80JV45M/S CF2牌號砂輪磨削的導(dǎo)軌副精度保持性更好，運行更平穩(wěn)，高速時導(dǎo)軌副的噪聲更低。

3 導(dǎo)軌副的潤滑

對滾動直線導(dǎo)軌道副滾道涂抹潤滑脂也是降低導(dǎo)軌副運動噪聲的一種有效方法。不加潤滑脂和涂抹潤滑脂（牌號：BX-350/A）狀態(tài)下分別測試了DZ45ZC滾柱直線導(dǎo)軌副不同運動速度下的噪聲聲壓級，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 DZ45ZC滾柱直線導(dǎo)軌副噪聲聲壓級測試表

對表3數(shù)據(jù)描點，可繪制DZ45ZC滾柱直線導(dǎo)軌副噪聲聲壓級與速度變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 DZ45ZC滾柱直線導(dǎo)軌副噪聲聲壓級與速度變化對比曲線圖

由表3和圖6可以看出，在運行速度高于5m/min時導(dǎo)軌副涂抹潤滑脂的降噪效果比較明顯。

4 結(jié)語

本文主要從滑塊循環(huán)通道滾動體首尾空擋間隔的設(shè)計、滑塊回珠孔直徑或回柱槽間隙的設(shè)計、滑塊過渡曲線的設(shè)計、反向零件隔音裝置設(shè)計、減少滑塊的反向零件數(shù)量，采用氮化硅陶瓷球做滾動體、適當(dāng)增加導(dǎo)軌副預(yù)加載荷、配備阻尼滑塊（或稱為阻尼滑座、阻尼器）等，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面和導(dǎo)軌副加工工藝及潤滑脂選用方面分析滾動直線導(dǎo)軌副的噪聲產(chǎn)生原因，并提出解決方法。