周萌，郭鑫

(通用技術(shù)集團(tuán)沈陽(yáng)機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110142)

0 前言

導(dǎo)軌副是數(shù)控機(jī)床必不可少的部件，主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床部件的移動(dòng)和支撐。導(dǎo)軌副的精度和剛性是機(jī)床加工精度的保證，而導(dǎo)軌副的移動(dòng)速度則是加工效率的保證[1]。高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副屬于精度、剛性與移動(dòng)速度兼顧的導(dǎo)軌副，本文作者以數(shù)控臥式銑鏜床床身為基礎(chǔ)，實(shí)施了高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)、制造，并進(jìn)行了功能測(cè)試。

1 常見導(dǎo)軌副的種類

目前，數(shù)控機(jī)床主流導(dǎo)軌副的形式主要有直線導(dǎo)軌、鑄鐵導(dǎo)軌、鋼導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌，因其結(jié)構(gòu)不同，每種導(dǎo)軌副的特點(diǎn)和應(yīng)用情況也有所不同。

直線導(dǎo)軌作為標(biāo)準(zhǔn)的外購(gòu)件，目前技術(shù)已經(jīng)十分成熟，其精度和穩(wěn)定性好、安裝方便，移動(dòng)速度普遍可達(dá)到15 m/min以上，在立式加工中心、臥式加工中心、輕型龍門加工中心等眾多種類的機(jī)床上得以應(yīng)用[2-3]。限于直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)本身，即便是承載能力較強(qiáng)的滾柱直線導(dǎo)軌剛性相比鋼導(dǎo)軌也差很多，所以對(duì)剛性要求較高的機(jī)床，如數(shù)控臥式銑鏜床、數(shù)控落地式銑鏜床，直線導(dǎo)軌還沒有廣泛應(yīng)用。

鑄鐵導(dǎo)軌的導(dǎo)軌面較為寬厚，承載能力強(qiáng)，移動(dòng)部件和鑄鐵導(dǎo)軌之間為滑動(dòng)摩擦，移動(dòng)速度普遍不高，一般低于10 m/min。鑄鐵導(dǎo)軌表面一般經(jīng)熱處理后再進(jìn)行磨削處理，因此鑄鐵導(dǎo)軌對(duì)鑄件品質(zhì)要求較高[4-5]。為避免移動(dòng)部件與導(dǎo)軌之間摩擦損壞，特在移動(dòng)部件與導(dǎo)軌面摩擦部分粘貼導(dǎo)軌軟帶并刮研處理，移動(dòng)部件和導(dǎo)軌面之間通過(guò)定量供應(yīng)潤(rùn)滑油減小摩擦力，在潤(rùn)滑不充分時(shí)容易出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，精度不及直線導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌副多用于剛性要求較高的機(jī)床，如數(shù)控臥式銑鏜床、數(shù)控落地式銑鏜床、重型數(shù)控車床等。

鋼導(dǎo)軌與鑄鐵導(dǎo)軌應(yīng)用情況類似，鋼導(dǎo)軌通過(guò)螺釘及定位銷連接于鑄鐵床身上，鋼導(dǎo)軌預(yù)先熱處理，整體安裝在鑄鐵床身后再進(jìn)行整體磨削處理。由于鋼導(dǎo)軌彈性模量比鑄鐵大，同種承載情況下截面尺寸可小于鑄鐵導(dǎo)軌。

靜壓導(dǎo)軌承載能力強(qiáng)，但移動(dòng)速度相對(duì)較低，一般在6 m/min以下，無(wú)論開式還是閉式靜壓導(dǎo)軌其原理都是將具有一定壓力的靜壓油經(jīng)節(jié)流器輸入到導(dǎo)軌面與移動(dòng)部件之間的油腔中形成承載油膜，使導(dǎo)軌面與移動(dòng)部件之間處于純液體摩擦狀態(tài)。靜壓導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且需要一套單獨(dú)的供油系統(tǒng)，對(duì)潤(rùn)滑油的清潔程度要求很高，因此成本較高，多用于承載較大的重型機(jī)床，如重型落地鏜、重型龍門加工中心等。

