一種高速滾滑復合導軌副的設計與制造

周萌，郭鑫

(通用技術集團沈陽機床有限責任公司，遼寧沈陽 110142)

0 前言

導軌副是數控機床必不可少的部件，主要用于實現機床部件的移動和支撐。導軌副的精度和剛性是機床加工精度的保證，而導軌副的移動速度則是加工效率的保證[1]。高速滾滑復合導軌副屬于精度、剛性與移動速度兼顧的導軌副，本文作者以數控臥式銑鏜床床身為基礎，實施了高速滾滑復合導軌副的設計、制造，并進行了功能測試。

1 常見導軌副的種類

目前，數控機床主流導軌副的形式主要有直線導軌、鑄鐵導軌、鋼導軌和靜壓導軌，因其結構不同，每種導軌副的特點和應用情況也有所不同。

直線導軌作為標準的外購件，目前技術已經十分成熟，其精度和穩定性好、安裝方便，移動速度普遍可達到15 m/min以上，在立式加工中心、臥式加工中心、輕型龍門加工中心等眾多種類的機床上得以應用[2-3]。限于直線導軌的結構本身，即便是承載能力較強的滾柱直線導軌剛性相比鋼導軌也差很多，所以對剛性要求較高的機床，如數控臥式銑鏜床、數控落地式銑鏜床，直線導軌還沒有廣泛應用。

鑄鐵導軌的導軌面較為寬厚，承載能力強，移動部件和鑄鐵導軌之間為滑動摩擦，移動速度普遍不高，一般低于10 m/min。鑄鐵導軌表面一般經熱處理后再進行磨削處理，因此鑄鐵導軌對鑄件品質要求較高[4-5]。為避免移動部件與導軌之間摩擦損壞，特在移動部件與導軌面摩擦部分粘貼導軌軟帶并刮研處理，移動部件和導軌面之間通過定量供應潤滑油減小摩擦力，在潤滑不充分時容易出現“爬行”現象，精度不及直線導軌。這種導軌副多用于剛性要求較高的機床，如數控臥式銑鏜床、數控落地式銑鏜床、重型數控車床等。

鋼導軌與鑄鐵導軌應用情況類似，鋼導軌通過螺釘及定位銷連接于鑄鐵床身上，鋼導軌預先熱處理，整體安裝在鑄鐵床身后再進行整體磨削處理。由于鋼導軌彈性模量比鑄鐵大，同種承載情況下截面尺寸可小于鑄鐵導軌。

靜壓導軌承載能力強，但移動速度相對較低，一般在6 m/min以下，無論開式還是閉式靜壓導軌其原理都是將具有一定壓力的靜壓油經節流器輸入到導軌面與移動部件之間的油腔中形成承載油膜，使導軌面與移動部件之間處于純液體摩擦狀態。靜壓導軌副結構比較復雜，且需要一套單獨的供油系統，對潤滑油的清潔程度要求很高，因此成本較高，多用于承載較大的重型機床，如重型落地鏜、重型龍門加工中心等。

綜上，現有的成熟導軌副，精度、剛性、承載能力各有側重[6-7]。為滿足一些數控機床的特殊需求，作者設計并制造、驗證了一款速度、精度與剛性兼顧的高速滾滑復合導軌副。

2 高速滾滑復合導軌副結構與工作原理

高速滾滑復合導軌副的導軌部分應用鋼導軌結構，移動部件與導軌間為滾動與滑動混合摩擦方式，其結構原理見圖1。滑座體1與鋼導軌8之間形成導軌副，通過滾動體3及導軌軟帶7同時實現滾動與滑動共存的狀態，正向滾動體的數量根據移動部件及負載確定。滑座體1移動時的正向直線度依靠滑座體1上的正向滾動體3及導軌軟帶7限位保證。滑座體1移動時的側向直線度依靠滑座體1兩側內裝的滾動體3限位保證。

滾動體3預先安裝在長安裝板2上之后，整體裝入滑座體1預先加工好的安裝槽中，在長安裝板2外端面利用擋板4固定在滑座體1上，防止其相對滑座體1沿導軌方向竄動。滑座體1一側的滾動體3預先安裝在短安裝板10上后，整體安裝在滑座體1一側預先加工好的安裝槽中，在短安裝板10外端面利用連接板9固定在滑座體1上，防止其相對滑座體1沿導軌方向竄動。滑座體1另一側的滾動體3預先安裝在斜安裝板11上后，整體安裝在滑座體1一側預先加工好的安裝槽中。在滑座體1的斜安裝板11側開有鎖緊螺釘12的安裝孔，鎖緊螺釘12將斜安裝板11頂緊，以使滑座體兩側面的滾動體可以緊密貼合導軌。鎖緊螺釘12調整到適當位置后，在斜安裝板11與滑座體1間隙內灌入填料膠進行固定。在斜安裝板11外端面利用連接板9固定在滑座體1上，防止其相對滑座體1沿導軌方向竄動。連接板9與斜安裝板11間距離可通過螺釘調節，用于后期對斜滾動體的預緊。

為防止外部鐵屑及粉塵進入導軌副內導致鋼導軌表面、導軌軟帶面及滾動體內滾柱研傷，特在滑座兩端設置刮塵板5來清除導軌面的污物。滑動與滾動接觸面的潤滑油通過預先在滑座體1上開好的潤滑油孔分別流向各滾動體和導軌軟帶面。把接在滑座體1上的壓板6與導軌底部形成滑動摩擦以提升導軌副剛性，壓板6上粘貼導軌軟帶7，并在壓板6上開有潤滑孔，可使潤滑油流入壓板6與導軌面之間減小摩擦力。

