_滚动直线导轨副精度保持性及磨损机理试验研究

书书书第 3 期2017 年 3 月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool Automatic Manufacturing TechniqueNo3Mar 2017文章编号 : 1001 2265( 2017) 03 0001 05 DOI: 1013462/j cnki mmtamt201703001收稿日期 : 2016 06 12; 修回日期 : 2016 07 12* 基金项目 : 国家自然科学基金青年基金 ( 51405233) ; 国家科技重大专项 ( 2014ZX04011031)作者简介 : 徐斌 ( 1990) ， 男 ， 江苏海安人 ， 南京理工大学硕士研究生 ， 研究方向为滚动功能部件试验技术 ， 机械工程 ，( E mail) 1058862534 qqcom; 通讯作者 : 梁医 ( 1974) ， 女 ， 西安人 ， 南京理工大学副教授 ， 研究方向为机构的运动学和动力学分析 ， 精密机械测试测量 ， 机械优化设计以及摩擦磨损与润滑 ，( E mail) liangyi mail njust edu cn。滚动直线导轨副精度保持性及磨损机理试验研究*徐 斌1， 梁 医1， 赵义鹏1， 张立民2， 薛 锋1( 1 南京理工大学 机械工程学院 ， 南京 210094; 2 汉江机床有限公司 ， 陕西 汉中 723000)摘要 : 针对滚动直线导轨副精度保持性问题 ， 对 DA45CL 型号导轨进行加载运行试验 。通过测试导轨副运行过程中滑块顶面相对于导轨安装基准的平行度及导轨副的摩擦力 ， 分析得出导轨副在不同磨损阶段的精度变化过程 。运用扫描电子显微镜探讨了滚珠与滚道接触表面的磨损机理 ， 结果显示 ， 在受力状态与运动特性的影响下 ， 滚道表面的磨损分为磨粒磨损和粘着磨损 ， 结合精度检测结果 ， 得出相对于磨粒磨损 ， 粘着磨损对精度的影响更大 。最后 ， 针对导轨副磨损机理 ， 提出减小磨损的优化措施 。关键词 : 滚动直线导轨副 ; 精度保持 ; 磨损机理中图分类号 : TH166; TG506 文献标识码 : AExperimental Study on the Precision Maintenance andWear Mechanism of Rolling Linear Guide RailXU Bin1， LIANG Yi1， ZHAO Yi-peng1， ZHANG Li-min2， XUE Feng1( 1 School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China;2 Hanjiang Machine Tool Co ， Ltd ， Hanzhong Shaanxi 723000， China)Abstract: Aiming at the precision maintenance ability of the linear ball guides， a DA45CL linear guide wastaken as object to be run under load condition By measuring the parallelism of the slider top surface compa-ring to the installation benchmark and the friction of linear guide in different running distance， the accuracychange process of guide rail in different wear stage was analyzed Then the wear mechanism of the contactsurface between the ball and the roller