綜上，現(xiàn)有的成熟導(dǎo)軌副，精度、剛性、承載能力各有側(cè)重[6-7]。為滿足一些數(shù)控機(jī)床的特殊需求，作者設(shè)計(jì)并制造、驗(yàn)證了一款速度、精度與剛性兼顧的高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副。

2 高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)與工作原理

高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副的導(dǎo)軌部分應(yīng)用鋼導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，移動(dòng)部件與導(dǎo)軌間為滾動(dòng)與滑動(dòng)混合摩擦方式，其結(jié)構(gòu)原理見圖1?；w1與鋼導(dǎo)軌8之間形成導(dǎo)軌副，通過(guò)滾動(dòng)體3及導(dǎo)軌軟帶7同時(shí)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)與滑動(dòng)共存的狀態(tài)，正向滾動(dòng)體的數(shù)量根據(jù)移動(dòng)部件及負(fù)載確定?；w1移動(dòng)時(shí)的正向直線度依靠滑座體1上的正向滾動(dòng)體3及導(dǎo)軌軟帶7限位保證。滑座體1移動(dòng)時(shí)的側(cè)向直線度依靠滑座體1兩側(cè)內(nèi)裝的滾動(dòng)體3限位保證。

滾動(dòng)體3預(yù)先安裝在長(zhǎng)安裝板2上之后，整體裝入滑座體1預(yù)先加工好的安裝槽中，在長(zhǎng)安裝板2外端面利用擋板4固定在滑座體1上，防止其相對(duì)滑座體1沿導(dǎo)軌方向竄動(dòng)?；w1一側(cè)的滾動(dòng)體3預(yù)先安裝在短安裝板10上后，整體安裝在滑座體1一側(cè)預(yù)先加工好的安裝槽中，在短安裝板10外端面利用連接板9固定在滑座體1上，防止其相對(duì)滑座體1沿導(dǎo)軌方向竄動(dòng)?；w1另一側(cè)的滾動(dòng)體3預(yù)先安裝在斜安裝板11上后，整體安裝在滑座體1一側(cè)預(yù)先加工好的安裝槽中。在滑座體1的斜安裝板11側(cè)開有鎖緊螺釘12的安裝孔，鎖緊螺釘12將斜安裝板11頂緊，以使滑座體兩側(cè)面的滾動(dòng)體可以緊密貼合導(dǎo)軌。鎖緊螺釘12調(diào)整到適當(dāng)位置后，在斜安裝板11與滑座體1間隙內(nèi)灌入填料膠進(jìn)行固定。在斜安裝板11外端面利用連接板9固定在滑座體1上，防止其相對(duì)滑座體1沿導(dǎo)軌方向竄動(dòng)。連接板9與斜安裝板11間距離可通過(guò)螺釘調(diào)節(jié)，用于后期對(duì)斜滾動(dòng)體的預(yù)緊。

為防止外部鐵屑及粉塵進(jìn)入導(dǎo)軌副內(nèi)導(dǎo)致鋼導(dǎo)軌表面、導(dǎo)軌軟帶面及滾動(dòng)體內(nèi)滾柱研傷，特在滑座兩端設(shè)置刮塵板5來(lái)清除導(dǎo)軌面的污物。滑動(dòng)與滾動(dòng)接觸面的潤(rùn)滑油通過(guò)預(yù)先在滑座體1上開好的潤(rùn)滑油孔分別流向各滾動(dòng)體和導(dǎo)軌軟帶面。把接在滑座體1上的壓板6與導(dǎo)軌底部形成滑動(dòng)摩擦以提升導(dǎo)軌副剛性，壓板6上粘貼導(dǎo)軌軟帶7，并在壓板6上開有潤(rùn)滑孔，可使?jié)櫥土魅雺喊?與導(dǎo)軌面之間減小摩擦力。