圖2為高速滾滑復合導軌副仰視圖，可以看出：正向滾動體共4組，分布在滑座體四角，每組2個滾動體；側向滾動體共4個，在滑座體四角分別布置有一個滾動體。高速滾滑復合導軌副三維結構如圖3所示。

圖2 高速滾滑復合導軌副仰視圖Fig.2 Vertical view of high-speed rolling-sliding composite guide rail pair

圖3 高速滾滑復合導軌三維結構Fig.3 3D structure of high-speed rolling-sliding composite guide rail

3 高速滾滑復合導軌副制造與驗證

3.1 零部件制造

高速滾滑復合導軌副的運行速度為15 m/min，無論是導軌軟帶還是滾動體對導軌表面的耐磨度和粗糙度要求都比較高，故導軌要進行熱處理，且硬度需要到達60HRC以上。導軌面的精加工采用磨削加工，磨削后表面粗糙度應不低于0.4 μm，加工后鋼導軌全長4 m直線度不超過0.01 mm，兩導軌等高一致性不超過0.01 mm。鋼導軌與鑄件床身間通過螺釘連接、圓錐銷定位。為保證導軌磨削精度，導軌上的螺釘及銷安裝孔鑲嵌銅制圓形堵，銅堵與孔間為過盈配合，銅堵安裝后與鋼導軌整體磨削。

滑座體加工時，要嚴格保證圖紙上的精度要求，除正常安裝零部件所需孔、槽外，還需要保證灌膠孔的準確性和通透性。導軌軟帶貼合面的粗糙度加工至3.2 μm即可，精度過高可能引起粘貼不牢固。粘貼導軌軟帶時選用CH-31型黏結膠，黏結膠涂刷后靜置20～40 min進行粘貼，粘貼完成后，經8～16 h待黏結膠凝固后進行導軌軟帶面的加工。滑座底部實物如圖4所示。

圖4 滑座底部實物Fig.4 Entity of the bottom of the slide

3.2 樣機裝配

裝配時，首先要合研滑座體底部導軌軟帶面與導軌面的接觸率，圖5為合研過程圖。合研前，在滑座體導軌軟帶面均勻涂抹紅丹粉，在床身導軌面均勻涂抹黑墨油。滑座體落在床身導軌上后，將布袋繩一端固定在滑座體前端，另一端穿過滑輪架后掛在吊車鉤上，吊車上升時，布袋繩繞過滑輪帶動滑座體水平運動進行合研。合研時要保證滑座體導軌軟帶面與床身導軌面完全接觸。在滑座體移動一段距離后，將滑座體平穩吊起并翻轉，檢測滑座貼塑面與床身導軌面的接觸率。通過刮研及多次合研，最終保證在25 mm×25 mm范圍內接觸不少于12個刮研點即為合格。

合研完成后，將滑座體落在床身上，安裝正向滾動體。首先將2個滾動體安裝在長安裝板上，整體裝入滑座體的安裝槽中，安裝時需利用吊車將滑座體吊起較小距離。安裝滑座體4處正向滾動體時，需保證滾動體滾柱與鋼導軌接觸面高出導軌軟帶面0.01 mm。檢驗方法為0.01 mm塞尺可進入導軌軟帶與鋼導軌之間，0.02 mm塞尺不可進入。此距離為重載卸荷間隙，結合承載能力和滾動體承載曲線計算得出，該間隙通過配磨長安裝板保證。

短安裝板與側向滾動體一同裝入滑座體后，使滾動體滾柱完全與導軌側面接觸。斜安裝板與滾動體裝入滑座體后，調節鎖緊螺釘使滾動體滾柱完全與導軌側面接觸。調節連接板與斜安裝板間螺釘，沿導軌方向施加約12 000 N預緊力后，在斜安裝板與滑座體間灌入填料膠并硬化20 h以上。

正向和側向滾動體安裝調整完成后配磨滑座壓板。為保證該導軌副剛性，壓板上的導軌軟帶面與導軌間不留間隙，可通過千分表測量滑座體底部壓板安裝面與導軌底面距離，并按數據配磨壓板后安裝，安裝后利用0.01 mm塞尺檢驗壓板與導軌間距離，如塞尺不能進入，則裝配合格。至此，裝配階段完成。

3.3 樣機測試

3.3.1 精度測試

為提高檢測精度，利用激光干涉儀檢測滑座體移動時的直線度(圖6)和定位精度通過測試，導軌行程2 000 mm距離內，直線度為0.008 mm，小于設計值0.01 mm。全行程定位精度0.007 mm，小于設計值0.008 mm。

圖6 激光干涉儀直線度測試Fig.6 Laser interferometer straightness test

3.3.2 速度測試

在低、中、高進給速度和快速移動速度范圍內，進行5種變速操作試驗，動作均靈活可靠。以最大移動速度15 m/min跑車48 h運行正常，導軌表面無劃痕，再次進行精度測試，各項精度無偏差。

3.3.3 剛性測試

為驗證高速滾滑復合導軌的剛性，除應用振動測試分析儀檢測外，這里采取了重切削測試。根據機床功率和扭矩計算出材料HT300的最大切深為12 mm，測試時，切削過程較為穩定，無明顯振動，切削表面光潔度可達12.5 μm。重切削測試完成后，再次進行精度測試，各項精度無偏差。

4 結語

開發的高速滾滑復合導軌副，既能實現鋼導軌的剛性承載能力，又可以實現直線導軌的高精度和高速度，大幅提升了機床的綜合性能。該導軌副已在作者公司產品上推廣應用。