was studied by SEM The result shows that， under the influence ofthe stress state and the motion characteristics， the wear of the guide rail is divided into abrasive wear and ad-hesive wear Combined with the accuracy test results， it is concluded that the influence of adhesive wear onthe accuracy is larger than that of abrasive wear Finally， According to the wear mechanism of the guiderail， the optimization measures are put forwardKey words: linear rolling guide; precision maintenance; wear mechanism0 引言滚动直线导轨副是高档精密数控机床 、磨床 、组合加工机床等装备领域的核心功能部件 。滚动直线导轨副具有定位精度高 ， 摩擦磨损小 ， 使用寿命长等优点 ，高档精密数控机床 、磨床 、组合加工机床等装备领域的核心功能部件 1。滚动直线导轨副在数控机床中最重要的指标就是精度保持性 ， 精度保持性是指滚动直线导轨副在规定条件下和规定时间内精度保持在某一范围而不丧失的能力 2， 影响导轨副精度保持性的因素有很多 ， 如机床床身误差 、导轨安装误差 、加工切削力 、导轨副材料的硬度 、耐磨性等 ， 磨损是精度丧失的根本原因 3。目前 ， 国内外学者对于导轨的精度与摩擦磨损有一定研究 。钟洋建立了滚动直线导轨副磨损预测模型 。Yong-Sub Yi 从理论和试验方面分析了导轨副俯仰 、偏摆及滚转的动态响应 。林敏通过试验研究分析了影响导轨副摩擦性能的主要因素 。马星国 ， 白春鹏等研究了滚珠直线导轨副工作时铣削力作用下而产生的精度衰退现象 。熊军等检测了导轨副的摩擦力和运动精度 ， 对导轨副的直线运动误差进行了分析 4-8。这些研究主要集中在某固定状态下的精度分析与测试 ， 没有结合磨损机理 ， 对运行过程中精度的变化进行进一步研究 。本文通过监测导轨加载运行过程中滑块顶面相对于导轨底面基准的平行度 ， 对滚动直线导轨副的精度保持性进行试验 ， 研究导轨副在此过程中的精度变化规律 。运用经典力学对滚珠以及滚道表面进行力学分析 ， 使用场发射扫描电镜和白光干涉仪对上述试验后的导轨副进行显微形貌观测 ， 探讨了导轨和滑块滚道的磨损机理及其对精度的影响 。1 滚动直线导轨副精度保持性试验研究11 试验方法及设备滑块移动对导轨的平行度是滚动直线导轨运动精度的具体指标 。根据滚动直线导轨副验收技术条件 ，精度的检测主要包括 : 滑块顶面中心对导轨基准底面的平行度 ; 与导轨基准侧面同侧的滑块侧面对导轨基准侧面的平行度 9。具体检测方法如图 1 所示 ，本文检测滑块移动对导轨底面基准 A 的平行度 。图 1 导轨测量原理图实验装置如图 2 所示 ， 用螺钉将导轨固定在床身上 ， 使其与工作台纵向平行 。通过液压缸对滑块进行持续加载 ， 伺服电机控制龙门的运动 ， 控制柜可以设置运行速度与里程 。实验所加载荷为额定载荷的 30%，约 22kN， 跑合速度为 30m/min。为避免防尘盖与导轨摩擦 ， 试验全过程中导轨副不带防尘盖 ， 采用人工定时加入润滑油 ， 润滑频率为每天一次 。1 导向导轨副 2 被测导轨副 3 床身 4 加载装置 5 龙门6 驱动装置 7 控制柜图 2 滚动直线导轨副加载跑合试验台导轨副运行过程中滚动体与滚道间的摩擦引起磨损 ， 长时间磨损将会导致精度的丢失 。摩擦力的变化能够体现导轨副的磨损情况 ， 并反映其精度损失的变化过程 。