滑動導(dǎo)軌結(jié)合面動剛度的試驗研究

郭成龍 袁軍堂 王維友 夏玲玲 黃 俊

1.南京理工大學(xué)，南京，210094 2.一汽解放汽車有限公司，長春，130011

0 引言

機(jī)床中各類結(jié)合面的動態(tài)特性對整機(jī)動力學(xué)性能都有著重要影響［1－2］，動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度，結(jié)合面的存在會降低結(jié)構(gòu)的局部剛度，直接影響結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合面間的動態(tài)特性及參數(shù)識別研究越來越受到各國學(xué)者的重視。目前，國內(nèi)外對固定結(jié)合面［3－5］和滾動結(jié)合面［6－7］動態(tài)特性的理論和試驗研究比較多，而對滑動結(jié)合面的研究較少。滑動導(dǎo)軌作為機(jī)床上使用最廣泛的導(dǎo)軌，其結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)的研究對提升高精度數(shù)控機(jī)床的設(shè)計水平和制造水平具有重要意義。

為了研究不同條件下滑動導(dǎo)軌結(jié)合面的動力學(xué)特性，本文分析了影響滑動結(jié)合面動態(tài)特性的因素，并在自主研發(fā)的滑動結(jié)合面動態(tài)特性測試系統(tǒng)上以各種滑動導(dǎo)軌為測試對象進(jìn)行了大量試驗，獲取了多種滑動結(jié)合面的動態(tài)特性參數(shù)，分析了滑動結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)隨其影響因素的變化規(guī)律，為高精度數(shù)控機(jī)床的設(shè)計提供了依據(jù)。

1 試驗原理與方法

1.1 試驗原理

典型的滑動導(dǎo)軌結(jié)合面構(gòu)成如圖1所示，滑塊和固定導(dǎo)軌配合形成滑動結(jié)合面，導(dǎo)軌與基礎(chǔ)之間為螺栓連接。滑動結(jié)合面的接觸剛度相對于固定結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)）的剛度較低，振動時結(jié)合面的變形遠(yuǎn)大于固定結(jié)構(gòu)自身的變形，因此可以將固定結(jié)構(gòu)近似為剛體，滑塊看作質(zhì)量塊，滑動結(jié)合面便可等效為剛度為k、阻尼為c的彈簧阻尼器。

圖1 滑動導(dǎo)軌結(jié)合面示意圖

由于結(jié)合面本身存在一定的幾何形狀誤差及微觀不平度，而且結(jié)合面間可能存在介質(zhì)等，所以當(dāng)受到外加復(fù)雜動載荷作用時，結(jié)合面間會產(chǎn)生微小的相對位移或轉(zhuǎn)動，使結(jié)合面既存儲能量又消耗能量，表現(xiàn)出既有彈性又有阻尼的特性，這就是等效動剛度和阻尼。

假設(shè)滑塊的質(zhì)量為m，k和c分別為滑動導(dǎo)軌結(jié)合面的等效動剛度和阻尼，x（t）和y（t）分別是滑塊和基礎(chǔ)的位移，p（t）為滑塊所受外力，基礎(chǔ)位移影響彈簧和阻尼器的受力狀況，為了消除基礎(chǔ)位移的影響，根據(jù)單自由度系統(tǒng)理論，其振動方程可以表示為

對式（1）作以下變換構(gòu)成單自由度振動方程：

在簡諧激振力作用下，p（t）、x（t）和y（t）可表示為p（t）＝Pejωt，x（t）＝Xejωt，y（t）＝Y(jié)ejωt。將以上三項代入式（2）可得

其中，HX－Y（ω）為運動部件頻響函數(shù)與基礎(chǔ)頻響函數(shù)矢量差，HY（ω）為基礎(chǔ)頻響函數(shù)，二者可由實測數(shù)據(jù)計算得到。

由以上推導(dǎo)過程易知，H（ω）是一個等效單自由度系統(tǒng)的頻響函數(shù)。在單自由度系統(tǒng)的固有頻率處，質(zhì)量塊的振幅達(dá)到峰值，相位由0°變到－180°，激勵與響應(yīng)間的相位差為90°。由測量所得的頻響函數(shù)曲線可識別出系統(tǒng)的固有頻率ωn，然后根據(jù)k＝mω2n求出滑動導(dǎo)軌結(jié)合面的動剛度。這種識別方法消除了基礎(chǔ)位移對試驗的影響，更符合實際，識別出的參數(shù)精度高且具有理論依據(jù)。