圖2為高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副仰視圖，可以看出：正向滾動(dòng)體共4組，分布在滑座體四角，每組2個(gè)滾動(dòng)體；側(cè)向滾動(dòng)體共4個(gè)，在滑座體四角分別布置有一個(gè)滾動(dòng)體。高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副仰視圖Fig.2 Vertical view of high-speed rolling-sliding composite guide rail pair

圖3 高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌三維結(jié)構(gòu)Fig.3 3D structure of high-speed rolling-sliding composite guide rail

3 高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副制造與驗(yàn)證

3.1 零部件制造

高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副的運(yùn)行速度為15 m/min，無(wú)論是導(dǎo)軌軟帶還是滾動(dòng)體對(duì)導(dǎo)軌表面的耐磨度和粗糙度要求都比較高，故導(dǎo)軌要進(jìn)行熱處理，且硬度需要到達(dá)60HRC以上。導(dǎo)軌面的精加工采用磨削加工，磨削后表面粗糙度應(yīng)不低于0.4 μm，加工后鋼導(dǎo)軌全長(zhǎng)4 m直線度不超過(guò)0.01 mm，兩導(dǎo)軌等高一致性不超過(guò)0.01 mm。鋼導(dǎo)軌與鑄件床身間通過(guò)螺釘連接、圓錐銷定位。為保證導(dǎo)軌磨削精度，導(dǎo)軌上的螺釘及銷安裝孔鑲嵌銅制圓形堵，銅堵與孔間為過(guò)盈配合，銅堵安裝后與鋼導(dǎo)軌整體磨削。

滑座體加工時(shí)，要嚴(yán)格保證圖紙上的精度要求，除正常安裝零部件所需孔、槽外，還需要保證灌膠孔的準(zhǔn)確性和通透性。導(dǎo)軌軟帶貼合面的粗糙度加工至3.2 μm即可，精度過(guò)高可能引起粘貼不牢固。粘貼導(dǎo)軌軟帶時(shí)選用CH-31型黏結(jié)膠，黏結(jié)膠涂刷后靜置20～40 min進(jìn)行粘貼，粘貼完成后，經(jīng)8～16 h待黏結(jié)膠凝固后進(jìn)行導(dǎo)軌軟帶面的加工?；撞繉?shí)物如圖4所示。

圖4 滑座底部實(shí)物Fig.4 Entity of the bottom of the slide

3.2 樣機(jī)裝配

裝配時(shí)，首先要合研滑座體底部導(dǎo)軌軟帶面與導(dǎo)軌面的接觸率，圖5為合研過(guò)程圖。合研前，在滑座體導(dǎo)軌軟帶面均勻涂抹紅丹粉，在床身導(dǎo)軌面均勻涂抹黑墨油?；w落在床身導(dǎo)軌上后，將布袋繩一端固定在滑座體前端，另一端穿過(guò)滑輪架后掛在吊車鉤上，吊車上升時(shí)，布袋繩繞過(guò)滑輪帶動(dòng)滑座體水平運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合研。合研時(shí)要保證滑座體導(dǎo)軌軟帶面與床身導(dǎo)軌面完全接觸。在滑座體移動(dòng)一段距離后，將滑座體平穩(wěn)吊起并翻轉(zhuǎn)，檢測(cè)滑座貼塑面與床身導(dǎo)軌面的接觸率。通過(guò)刮研及多次合研，最終保證在25 mm×25 mm范圍內(nèi)接觸不少于12個(gè)刮研點(diǎn)即為合格。