所以精度保持性试验中需要检测导轨副中的摩擦力 ， 了解导轨和滑块中的摩擦磨损基本情况 。每隔一定里程直接在试验台上测量滚动直线导轨副正向 、反向摩擦力 ， 用弹簧秤拉动滑块匀速运动 ， 读弹簧秤的数值 。在 3m 大理石测量平台上用千分表测量滑块对导轨底面基准全长上的平行度 ， 在滑块的顶面选取 5 点如图 3 所示 ， 在导轨长度方向均匀选取 28 点 。图 3 测量选点位置图建立如图 4 所示的坐标系 ， 滑块的三个转动精度分别为绕 x 轴的滚转角 x， 绕 y 轴的偏摆角 y， 绕 z轴的俯仰角 z。由手动测量的局限性 ， 根据滑块顶面1 到 4 点沿 y 方向的浮动量 y( 即平行精度 ) 可以计算出滚转角与俯仰角 ， 而偏摆角由于缺少导轨副侧面数据而暂时无法得出 。图 4 滚动直线导轨副坐标系12 摩擦力试验结果及分析摩擦力试验结果如图 5 所示 ， 该导轨副在试验之前正反向摩擦力均为 20N， 随着里程增加 ， 正反向摩擦力值均减小 ， 到 1000km 时 ， 降为 1N， 摩擦力基本丧失 。在 0 100km， 摩擦力迅速减小 。100 200km 稳定在10 11N， 运行到 500km 时 ， 摩擦力值为 5N， 减小了75%。全程正反向摩擦力基本一致 ， 在 500 850km 仅仅相差了 05N。图 5 导轨副摩擦力变化图由导轨副摩擦力变化曲线可以看出 ， 在 0 1km，摩擦力急速下降 ， 由于新的导轨副滚珠与滚道接触表面之间存在微突体 ， 它们相互作用 ， 并不断减少 ， 接触面积增加 ， 磨损率降低 ， 粗糙度减小 ， 该阶段为导轨副的磨合期 。随着跑合距离的增加 ， 润滑油中的杂质颗粒以及导轨本身的磨损颗粒会不断积累 ， 磨损增加 ， 在2 组合机床与自动化加工技术 第 3 期2 100km， 摩擦力大幅下降 。在 100 1000km， 磨损率下降 ， 摩擦力减小幅度相对缓慢 ， 为稳定磨损阶段 。13 垂直精度保持性试验结果及分析图 6 为导轨副跑完 1000km， 滑块上五点相对于导轨面基准的精度变化 。数据结果表明 ， 滑块顶面上其余四点较滑块中心的平行度波动变化大 。这是由于将滑块视为刚体 ， 顶面 5 点都保持在同一平面内 ， 中心点的垂直位移始终等于对角两点的垂直位移的均值 ， 中心点平行度波动相对稳定 ， 以顶面中心点的平行度来衡量导轨副精度变化 。图 6 的上图可以看出导轨副在 0km 时顶面中心点的平行精度为 12m， 符合机械行业标准中的二级精度标准 。在 0 300km， 先是出现较大波动从 14m 降到 8m， 再逐渐趋于稳定 ， 保持在 10m。当滑块运动到 300 600km 时 ， 平行度处于在 8 10m 的小幅波动 。600 1000km， 平行度很稳定 ， 保持在 8m。整个过程中平行度先快速减小再逐渐趋于平稳 ， 精度没有丧失 ， 相比初始精度 ， 高出 4m。在 0 100km， 精度出现明显提升 ， 因为在跑合初期 ， 尺寸大的滚珠先逐渐磨损 ， 当大小滚珠尺寸相差无几的时候 ， 磨损均匀增加 ， 滚道表面被压实 ， 滑块波动就会减小 ， 因此在该阶段导轨副精度迅速提高 。在稳定磨损期 ， 滚珠与滚道接触的适应度增加 ， 因此该阶段平行度相对稳定 ， 只是出现一段小幅波动 。图 6 导轨副平行度变化14 俯仰角与滚转角保持性试验结果及分析滑块顶面五点垂直位移示意图如图 7 所示 ， 根据俯仰角 、滚转角的定义 ， 由滑块其余四点的垂直精度可以得到俯仰角 和滚转角 。tan =h3+ h42h2+ h12LADtan =h1+ h42h2+ h32LAB图 7 滑块五点垂直位移示意图导轨副俯仰角与滚转角变化由图 8 所示 ， 整个过程滑块的俯仰角和滚转角正切值一直处于 0 0 0001 之间 ， 幅度较小 ， 这主要是由测量方法决定的 。试验采用手动测量 ， 测得的是滑块静止状态下的静态值 ， 与动态测量相比偏小 。虽然俯仰角和滚转角幅值小 ， 但仍能看出 ， 随着里程的增加 ， 俯仰和滚转角越来越小 。