日本學(xué)者Yoshimura等［8］在對機(jī)床動力學(xué)特性的研究文獻(xiàn)中提出：在結(jié)合條件相同的情況下，只要平均接觸壓力相同，結(jié)合面單位面積的動態(tài)特性參數(shù)是相同的。為了使數(shù)據(jù)具有通用性，求出單位面積的動剛度ke＝k／s，其中，s為滑動結(jié)合面的接觸面積。

1.2 試驗裝置及方法

本文主要通過單因素試驗分析滑動速度、面壓、潤滑油黏度、是否貼塑等各因素對滑動結(jié)合面動剛度的影響規(guī)律，各影響因素的取值情況見表1。

表1 滑動結(jié)合面動態(tài)特性的影響因素

滑動導(dǎo)軌結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)的識別試驗是在自主研發(fā)的測試系統(tǒng)上進(jìn)行的，試驗裝置構(gòu)成如圖2所示。測試裝置采用直流可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，絲杠螺母連接滑塊，通過直流調(diào)試器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)滑動速度，激振器連接在滑塊支架上對系統(tǒng)進(jìn)行激振。

圖2 測試裝置實物圖

試驗過程中，采用M18螺栓對滑塊進(jìn)行法向加載，扭矩由扭矩扳手測量。圖2中，數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的掃頻信號經(jīng)功率放大器放大后作用于激振器，激振器連接阻抗頭并對試驗臺激勵。力信號由阻抗頭拾取，加速度信號由加速度傳感器測得，兩者經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)檫m量大小的電壓信號，并由數(shù)據(jù)采集器采集。計算機(jī)最終得到的是經(jīng)數(shù)據(jù)采集器模數(shù)轉(zhuǎn)換后的力和加速度，通過模態(tài)分析軟件進(jìn)行傅里葉變換后即可得各測點頻響函數(shù)，然后根據(jù)MATLAB程序可計算出結(jié)合面的單位面積等效動剛度。

圖3所示為MATLAB程序識別過程中的幅值和相位曲線，在振動幅值最大處，激勵和響應(yīng)相位差為90°。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滑動速度對滑動結(jié)合面動剛度的影響

滑動導(dǎo)軌低速運行時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而提高滑動速度可避免這一現(xiàn)象，且導(dǎo)軌在不同的滑動速度下穩(wěn)定性也不同，因此滑動速度是影響結(jié)合面動態(tài)性能的重要因素之一。圖4表明了滑動速度對結(jié)合面動剛度的影響規(guī)律。

圖3 MATLAB識別曲線

圖4 滑動速度對結(jié)合面動剛度的影響

從圖4可以得出，滑動結(jié)合面的動剛度隨著速度的增大而減小，面壓p不同，其降低幅度也不同。當(dāng)速度從0增大到400mm／min，面壓為0時，結(jié)合面動剛度下降14%，而面壓為100kPa時的結(jié)合面動剛度僅下降6%。另外，當(dāng)面壓較大時，速度達(dá)到300mm／min以后結(jié)合面動剛度還略有增大。

滑動導(dǎo)軌表面實際上是粗糙不平的，滑動結(jié)合面在靜止?fàn)顟B(tài)下的接觸實際上是兩個粗糙表面微凸體的接觸，粗糙表面上的微凸體是隨機(jī)分布的，只要結(jié)合面的面積確定，則實際接觸面積也就確定且不隨著滑塊位置的改變而改變。當(dāng)滑塊運動時，兩接觸表面上的微凸體形成新的接觸對，同時破壞舊的接觸對。在形成接觸對的過程中，兩微凸體接觸的面積是逐漸增大的，而當(dāng)破壞接觸對時，接觸面積是逐漸減小的，因此在形成接觸對和破壞接觸對同時進(jìn)行時，其接觸面積比原來相對減小，即運動的滑動結(jié)合面在單位時間內(nèi)實際接觸面積比靜止?fàn)顟B(tài)小。滑動速度越大，形成和破壞接觸對的過程越劇烈，其動剛度也越小。所以當(dāng)圖4中面壓較大，速度達(dá)到300mm／min以上時，結(jié)合面動剛度略有增大，這是由于結(jié)合面間出現(xiàn)動壓潤滑狀態(tài)，形成了潤滑油膜。

