超精密機床導軌研究

趙陽 王旭

[摘要]精密與超精密加工技術是現代高科技產品的發展基礎，是現代制造科學的發展方向，同時也是發展尖端技術、國防工業及微電子工業等的基礎，并且目前已經成為國際競爭的關鍵技術。而超精密機床在超精密加工技術的研究和發展中起到了決定性的作用。

[關鍵詞]超精密機床;導軌

1.常見導軌類型及特點比較

超精密機床加工精度主要靠主軸系統和導軌系統兩大系統來保障，其中導軌在超精密機床里具有承載和導向作用。目前幾種常見導軌及其優、缺點與適用場合如下。

1.1滑動導軌

優點：制造容易，結構簡單，運動誤差規律明顯且易于修正;

缺點：容易出現低速爬行等現象，不能獲得高分辨率、定位精度;適用場合：低要求場合;

1.2滾動導軌

優點：動摩擦系數小，運動靈活，不易出現爬行現象，定位精度高，磨損小，壽命長;缺點：導軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差;接觸應力大，對導軌的表面硬度要求高，對導軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高;

適用場合：摩擦小、精度高場合

1.3液體靜壓導軌

優點：承載能力大，精度高且持久阻尼大，動剛度好;即使在極低速時，也不會產生爬行;油膜具有誤差均化作用，吸振性良好，導軌運動平穩，壽命高;缺點：液體粘度大，溫升大，易發熱，油泵振動傳遞較大;適用場合：中型、大型機床設備氣體靜壓導軌：優點：摩擦小、移動速度高、高速發熱小、精度高，清潔性好;缺點：剛度低、承載能力低、輔助條件高;適用場合：應用于中小型機床。

2.超精密加工機床導軌

2.1導軌功能

超精密加工是利用刀具與工件之間的一種精確相對運動來對工件進行切削的，此過程需要在超精密機床及設備上進行，目的便是使工件有很高的表面粗糙度及形狀精度。產生上述所說的刀具與工件之間的、具有嚴格約束限制的相對運動的主要部件為超精密機床的回轉運部件及直線部件，它們分別為機床的主軸和機床的導軌。其中，精密導軌的功能就是為機床其他部件提供位置及運動的基準，高的導軌精度既可以保障機床運動間的幾何關系，又可以保障溜板的運行精度。

2.2滾動導軌

隨著科學技術的發展，人們對數控機床中廣泛使用的導軌有了更高的要求，既要有較高的精度，還要具有較好的剛度以保障其抵抗變形的能力。近年來，隨著滾動直線導軌的生產成本不斷降低、品質卻不斷提升，它已經在各種機床、自動化設備中得到了越來越廣泛的普及。在高剛度、重負荷的機床中，滾柱直線導軌在日本滾動導軌市場中占到了80%，歐洲占90%，其他地區約占50%。另一方面，機床的高效率化要求提高滾柱導軌的使用率。

傳統滾動導軌的結構如圖2.1所示。

圖2.1 傳統滾動直線導軌的結構簡圖

它的結構及各組成部件的功能見表2-1。傳統滾動導軌的滾道幾何精度必須很高，這樣才能保證導軌、溜板（滑塊）與滾動體三者之間的精確接觸。一般情況下，導軌和溜板的安裝面要有很高的形狀精度以使滾動體順暢地在滾道里滾動。

上面這種滾動導軌有兩個明顯不足：

一是循環道的精度在加工中很難保證，這勢必會影響導軌的精度;

二是滾柱或滾珠在循環道滾動時通常會出現卡堵現象，這也會降低滾動體的運行平穩性，從而降低導軌精度。

新型滾動直線導軌結構截面示意圖如圖2.2所示。

新型結構的滾動導軌，在滿足高精度的基礎上同時具有要求的高剛度。這種導軌的滾動體與導軌和溜板均采用平面接觸，大大改善了導軌與溜板的加工性;此外，導軌與上溜板、側溜板之間分別放入了高精度的滾柱，消除了循環道精度難保證的影響，提高了導軌系統的整體精度，具有較高的剛度。在有限的空間里顯現出很好的承載能力與剛性、良好的運行平穩性、較低的噪聲、較高的工件加工精度與優良的導軌可加工性、大大簡化的導軌結構、大大降低的導軌成本等等，滿足了數控產業對滾動直線導軌各種功能的要求，此種導軌技術與生產的成熟性將為我國整個制造業的發展做出新的貢獻。

3.滾動直線導軌的研究方向及進展

對滾動直線導軌的具體研究方向及進展如下：

導軌剛度研究方面，對帶有滾珠的導軌進行了承載性能分析，研究了當工作臺在偏載荷作用下的各個滾珠承受載荷發生的具體改變，從而研究導軌的剛度改變;并且進一步地建立了滾柱處于不同的位置與所受外載的函數對應關系，繼而提出了導軌的剛度會受到所受外載的影響，并將這些影響定量化、具體化。導軌壽命研究方面，經過對滾動導軌的大量實驗總結出了一般的壽命通用計算公式，以及針對不同使用條件、不同材料及周圍環境的補充公式。導軌摩擦性能研究方面，對滾動體受到四個相等的力狀態下的滾珠導軌進行了研究，得到了計算這種滾動導軌差動摩擦力的數學模型。導軌振動研究方面，德國的學者對這方面做了大量的研究，他們在滾動導軌振動時總結出自己的模型。

結論

國內外對滾柱導軌的研發制造、精度及剛性分析、壽命分析及動態性能方面都在投入大量的精力，滾柱導軌的研發與市場化也逐步走向成熟。由于我國在此方面仍然與先進國家存在一定的差距，更應該加快對其研究的進度。

參考文獻

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