合研完成后，將滑座體落在床身上，安裝正向滾動(dòng)體。首先將2個(gè)滾動(dòng)體安裝在長(zhǎng)安裝板上，整體裝入滑座體的安裝槽中，安裝時(shí)需利用吊車將滑座體吊起較小距離。安裝滑座體4處正向滾動(dòng)體時(shí)，需保證滾動(dòng)體滾柱與鋼導(dǎo)軌接觸面高出導(dǎo)軌軟帶面0.01 mm。檢驗(yàn)方法為0.01 mm塞尺可進(jìn)入導(dǎo)軌軟帶與鋼導(dǎo)軌之間，0.02 mm塞尺不可進(jìn)入。此距離為重載卸荷間隙，結(jié)合承載能力和滾動(dòng)體承載曲線計(jì)算得出，該間隙通過(guò)配磨長(zhǎng)安裝板保證。

短安裝板與側(cè)向滾動(dòng)體一同裝入滑座體后，使?jié)L動(dòng)體滾柱完全與導(dǎo)軌側(cè)面接觸。斜安裝板與滾動(dòng)體裝入滑座體后，調(diào)節(jié)鎖緊螺釘使?jié)L動(dòng)體滾柱完全與導(dǎo)軌側(cè)面接觸。調(diào)節(jié)連接板與斜安裝板間螺釘，沿導(dǎo)軌方向施加約12 000 N預(yù)緊力后，在斜安裝板與滑座體間灌入填料膠并硬化20 h以上。

正向和側(cè)向滾動(dòng)體安裝調(diào)整完成后配磨滑座壓板。為保證該導(dǎo)軌副剛性，壓板上的導(dǎo)軌軟帶面與導(dǎo)軌間不留間隙，可通過(guò)千分表測(cè)量滑座體底部壓板安裝面與導(dǎo)軌底面距離，并按數(shù)據(jù)配磨壓板后安裝，安裝后利用0.01 mm塞尺檢驗(yàn)壓板與導(dǎo)軌間距離，如塞尺不能進(jìn)入，則裝配合格。至此，裝配階段完成。

3.3 樣機(jī)測(cè)試

3.3.1 精度測(cè)試

為提高檢測(cè)精度，利用激光干涉儀檢測(cè)滑座體移動(dòng)時(shí)的直線度(圖6)和定位精度通過(guò)測(cè)試，導(dǎo)軌行程2 000 mm距離內(nèi)，直線度為0.008 mm，小于設(shè)計(jì)值0.01 mm。全行程定位精度0.007 mm，小于設(shè)計(jì)值0.008 mm。

圖6 激光干涉儀直線度測(cè)試Fig.6 Laser interferometer straightness test

3.3.2 速度測(cè)試

在低、中、高進(jìn)給速度和快速移動(dòng)速度范圍內(nèi)，進(jìn)行5種變速操作試驗(yàn)，動(dòng)作均靈活可靠。以最大移動(dòng)速度15 m/min跑車48 h運(yùn)行正常，導(dǎo)軌表面無(wú)劃痕，再次進(jìn)行精度測(cè)試，各項(xiàng)精度無(wú)偏差。

3.3.3 剛性測(cè)試

為驗(yàn)證高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌的剛性，除應(yīng)用振動(dòng)測(cè)試分析儀檢測(cè)外，這里采取了重切削測(cè)試。根據(jù)機(jī)床功率和扭矩計(jì)算出材料HT300的最大切深為12 mm，測(cè)試時(shí)，切削過(guò)程較為穩(wěn)定，無(wú)明顯振動(dòng)，切削表面光潔度可達(dá)12.5 μm。重切削測(cè)試完成后，再次進(jìn)行精度測(cè)試，各項(xiàng)精度無(wú)偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

開發(fā)的高速滾滑復(fù)合導(dǎo)軌副，既能實(shí)現(xiàn)鋼導(dǎo)軌的剛性承載能力，又可以實(shí)現(xiàn)直線導(dǎo)軌的高精度和高速度，大幅提升了機(jī)床的綜合性能。該導(dǎo)軌副已在作者公司產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。