2.2 面壓對滑動結(jié)合面動剛度的影響

對機(jī)床而言，安裝在導(dǎo)軌上的運動部件重量各異，而且加工工件重量及切削力也會發(fā)生變化，因此滑動導(dǎo)軌結(jié)合面所受的外加載荷是不斷變化的，分析面壓對滑動結(jié)合面動態(tài)特性的影響具有重要意義。圖5所示為結(jié)合面動剛度隨面壓的變化規(guī)律曲線。

圖5 面壓對結(jié)合面動剛度的影響

從圖5可以看出，滑動結(jié)合面的動剛度隨著面壓的增大而增大，且當(dāng)面壓增大到60kPa以后，面壓的增大對動剛度的變化影響變小。另外，滑動速度越大，面壓對動剛度的影響越大，滑動速度為0和100mm／min時，動剛度變化在5%左右，而速度增大到300mm／min后，動剛度變化達(dá)到15%。

滑動結(jié)合面的實際接觸是兩個粗糙表面上微凸體的接觸，其實際接觸面積的大小取決于發(fā)生接觸微凸體的數(shù)目和接觸點的面積大小。當(dāng)面壓較小時，滑動結(jié)合面間的接觸僅僅發(fā)生在少數(shù)較高的微凸體頂端之間，此時相互接觸的微凸體數(shù)目較少，而且各接觸點的面積也較小，所以結(jié)合面的實際接觸面積較小，其抵抗法向變形的能力較弱，即結(jié)合面動剛度較小。隨著面壓的增大，發(fā)生接觸的微凸體數(shù)目增加，已接觸的微凸體也會進(jìn)一步變形，結(jié)合面的實際接觸面積增大，從而其抵抗變形的能力增強(qiáng)，即結(jié)合面的動剛度增大。當(dāng)面壓增大到一定值時，兩結(jié)合表面的微凸體已達(dá)到一定程度的形變，繼續(xù)增大面壓對微凸體的接觸狀態(tài)改變不大，故此時面壓的增大對結(jié)合面動剛度的影響較小，動剛度變化曲線也就如圖5所示趨于平緩。

2.3 潤滑介質(zhì)對滑動結(jié)合面動剛度的影響

滑動導(dǎo)軌工作過程中，滑塊相對導(dǎo)軌往復(fù)滑動，潤滑油是不可或缺的。潤滑油在導(dǎo)軌和滑塊之間形成油膜，把兩者隔開可大大減小摩擦力。另外，潤滑油還具有抗氧化、抗腐蝕、防銹及防爬性能。試驗中測試了不同黏度的導(dǎo)軌潤滑油對滑動結(jié)合面動剛度的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖6 潤滑油黏度對結(jié)合面動剛度的影響

由圖6可知，當(dāng)其他條件相同時，潤滑狀態(tài)下的結(jié)合面動剛度比干摩擦狀態(tài)下的動剛度大，可提高20%左右，而且在潤滑狀態(tài)下，滑動速度對動剛度的影響比干摩擦?xí)r小。當(dāng)速度由0增大到400mm／min時，干摩擦結(jié)合面的動剛度下降約70%，而潤滑狀態(tài)的結(jié)合面動剛度僅下降20%左右，這說明潤滑油能夠有效地維持結(jié)合面動剛度的穩(wěn)定。比較圖6中32號、68號、100號不同黏度潤滑油對結(jié)合面動剛度的影響，其變化規(guī)律基本一致，這說明潤滑油黏度對結(jié)合面動剛度的影響較小。

從潤滑機(jī)理分析，存在潤滑油的滑動結(jié)合面會形成兩種性質(zhì)不同的吸附膜：一種是物理吸附膜，即潤滑油中的極性分子在范德華力的作用下吸附到導(dǎo)軌表面，形成定向排列的分子層吸附膜；另一種是化學(xué)吸附膜，主要靠潤滑油中極性分子的有價電子與導(dǎo)軌表面的金屬電子發(fā)生交換而產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合力。從微觀上分析，滑動結(jié)合面的接觸表面并不是光滑的平面，凹凸不平的接觸面內(nèi)會儲存潤滑油，當(dāng)滑塊滑動且達(dá)到一定速度時，必然會產(chǎn)生微觀動壓潤滑現(xiàn)象。微觀動壓潤滑形成的油膜隔開了滑動導(dǎo)軌上下表面，避免了導(dǎo)軌與滑塊的直接接觸，物理吸附膜、化學(xué)吸附膜則提高了潤滑油膜的承載能力，從而增大了導(dǎo)軌結(jié)合面的動剛度。

