滾柱直線導軌副的結構設計及壽命驗證

廣東高新凱特精密機械股份有限公司 （江門 529100） 馮健文 趙美玲 曹鵬杰 陳偉就

近幾年高剛性、重負載機床越來越多采用滾柱直線導軌副代替原來的滾珠直線導軌及滑動導軌，因此設計和生產高精度、高速度、重載型的滾柱直線導軌副對于我國發展高檔機械裝備是十分必要的。本公司作為國內專業精密滾動直線導軌副生產廠家，精心設計和生產滾柱直線導軌副，本文介紹滾柱直線導軌副的結構設計及壽命驗證。

1.結構設計

（1）整體結構 滾柱直線導軌副由導軌、滑塊和滾柱組成，如圖1所示，其中：①導軌是導軌副與安裝底座相聯接的部件，材料采用優質合金鋼，滾道經表面淬火處理，導軌的定位側面和溝槽精密磨削，導軌的直線度決定導軌副的運動精度。②滑塊是導軌副與安裝滑臺相聯的部件，由滑塊主體、返向器、半圓柱、回柱管道、保持架和密封件等組成。滑塊主體同樣經淬火和精密磨削而成；返向器、半圓柱、回柱管道和保持架組成一個滾柱循環的通道，實現滾柱無限循環運動；密封件包括密封端蓋、密封底片和防護帶板等，目的是防止外部污染進入滑塊內部。③滾柱是滾動體，在導軌和滑塊之間傳遞力，使導軌和滑塊實現相對運動。

圖1 滾柱直線導軌副結構圖

（2）兩種溝槽接觸狀態 滾柱直線導軌副的溝槽接觸狀態分為O形和X形，其結構如圖2、圖3所示。O形相對力臂更長，滑塊承受擺動力矩時角位移的變化小剛度高，X形承受擺動力矩容易發生偏擺屬于自調心結構。本公司HTPM品牌滾柱直線導軌副采取O形結構，接觸角度為45°，能承受上下左右四方向載荷。

（3）確定滾柱的尺寸 根據國際標準I S O 14728－2《滾動直線導軌副額定靜載荷》

式中，f0是系數， f0=221； i是溝槽數，i=2；Zt是有效滾柱數；Lwe是滾柱有效長度（mm）；Dwe是滾柱直徑（mm）；α是接觸角，α=45°。

由式（1）可知，增加滾柱有效長度和滾柱數量可增大滾柱直線導軌副額定靜載荷值；當滑塊長度不變時，由于滾柱直徑和滾柱數量成反比關系，增大滾柱直徑并不會提高靜載荷值。

根據國際標準ISO 14728－1《滾動直線導軌副額定動載荷和壽命》

式中，bm=1.1（額定系數）；fc=195λ（λ為減少系數，0.83）；lt為滑塊有效長度（mm）（一列滾道上兩端承載滾柱中心的距離）。

由式（2）可知，增加滾柱的直徑和滾柱有效長度可提高滾柱直線導軌副額定動載荷值。為了設計的滾柱直線導軌副額定動、靜載荷能達到最佳水平，應選擇盡可能長的滾柱長度和大的滾柱直徑。

從上述可知，為了提高滾柱直線導軌副的額定動、靜載荷，應選用更長更大的滾柱，但是在產品結構設計中，滾柱尺寸受以下幾方面尺寸限制：①滑塊外形和聯接尺寸須按照國際標準ISO 12090－1.3《滾動直線導軌副外形尺寸與公差》。②滾柱上下循環回路為對稱分布，相互不能發生干涉。③滾柱接觸角度設計為45°，滾柱中心組成正方形。④滑塊安裝孔的沉孔與回柱孔最小距離A，如圖4所示。⑤滑塊底面距離與回柱孔最小距離B。⑥塑料回柱管道最薄位置厚度C。⑦滑塊底部與導軌底部的間隙D。

