机电一体化-导轨精度

研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科 目 机电系统设计与分析 教 师： 姓 名： 学 号： 专 业： 机械工程 类 别： 学术 上课时间： 2016 年 9 月至2016 年 11 月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 重庆大学研究生院制浅析提高导轨的耐磨性及精度保持性方法摘 要：本文通过查阅文献了解目前机床等行业对导轨的基本要求，并根据机电系统设计与分析课程作业要求，着重针对导轨的耐磨性及精度保持性两个要求进行分析，首先分析了耐磨性与精度保持性对导轨的重要性，接着解释了精度对于导轨以及整机工作的重要性，以及导轨工作过程中的磨损机理。最后，通过文献资料，总结了目前导轨设计、选材、制造以及修复过程中提高其精度保持性及耐磨性的常用方法。关键词：导轨；精度保持；耐磨性；影响因素To raise the wearability and precision retaining ability of solid guide methods(College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstarct：In this paper, through consulting literature knowledge to guide the basic requirements of the machine tools industry, and according to the mechanical and electrical systems design and analysis course requirements, mainly in the light of the wear resistance of guide rail and accuracy stable two requirements analysis, firstly analyzes the abrasion resistance and accuracy stable on the importance of guide rail, then explain the importance of accuracy for the work of guide rail, and rail wear mechanism in the process of work.Finally, through literature review, summarizes the current guide rail during the process of design, material selection, production and maintenance to improve the accuracy of the commonly used method properties and wear resistance.Keywords：Slide guide；Stability ofccuracy；Wear Resistance；Influence factors0 引言导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方称为动导轨，不动的一方称为支承导轨。动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。导轨是机床等进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。其中对导轨要求包括：（1）导向精度高；（2）低速运动平稳性高；（3）刚度足够强；（4）受温度变化影响小；（5）工艺性好；（6）精度保持性良好；（7）耐磨性好。本文着重浅析导轨的耐磨性及精度保持性提高方法。精度保持性：精度保持性是指导轨在长期的使用中保持导向精度的能力；耐磨性：导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。数控机床导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性1。导轨原始精度的保持性决定着机床的寿命，特别是运动部件的工作速度较快，加工精度要求较高，其影响更为突出。国内生产制造的高精度机床的精度已能达到国际同类水平，但精度保持性和耐磨性与国外仍有较大差距，精度保持性和耐磨性已成为制约我国高精度机床研发的技术瓶颈之一。