超精密機(jī)床導(dǎo)軌研究

趙陽 王旭

沈陽機(jī)床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

超精密機(jī)床導(dǎo)軌研究

趙陽 王旭

沈陽機(jī)床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

精密與超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)品的發(fā)展基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展方向，同時也是發(fā)展尖端技術(shù)、國防工業(yè)及微電子工業(yè)等的基礎(chǔ)，并且目前已經(jīng)成為國際競爭的關(guān)鍵技術(shù)。而超精密機(jī)床在超精密加工技術(shù)的研究和發(fā)展中起到了決定性的作用。

超精密機(jī)床；導(dǎo)軌

1.常見導(dǎo)軌類型及特點比較

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

1.1 滑動導(dǎo)軌

優(yōu)點：制造容易，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動誤差規(guī)律明顯且易于修正；

缺點：容易出現(xiàn)低速爬行等現(xiàn)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(dǎo)軌

優(yōu)點：動摩擦系數(shù)小，運(yùn)動靈活，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度高，磨損小，壽命長；缺點：導(dǎo)軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差；接觸應(yīng)力大，對導(dǎo)軌的表面硬度要求高，對導(dǎo)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(dǎo)軌

優(yōu)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(chǎn)生爬行；油膜具有誤差均化作用，吸振性良好，導(dǎo)軌運(yùn)動平穩(wěn)，壽命高；缺點：液體粘度大，溫升大，易發(fā)熱，油泵振動傳遞較大；適用場合：中型、大型機(jī)床設(shè)備氣體靜壓導(dǎo)軌：優(yōu)點：摩擦小、移動速度高、高速發(fā)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(yīng)用于中小型機(jī)床。

2.超精密加工機(jī)床導(dǎo)軌

2.1 導(dǎo)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(yùn)動來對工件進(jìn)行切削的，此過程需要在超精密機(jī)床及設(shè)備上進(jìn)行，目的便是使工件有很高的表面粗糙度及形狀精度。產(chǎn)生上述所說的刀具與工件之間的、具有嚴(yán)格約束限制的相對運(yùn)動的主要部件為超精密機(jī)床的回轉(zhuǎn)運(yùn)部件及直線部件，它們分別為機(jī)床的主軸和機(jī)床的導(dǎo)軌。其中，精密導(dǎo)軌的功能就是為機(jī)床其他部件提供位置及運(yùn)動的基準(zhǔn)，高的導(dǎo)軌精度既可以保障機(jī)床運(yùn)動間的幾何關(guān)系，又可以保障溜板的運(yùn)行精度。

2.2 滾動導(dǎo)軌

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)控機(jī)床中廣泛使用的導(dǎo)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(dǎo)軌的生產(chǎn)成本不斷降低、品質(zhì)卻不斷提升，它已經(jīng)在各種機(jī)床、自動化設(shè)備中得到了越來越廣泛的普及。在高剛度、重負(fù)荷的機(jī)床中，滾柱直線導(dǎo)軌在日本滾動導(dǎo)軌市場中占到了80%，歐洲占90%，其他地區(qū)約占50%。另一方面，機(jī)床的高效率化要求提高滾柱導(dǎo)軌的使用率。

傳統(tǒng)滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

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

上面這種滾動導(dǎo)軌有兩個明顯不足：

一是循環(huán)道的精度在加工中很難保證，這勢必會影響導(dǎo)軌的精度；

二是滾柱或滾珠在循環(huán)道滾動時通常會出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，這也會降低滾動體的運(yùn)行平穩(wěn)性，從而降低導(dǎo)軌精度。

新型滾動直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)截面示意圖如圖2.2所示。

表2-1 傳統(tǒng)滾動導(dǎo)軌構(gòu)成及功用

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

3.滾動直線導(dǎo)軌的研究方向及進(jìn)展

對滾動直線導(dǎo)軌的具體研究方向及進(jìn)展如下：

導(dǎo)軌剛度研究方面，對帶有滾珠的導(dǎo)軌進(jìn)行了承載性能分析，研究了當(dāng)工作臺在偏載荷作用下的各個滾珠承受載荷發(fā)生的具體改變，從而研究導(dǎo)軌的剛度改變；并且進(jìn)一步地建立了滾柱處于不同的位置與所受外載的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，繼而提出了導(dǎo)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(dǎo)軌壽命研究方面，經(jīng)過對滾動導(dǎo)軌的大量實驗總結(jié)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(huán)境的補(bǔ)充公式。導(dǎo)軌摩擦性能研究方面，對滾動體受到四個相等的力狀態(tài)下的滾珠導(dǎo)軌進(jìn)行了研究，得到了計算這種滾動導(dǎo)軌差動摩擦力的數(shù)學(xué)模型。導(dǎo)軌振動研究方面，德國的學(xué)者對這方面做了大量的研究，他們在滾動導(dǎo)軌振動時總結(jié)出自己的模型。

結(jié)論

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

[1]王東峰.液體靜壓導(dǎo)軌及其設(shè)計研究[J].潤滑與密封，2004，4(117)

[2]李列.XK2125床身工作臺導(dǎo)軌副采用恒流供油式靜壓導(dǎo)軌的探討[J].機(jī)床與液壓，2006(10)：64～66.