这是因为在磨损的过程中 ， 随着磨损量增加 ， 在未出现疲劳点蚀之前 ， 接触的各零件表面的微观高峰被磨平 ， 磨后的滑块滚道 、导轨滚道和滚珠能更好互相接触 ， 互相包容 。图 8 导轨副俯仰角与滚转角变化2 滚动直线导轨副磨损机理研究及其优化措施滚动直线导轨副的摩擦磨损与动力学特性息息相关 ， 复杂的接触受力和运动特性使得滚道各个区域的磨损不尽相同 ， 物体摩擦磨损表面形貌状态能直接反应摩擦磨损的状况 。对导轨副磨损机理的研究 ， 首先从导轨副受力分析出发 ， 结合导轨副的运动特性 ， 运用场发射扫描电镜获取导轨副不同区域的表面微观形貌特征 。为进一步提取磨损区的特征参数 ， 运用白光干涉仪对磨损区表面形貌进行测量分析 。磨损是导致精度变化的根本原因 ， 结合精度的变化 ， 分析不同的磨损状态对精度的影响 。最后 ， 提出减小导轨副磨损的措施 。21 受力分析滚动直线导轨副的整体受力模型如图 9 所示 。假设导轨副每排沟槽中接触的滚珠数量相同且各滚珠在外载荷作用下始终处于受压状态 ， 则导轨上滚道和下滚道各滚珠之间的受力状态相同 。F 为导轨系统所受32017 年 3 月 徐 斌 ， 等 : 滚动直线导轨副精度保持性及磨损机理试验研究到的法向载荷 ， 上排滚珠的受力为 P1、P2， 下排为 P3、P4， P1= P2， P3= P4。 为接触角 ， n 为每排滚道中参与接触的滚珠数 。可得 :F + 2nP4sin = 2nP1sin即 : P1=F2nsin+ P4图 9 导轨副受力示意图可以看出 ， 滚动直线导轨副在加载运行过程中 ， 上排滚珠受力始终大于下排滚珠 ， 而在实际工作过程中 ，滚道承载区滚珠个数 n 是奇数个和偶数个循环变化 10。承载滚珠的个数变化 ， 就会直接影响到滚动直线导轨副内部受力 ， 使导轨副磨损变得复杂 。22 磨损表面的显微形貌观测在不同的接触方式下 ， 由于接触区域面积 、接触应力大小和磨屑运动行为存在差异 ， 因此不同的接触方式下磨痕的微观形貌也不相同 ， 由上文可知 ， 滚动直线导轨副在加载运行中 ， 上排滚珠的受力始终大于下排 ，且跑合过程中 ， 导轨两端处于正反向启动及停止区域 ，中间为匀速段 。基于滚动直线导轨副这样的工作特性 ， 在滚动直线导轨副运行完 1000 公里后 ， 运用 Quan-ta 250 型号扫描电子显微镜对导轨滚道 、滑块滚道及滚珠进行显微形貌观测 。导轨副长期运行过程中 ， 滚道与滚珠在法向和切向的交变应力的作用下 ， 滚道和滚珠表面会出现磨损压痕 ， 图 10 为导轨上下滚道匀速段表面形貌 ， 由图可以看出 ， 该区域导轨滚道表面有细微带状划痕 ， 属于磨粒磨损 ， 且上排滚道的划痕大于下排 ， 这与受力分析结果一致 。( a) 导轨匀速段上滚道表面形貌 ( b) 导轨匀速段下滚道表面形貌图 10 导轨匀速段上下滚道表面形貌从图 11 中可以看出 ， 两端正反向启动及停止区滚道磨痕比匀速区大 ， 出现一些 “坑斑 ”， 为粘着磨损 ， 由于该区域处于正反向启动及停止状态 ， 工作性质极其频繁 ， 在动静摩擦交替下 ， 不易形成油膜 ， 滚道表面的点会与滚珠 “冷焊 ”而粘在一起 ， 当相对运动时 ， 这些焊点被剪下 。图 11 导轨换向区滚道表面形貌滑块滚道表面微观形貌如图 12 所示 ， 可以看出 ，滑块滚道中间段表面分布了很多磨斑 ， 为粘着磨损 ， 由于滚珠与滑块滚道接触的循环频率要大于导轨滚道 ，磨损更为频繁 。在靠近回珠器处 ， 滑块滚道表面主要为磨粒磨损 ， 这是因为导轨副运行过程中产生的金属磨粒易在回珠器中堆积 ， 加上回珠器为塑料材质 ， 容易磨损 ， 产生塑料颗粒 ， 它们会阻碍滚珠的滚动运行 ， 将滚珠的滚动运动变为滑动运动 ， 增加了滚珠与滚道之间的磨损 。( a) 滑块近回珠器段滚道表面微观形貌 ( b) 滑块滚道中间段表面微观形貌图 12 滑块滚道表面微观形貌滚珠的运动包括直线运动 、纯滚动和自旋运动 11， 这种复合运动直接影响着滚珠和滚道间的接触特性和摩擦特性 。