1 影响导轨精度的主要因素及提高精度保持性的方法影响导轨副精度保持性的因素有很多，如导轨自身的几何加工精度、导轨材料的弹性变形和热变形、切削力的不稳定性、机床的振动以及导轨的磨损等。磨损是影响导轨副精度保持性的最重要因素2。要使精密机床达到较高的精度，其导轨精度的提高是必要的基础。下面从设计、选型、制造工艺等方面介绍几种提高导轨精度的方法3。1.1 按照平均效应原则设计导轨早在二、三十年前，精密机床导轨的设计一般按照运动学的设计原则。即移动件设置五个自由度约束，一个自由度运行。如瑞士西浦(SIP)厂2P坐标镗床,其设计就是一个V型导向导轨，另一面则设计了2个在一起的滚轮支承的平导轨来防止扭转。其设计就是遵循了上述原则。经过多年的实践，验证了这种设计有以下弊端。导轨系统综合精度始终低于上、下导轨和单个元件精度；随着时间的增加，其磨损增大，精度显著下降；不能承受较大的载荷，否则会使导轨产生位移，其移动精度极大降低，无法进行加工。因此，按照运动学的设计原则设计的导轨目前只适用于精密仪器。1.2 设计高精度导轨形式设计高精密度导轨形式要遵循的原则有以下几点。（1）性能独立精度不干涉：导轨的设计与制造上，其各项精度互不干涉才易得到较高精度。矩形导轨占据首位，上下平面控制垂直方向导轨直线性和承受垂直方向的力，侧平面控制左右方向直线性和承受侧向力，二者性能独立互不干涉互不影响。故在精密机床及加工中心应用较多。（2） 静动摩擦相接近：近年来，通过研究和试验，设计出了较理想的贴塑导轨，如英国专利产品被称为“三合一塑料导轨”的DU塑料板。此导轨不仅具有耐磨、吸振以及动、静摩擦系数相同的特点,而且摩擦系数小，近似为0.01左右，处在滑滚两种导轨的中间状态，防爬能力强。此外，该导轨还具有一定的弹性和自润滑能力，定位精度能稳定达到。因此，此种导轨目前广泛为加工中心和精密机床所采用。如国内生产的TK4145数控坐标镇床上使用的塑料导轨，因其摩擦系数小，随速度变化较小，使用效果很好。（3） 导轨能自动贴合：要使导轨精度高必须使上、下导轨有自动贴合的性能。要自动贴合，一是要靠移动件重力贴合，二是靠附加弹性力或滚压力使其贴合。在导轨贴合这一点上，水平安置的导轨以双V型导轨为最佳。（4）设计下导轨为基准上导轨为弹性体：根据弹性均为原则设计的精密机床，若其相配两导轨都设计为不易变形的刚体，则因相互干涉，精度会有所下降。因此在设计时应以长的下导轨为绝对的刚体基准，移动导轨与其自动贴合，受力以后具有一定的弹性，才能取得良好的效果。1.3 改善导轨精度重复复稳定性的方法机床在进行粗加工时，由于各部受到较大的力和力矩作用导致导轨变形和移动，因此在进行设计时要注意尽量使导轨受载后少移位和加工前后导轨能自动复位。其措施为以下几个方面：（1）尽量减少移动件来回移动的倾侧力：传动件要安排在导轨摩擦合力中间，这对滑动导轨有很大影响，导向面在两对导轨的外侧，动导轨间的距离较大，热变形也相应增加，这样使得间隙会更大，影响导轨的导向精度。导向面是在一对平导轨的两侧，导向面间的距离较小，加工测量也较方便，易获得较高的平行度,热变形也小，可选用较小的间隙，导向精度高，但其牵引力与导轨摩擦力间偏离大，所形成的力偶易使工作台倾侧甚至卡住，降低导向精度。（2）尽量减小移动件可能的变动量：倾侧力矩一般难以消除，尤其是在负荷较大时，要把机床导轨设计成全封闭型，在制造精度可能的范围内尽量减少其间的间隙，减少移动件可能的变动范围。（3） 选用有自复位能力的导轨形式：当机床受负荷时会使机床导轨产生上下左右微量飘移和接触变形，改变导轨的直线性和扭曲精度。实践证明双V型导轨是诸导轨中自复位能力最强的导轨，是精密机床导轨的高精度形式。故建议选用这种导轨形式。1.4 提高导轨的抗弯能力和抗扭变形能力（1）合理选择拖板的导轨跨度尺寸设计原则应按照工件重量和移动件重量在全行程移动过程中变形量最小的原则。跨度过大当工件移动到中间时，拖板会下凹太大，跨度过小，移动件移动到两端时造成工作台上抬，实践验证：对于中小型工作台导轨跨度较为宜，式中l为工作台行程。（2）采用多条导轨的布局设计采用多条导轨的布局设计，这样既遵循了平均效应的设计原则，又能减少导轨间距，提高了刚性。如美国的莫尔(Moor)公司采用双V双平四条导轨的设计。瑞士西浦(sip)与豪瑟(Hauser)设计的中间V型两侧平行的三条导轨设计。上述设计方案明显提高了导轨的抗弯能力。（3）合理设计拖板工作台筋的结构布局现有筋布局方法有：方块筋、米字筋、斜方块筋和蜂窝筋等。从瑞士斯图德公司十年来的数据表明若方块筋开口结构的抗扭刚度为1，则斜方块筋开口结构的抗扭刚度为8，蜂窝筋结构的抗扭刚度为40，全封闭的斜方块筋的抗扭刚度为80。所以斜方块筋封闭结构是精密机床工作台筋的较好形式。