2.4 貼塑對滑動結(jié)合面動剛度的影響

貼塑導(dǎo)軌是一種金屬對塑料摩擦接觸形式的導(dǎo)軌，一個滑動面貼有一層抗磨軟帶，通常是PTFE（聚四氟乙烯），另一個滑動面是金屬面。貼塑導(dǎo)軌具有良好的摩擦特性，可保證較高的重復(fù)定位精度，滿足微量進(jìn)給時無爬行的要求。與普通滑動導(dǎo)軌相比 ，它還具有壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便、吸振性好等優(yōu)點，因此越來越廣泛地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。圖7表明了貼塑結(jié)合面的動剛度與金屬結(jié)合面動剛度的變化規(guī)律。

圖7 貼塑對結(jié)合面動剛度的影響

從圖7可以看出，在滑動速度較小的情況下，貼塑結(jié)合面的動剛度比金屬結(jié)合面的動剛度要小得多，隨著滑動速度的增大，兩種結(jié)合面的動剛度都逐漸減小，但貼塑結(jié)合面的動剛度變化幅度要比金屬結(jié)合面動剛度變化幅度小。當(dāng)滑動速度由50mm／min變化到300mm／min時，金屬結(jié)合面動剛度減小了將近80%，而貼塑結(jié)合面動剛度僅減小了25%左右。當(dāng)滑動速度增大到400mm／min時，金屬結(jié)合面的動剛度繼續(xù)減小，而貼塑結(jié)合面的動剛度略有增大，這說明貼塑結(jié)合面在400mm／min的速度下已形成動壓潤滑狀態(tài)。

之所以出現(xiàn)上述情形，是因為貼塑導(dǎo)軌表面的PTFE軟帶受壓時，彈性變形較大，導(dǎo)致其動剛度比金屬結(jié)合面動剛度低，但PTFE軟帶能更容易地將承受的負(fù)荷均勻地分布于受壓表面，增大結(jié)合面的真實接觸面積。PTFE軟帶質(zhì)地較軟，能吸收金屬微粒，從而保護(hù)配對金屬表面，改善導(dǎo)軌因受力變形引起的局部過壓狀況，使導(dǎo)軌磨損均勻，結(jié)合面的動剛度變化也比較穩(wěn)定。此外，貼塑導(dǎo)軌結(jié)合面更容易形成動壓潤滑狀態(tài)，這對于高速工作下的滑動導(dǎo)軌動態(tài)性能的穩(wěn)定有很大幫助，因此貼塑導(dǎo)軌越來越廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中。

3 結(jié)論

（1）滑動速度的增大會降低滑動結(jié)合面的動剛度。當(dāng)面壓較大或結(jié)合面間存在潤滑油時，該變化趨勢比較平緩，而結(jié)合面處于低面壓或干摩擦狀態(tài)時，該變化則比較明顯。

（2）適當(dāng)增大面壓有助于提高滑動結(jié)合面的動剛度，但當(dāng)面壓增大到一定程度時，動剛度的變化便趨于穩(wěn)定。

（3）結(jié)合面間存在潤滑油可有效改善其動剛度的穩(wěn)定性，且滑動速度越大，潤滑油的改善效果越明顯。當(dāng)速度由0增大到400mm／min時，干摩擦狀態(tài)的結(jié)合面動剛度下降70%，而潤滑狀態(tài)的結(jié)合面動剛度僅下降20%左右。

（4）貼塑導(dǎo)軌結(jié)合面的動剛度比金屬副導(dǎo)軌結(jié)合面的動剛度小，但貼塑導(dǎo)軌具有更穩(wěn)定的動態(tài)特性，且更容易形成動壓潤滑狀態(tài)。當(dāng)滑動速度由50mm／min變化到300mm／min時，金屬結(jié)合面的動剛度比原來減小了將近80%，而貼塑結(jié)合面動剛度僅減小了25%左右。

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