图 13 为滚珠表面的微观磨损形貌 ，可以看出滚珠表面的磨痕细小而无规则 ， 且分布很多小斑点 ， 这是滑动摩擦与滚动摩擦交替作用的结果 。图 13 滚珠表面微观形貌为进一步了解黏着磨损的表面形貌 ， 运用白光干涉仪 ， 检测出滑块滚道表面粘着磨损斑痕表面形貌的特征参数 ， 如图 14 所示 。图 14 滑块滚道面粘着磨损斑痕4 组合机床与自动化加工技术 第 3 期从图中可以看出 ， 由于沿导轨运动方向存在滑移 ，该点蚀形状为椭圆形 ， 长半轴方向与运行方向平行 。试验结果如下 ， 干涉条纹数为 66， 长半轴方向图像像素点为 738pix， 短半轴方向像素点为 662pix。结合窄带滤波片波长 544nm 以及仪器配置参数 0 71， 可计算出椭圆的长短半轴和点蚀深度 :a =738pix 071 2 =26199mb =662pix 071 2 =23501mh =66 272 =17952m导轨滚道表面磨痕的深度直接影响导轨副运行的平行精度 ， 该黏着磨痕的形状尺寸反映了运行时滚珠与滚道的接触状态 ， 通过计算能够得到该黏着磨痕的体积磨损量 。V =2abh/3 =2315 103mm3粘着磨损破坏性质严重 ， 理论上可以通过整个滚道面点蚀大概数量得到滚道的点蚀的磨损体积 ， 这对于考量导轨耐磨性能具有借鉴意义 。23 精度保持性与磨损表面微观形貌对比分析床身导轨的磨损是引起导轨精度降低的根本原因 ， 取导轨副运行 0km、300km、600km、1000km 后 ， 滑块沿导轨方向的平行精度 ， 如图 15 所示 。图 15 滑块顶面中心点沿导轨方向的平行度通过对比所测数据可以发现 ， 导轨副在两端加减速段的精度要明显差于中间匀速段 ， 显微观测结果可知 ， 导轨副加减速段导轨滚道表面磨痕较大 ， 且出现黏着磨损 ， 匀速段主要为磨粒磨损 。较大的磨痕使得滚珠与滚道能够更好地接触 、相互包容 ， 但黏着磨损表面塑性变形较大 ， 磨斑分布不均 ， 加上被剪下的焊点残留在滚道表面 ， 影响了滚珠与滚道的接触 ， 使得导轨两端加减速段的精度较差 。由此可见 ， 相对于磨粒磨损 ， 黏着磨损对精度的影响更大 。24 减小导轨副运行中摩擦磨损的优化措施导轨的磨损是可以控制但不可避免的 ， 为减小磨损对于精度的影响 ， 针对导轨副运行中的磨损机理 ， 提出以下减小磨损的措施 。( 1) 在工作情况不受影响的情况下 ， 安装防尘装置 ， 若发现颗粒和杂质在导轨表面上 ， 应及时清除 ， 减少磨粒磨损 。( 2) 在导轨副加减速段 ， 经常添加有磷 、硫 、氯等表面活性剂的抗擦伤润滑油 ， 较久保证润滑膜 ， 可以控制黏着磨损 。( 3) 滚珠运动频繁而复杂 ， 通过添加合金 ， 改进工艺等方法提高滚珠的硬度 ， 减小滚珠表面磨损 。( 4) 在使用允许的情况下 ， 每隔一段时间 ， 使用引导轨将滑块取下 ， 对返向器中堆积的杂质进行清理 。3 结论( 1) 导轨副在 22kN 的载荷下运行完 1000km， 摩擦力下降 95%， 导轨副精度没有丧失 ， 反而比起始精度高 4m。可以认为导轨副在运行过程中 ， 各滚珠受力均匀 ， 滚珠与滚道的磨损均匀增加 ， 对精度没有太大影响 。另外 ， 全程滑块的俯仰角和滚转角很小 ， 可忽略不计 。( 2) 通过分析摩擦力的变化规律 ， 并结合磨损过程微观机理 ， 将导轨副的磨损分为磨合期 ， 加速磨损期 ， 以及稳定磨损期 。在磨合期和加速磨损期 ， 精度明显提升 。稳定磨损阶段 ， 精度出现小幅波动 ， 最后稳定在 8m。( 3) 运用 SEM 扫描电镜对导轨滚道不同区域的表面形貌进行对比分析 ， 得出导轨上滚道磨损量大于下滚道 ， 与力学模型受力分析结果一致 ; 导轨副匀速段主要为磨粒磨损 ， 加减速段导轨滚道面多处出现黏着磨损 ， 借助白光干涉仪 ， 得到滑块滚道表面黏着磨损区的特征参数 。( 4) 通过分析滑块沿导轨副方向的精度变化 ， 得出相对于磨粒磨损 ， 黏着磨损对导轨副精度的影响更大 。