1.5 减少几何变形采用综合刮研法机床设计完成后，在制造和修理时，若要提高导轨的最终精度，就得用综合刮研法来加以改善。综合刮研法原理是把基准导轨的几何精度刮研成与移动时导轨的变形曲线大小相等方向相反的形状，用几何来抵消变形的误差，使直线度的最终影响趋近于零(在不考虑工件重量影响的情况下)。2 导轨磨损机理及其提高其耐磨性的方法数控机床导轨的耐磨性是保持精度的决定性的因素，导轨副表面磨损会逐渐改变导轨副的几何精度， 从而影响导轨副在进给过程中的直线性， 最终影响机床加工工件的几何精度和表面质量。它与导轨的摩擦性能、导轨的材料等有关。数控机床导轨面除了力求减少磨损量外，还应使导轨面在磨损后能自动补偿和便于调整； 因此，如何提高机床导轨的耐磨性，以保持运动部件的进给均匀性和延长机床的使用寿命，提高机床的利用率是十分重要的。国内外学者主要研究新材料或者表面涂层对滑动导轨副表面耐磨性的影响4-9。现将导轨磨损机理及如何提高导轨耐磨性的方法及材料简介如下10。2.1 导轨磨损机理分析滑动导轨副之间磨损，实际磨损状况很复杂，这主要是由导轨副的工作环境和运行状况决定的。一般的滑动导轨副都在开放的工作环境下运行，这样使导轨表面容易受到磨屑和外界异物的微切削作用，而且导轨的表面也容易产生细观的氧化和腐蚀，从而加剧磨损。对于高速重载的滑动导轨副其表面容易产生局部的高温，从而产生粘着磨损甚至胶合磨损，这种严重的磨损应该尽量避免。考虑那些表面防护严密，运行工况良好的滑动导轨副，其在稳定工作阶段的磨损应该是缓慢而温和的，其磨损机制主要以摩擦疲劳为主。摩擦疲劳是表面的微观疲劳，它是指滑动摩擦时表面的粗糙体在正压力和摩擦力的作用下彼此反复接触并形成循环变化的应力场，从而使表面粗糙体产生疲劳损伤并最终产生疲劳破坏，即形成微观的磨屑。研究表明这种微观的表面疲劳可以作为多种磨损机制的研究基础11。总结起来，导轨副主要是磨料磨损和粘附磨损。磨料磨损经常发生在边界摩擦和混合摩擦状态。相对滑动的导轨副之间的磨料切削导轨副，使导轨面产生划伤或出现沟痕，磨料的硬度越高，相对滑动速度越大、负荷越大，对导轨副的危害也越大。粘附磨损也称分子机械磨损，当导轨副相互接触时，在高负荷下导轨面产生塑性变形，导轨副的相对运动又使导轨表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的导轨表面之间，就会发生分子间的相互吸引和渗透，使接触点粘结而发生咬焊。导轨面之间的相对运动，又将咬焊点拉开，造成撕裂性破坏。在其他条 件如负荷、滑移速度、润滑条件不变的情况下，为了减轻磨料磨损和粘附磨损对导轨的影响，导轨本身的硬度及对动导轨的硬度差异是关键。本身硬度越低，硬度差异越小，就越容易磨损和拉伤；本身硬度越高，硬度差异越小，就越经久耐磨。普通机床导轨本身硬度一般较低。而且硬度差异较小，因而不能很有效地抵抗磨料磨损和粘附磨损。一旦出现严重磨损和拉伤，为了修复导轨，无论是磨削加工，还是刨削加工导轨，均会使导轨面减薄0.53mm。相对来说，每修复一次，导轨的硬度就会降低一些，导轨的磨损速度将加快，将会出现越修复越不耐磨的恶性循环12。导轨副表面磨损会逐渐改变导轨副的几何精度，从而影响导轨副在进给过程中的直线性，最终影响机床加工工件的几何精度和表面质量。 2.2 导轨耐磨涂层机床导轨耐磨涂料是一种自身具有良好润滑条件和相应抗机械作用的固体涂料，它既能弥补两接触面由于摩擦而造成的磨损缺陷，又能使两个相对运动面具有良好的润滑减磨作用。同时，耐磨涂料对进入摩擦副面间的金属杂物还具有一定的预埋性。耐磨涂层主要由润滑剂和粘结剂组成。润滑剂是提高耐磨涂料润滑减磨性能的主要成分，使涂料具有较小的摩擦系数和自润滑特性。用于耐磨涂料的固体润滑材料有胶体二硫化钼、胶状石墨粉等。 粘结剂是组成耐磨涂料的重要成分，其作用是将涂料中的其它组分牢固地粘结在一起，并与基体产生良好的粘结力，使之在基体表面形成牢固的涂层。 2.3 预热处理13众所周知，热处理是影响产品性能的一个重要因素，如何正确设定和实施热处理工艺，是控制产品综合性能的一个关键点 在导轨的热处理过程中， 预先热处理是一个重要的环节。没有适当的预先热处理工艺，就难以实现后续有效的淬火、回火等工艺，难以获得性能良好且稳定的导轨。 在其它热处理工艺相同的情况下，预先热处理采用分级球化退火和分级去应力退火，可以有效减少导轨的磨损体积，提高导轨的耐磨损性能。这主要是因为分级球化退火和分级去应力退火，使得导轨的组织得到细化，组织中的碳化物呈现出细小、弥散分布的状态，有利于提高热处理后导轨的耐磨损性能。 2.4 采用合金灰铸铁14为了提高机床导轨耐磨性，许多工厂从材质入手，采用耐磨性较高的合金灰铸铁。