圖4 滑塊內部結構

以本公司HTPM品牌的LGR55滾柱直線導軌副為例，受到以上尺寸的限制，滾柱尺寸取φ6mm×8.5mm。

（4）返向器尺寸的確定 滑塊主體兩端安裝有塑料返向器，返向器的作用是將從承載滾道中出來的滾柱運動方向平穩地改變180°，使之沿滑塊內部的回柱管道返回，經滑塊另外一端的返向器運動方向再次改變180°，最終到達承載滾道的入口處，形成循環回路，使滾動直線導軌副實現往復運動。

由圖2、圖3可知，O形結構返向器較X形復雜，滾柱循環回路在返向器內為前后交叉。如圖5所示，反向器的4個回柱溝槽呈對稱布置，回柱溝槽輪廓中心線即為回柱曲線。如圖6所示，為了使滾柱運動平穩流暢，回柱曲線兩端均與承載滾道中心線和回柱滾道中心線相切。返向器的換向半徑設計非常重要，設計不當會使高速運動的滾柱直線導軌副產生振動噪聲等問題。

圖5 返向器正面圖

圖6 返向器的回轉回路

（5）滑塊長度和滾柱數量的確定 根據國際標準LGR55滑塊主體選取長度為L1=126mm。

如圖7所示，滑塊整個循環回路滾柱存在間隙值X，間隙值理論應大于滾柱直徑的一半，過小則滑塊運行不流暢，過大則承受載荷小，噪聲大。

根據滑塊及返向器的結構計算可得

循環回路中徑總長L中=2L1+2πR+2L2+2L3

循環回路的滾柱數量Z1=L1/Dw，取整數

滑塊總長L=滑塊主體長度L1+2件反向器厚度+2件密封件厚度

根據國際標準I S O12090－1.3《滾動直線導軌副外形尺寸與公差》，滾動直線導軌副滑塊總長L最大不允許超過相應值（不同型號有不同要求）。

（6）導軌副額定動、靜載荷的確定 由式（2）計算LGR55滾柱直線導軌副靜載荷

式中，Lwe是滾柱有效接觸長度，Lwe=7.5mm；Zt是有效滾柱數，Zt=L1/Dwe－1=20；Dwe是滾柱直徑（mm）， Dwe=6mm。

由式（2）計算LGR55滾柱直線導軌副動載荷

其中lt是滑塊有效長度， lt= 120mm。

參照國際標準ISO 14728－1可知

由附表可知HTPM品牌LGR55滾柱直線導軌副額定動、靜載荷達到國際先進水平的性能指標。

LGR55額定動、靜載荷與國外滾柱直線導軌副對比

2.壽命驗證

（1）試驗設備 為了驗證滾柱直線導軌副的額定壽命是否達到設計目標，本公司專門研制一臺重載導軌副壽命試驗機。重載導軌副壽命試驗機結構如圖8所示，試驗機采用伺服電動機聯接絲杠驅動工作臺往復運動，通過液壓缸對被測直線導軌副施加壓力，滑塊上方安裝有壓力傳感器，可實時監控導軌副受壓情況。

（2）試驗條件 移動速度：30m/min；行程：900mm；潤滑頻率：自動供油，每60min為0.4cm3；外加載荷P：壓力60kN；試驗對象：LGR55EA P3 1×1620C。

（3）試驗目標 根據國際標準ISO 1472－1《滾動直線導軌副額定動載荷和壽命》可知

式中，L10為額定壽命（105m），P為外加載荷。

因此根據LGR55EA額定動載荷和外加載荷推算其額定壽命

本次試驗目標為LGR55EA導軌副運行850km后，導軌、滑塊的溝槽和滾柱表面未出現疲勞剝落現象。

（4）試驗結果 LGR55滾柱直線導軌副受載60kN運行870km后，導軌 、滑塊溝槽表面及滾柱表面出現磨痕、亮帶，表面未發生魚鱗狀薄片的剝落和點蝕疲勞現象，如圖9所示。

圖9 LGR55導軌副試驗后滑塊和導軌溝槽表面情況

3.結語

這表明本公司HTPM品牌的LGR55滾柱直線導軌副的額定壽命與設計目標相符，導軌、滑塊溝槽表面粗糙度、淬火層硬度和深度均滿足使用要求。