常用的合金灰铸铁有以下几种：（1） 铜合金铸铁：铜对改善铸铁的流动性、收缩性和裂纹倾向性效果显著，尤其难能可贵的是，当铸铁结晶时，铜起石墨化作用，防止产生自由渗碳体；而当共析转变时，铜能起稳定珠光体的作用，细化和强化珠光体，提高其显微硬度，使铸件不同厚度的截面硬度均匀；同时含铜铸铁加工性和表面光洁度也有改善。例如，在同样的硬度(HB200)下，含铜铸铁的切削速度可比非合金铸铁高 2 3 % 多假若加工性相同，铜合金铸铁(含铜1.62.0% )的硬度要高HB25。含铜0.5 2 . 6% 的合金铸铁越来越多地用于制造0.410吨重的机床床身工作台等铸件。对于高共晶度的铸铁或厚大而性能要求高的铸件，常常同时加入铬、铂等合金元素，以进一步增强铜的有利作用，一般耐磨性可提高0.51倍。（2） 含硼铸铁：有些工厂在机床铸件中加硼以提高材料的耐磨性。对于亚共晶铸铁，含硼量应不超过0.040.08%过量加人时，铸铁的强度、塑性下降，硬度急剧增加，加工性能恶化。硼铸铁的硬度虽不高，但由于组织中存在坚硬的磷一硼共晶物，其耐磨性是很好的。在石墨分布相似的情况下，硼铸铁的磨损速度为普通铸铁的5076%倍。采用硼-铬-镍-钦多元微量合金，不加冷铁，导轨硬 度由原来普通铸铁的165180HB，提高到197218HB试验室试验，耐磨性提高 1.6 倍。值得注意的是，硼铸铁本身虽然耐磨，但当导轨污染不重的条件下，却加剧了与其配对零件的磨损速度，这是因为硬度很高的共晶物质点侵入并损伤配对零件的组织，引起对方磨损加剧。因此，硼铸铁作为机床摩擦副材料的前途如何，尚待进一步研究与试验。 （3） 用复合添加剂进行合金化处理：复合添加剂是由稳定碳化物的元素(如铬、锰、铂等 ) 和促进石墨化的元素(硅、钙等)共同组成的混合物。用复合添加荆对铁水进行处理，一方面能起到提高珠光体分散度和显微硬度的作用，同时又有加强孕育剂的作用，防止出现游离渗碳体，提高大型铸件不同壁厚处性能的均匀性，减少铸件的残余应力，防止含铬铸铁件经常出现的开裂现象。根据试验，采用复合添加剂后，耐磨性可提高4070%。2.5 采用球墨铸铁国外有人试验过用球墨铸铁制造机床床身等铸件。对球铁、孕育铸铁和普通铸铁的耐磨性进行了对比试验。从而知，珠光体球铁具有最好的耐磨性。主要原因是 珠光体基体显微硬度高，而且球状石墨的平均间距往住比片墨铸铁大得多。为得到全珠光体基体，试样曾经高温正火处理，但生产中对于床身类复杂铸件，施行这种热处理是极困难的。为得到铸态珠光体组织，需加入铜、铂等稳定珠光体另外，强制冷却作用能大大降低铸件在弹-塑性区域不同厚度断面的温度梯度，使铸造应力减小，减少铸件开裂和变形倾向，缩短铸件在型内的保温时间。根据近年研究，消除和减小铸造应力，有助于提高铸铁的耐磨性。 2.6 采用合成铸铁合成铸铁又称感应炉铸铁。它以废钢为炉料，在感应炉中熔炼，以碎石墨电极增碳，用硅铁锰铁调整成分。由于可在指定的共晶度下选取最佳的碳、硅比例，故合成铸铁的质量优于冲天炉铸铁。它的使用性能、铸造性能均好，适用于形状复杂、壁厚极不均匀的铸件合成铸铁的耐磨性相当于冲天炉熔制的低合金铸铁，比冲天炉铸铁的耐磨性提高5070%。合成铸铁的共晶度（Sc）要影响组织中石 墨的长度，硅、碳比则影响珠光体的显微硬度。合成铸铁亦可加入少量合金，以进一步提高其性能。3 总结导轨精度对于机床等行业的重要不言而喻。影响导轨精度，耐磨性的因素很多，在过去的文献中众多学者也提出了相对应的解决方法，本文主要针对导轨的精度保持性和耐磨性两个要求，简要阐述了导轨的磨损机理，并从设计、选型、制造工艺等方面总结了目前提高导轨精度保持性的方法，以及从选材、热处理、涂层等方面介绍了目前提高导轨耐磨性常用方法。为导轨耐磨性和精度保持性的研究提供一定的参考。参考文献1 韩晓霞. 数控机床导轨精度对生产作业影响的综合分析J. 华章, 2013(26).2 谭雁清, 张连洪, 王凯峰,等. 基于表面磨损的机床导轨副精度保持性模型J. 农业机械学报, 2015, 46(2):351-356.3 王文彦. 提高精密机床导轨精度的几项措施J. 天津冶金, 2000(4):43-45.4 Lubas J. Assessment and application of TiB 2, coating in sliding pair under lubrication conditionsJ. Wear, 2012, 296(12):504-509.5 杨书根,杨莲,崔海斌等.机床滑动导轨耐磨涂层工艺的研究J.组合机床与自动化加工技术,2009,(4):90-91,95.DOI:10.3969/j.issn.1001-2265.2009.04.025.6 Okonkwo P C, Kelly G, Rolfe B F, et al. The effect of temperatur