滾動直線導軌副摩擦磨損機理及特性研究

林敏

(南京工藝裝備制造有限公司，江蘇南京 210004)

機床結構的動力學特性，在很大程度上取決于結合部的特性。導軌結合部是機床整機系統中最重要的結合部之一，由于具有滑動特性，對整機特性影響較大，研究導軌結合部的一些特性對提高機床的整體性能有著極其重要的意義。

任何機件在接觸狀態下相對運動(滑動、滾動或滑動和滾動)時都會產生摩擦。物體相對運動時，相對運動表面的物質不斷損失或產生殘余變形稱為磨損。磨損主要分粘著磨損、磨料磨損、接觸疲勞磨損、腐蝕磨損等。世界能源的1/3 1/2是以不同形式消耗在摩擦上，磨損又是機械設備和工模具失效的主要原因之一。磨損的后果是嚴重的，無論經濟上、效率上和安全上都十分不利。它將縮短設備和油品的使用壽命，降低設備和油品的工作性能，影響設備準確、安全的運行，甚至發生事故。因此剖析其機理、減緩甚至避免設備的摩擦磨損、探求提高耐磨性的途徑，對節約能源、延長工件壽命十分重要。

1 磨損的形式分析

通過對導軌的一些動態特性，如摩擦磨損、接觸剛度、動剛度等等進行詳細的和系統化的研究，包括理論和試驗方面，去得到一個較好的導軌副動態特性，提升導軌副的動靜剛度特性、提升抗摩擦磨損能力，從而達到提升導軌副的整體品質，提升國產導軌副在國際市場的競爭力。

磨擦磨損是個十分復雜的過程，過程中形變與相變、粘合和分離、強化與弱化、加熱和冷卻等多種現象交叉或同時發生。它是由力學的、物理的、化學的多個作用產生的結果。機械效應、熱效應、化學效應等綜合作用的過程，是個動態的系統過程。一些簡單的摩擦理論只能解釋局部個別現象，不能深入揭示摩擦的本質。

磨料磨損是各種磨損中最主要的一種磨損形式。在磨料磨損過程中，進人元件運動副間隙內的顆粒嵌人材質較軟的零件表面，猶如切削刀具，將相對運動的另一零件表面材料切削下來。那些等于或略大于間隙尺寸的顆粒的危害性最大。

沖蝕磨損是由于顆粒沖擊元件表面或棱邊，因沖擊動量造成表面材料剝落而產生的磨損。

粘著磨損一般是在超載負荷、低速運轉或流體粘度降低時產生的。在這些情況下，因油膜厚度降低而發生金屬對金屬的直接接觸。這樣金屬表面的凸點會彼此發生“冷焊”而粘在一起，當相對移動時，這些冷焊點被剪下而產生金屬顆粒。

疲勞磨損最易發生在導軌副接觸表面。在顆粒的反復作用下，最初接觸表面產生凹陷和微裂紋。這時即使不計顆粒對接觸表面其他的損傷，受載荷的循環應力反復作用，這些微裂紋也會擴展，最終導致導軌接觸表面失效。

腐蝕磨損是由于水和其他化學品的存在而產生的磨損。在設備系統中，由于熱交換器泄漏、密封失效、潮濕空氣冷凝、油箱頂蓋配制不當、溫度降低析出溶解水等都會引起設備元件的腐蝕。結果使腐蝕生成物或進人間隙堵住元件，或產生新的磨料性顆粒，進一步惡性循環。

2 磨損的機理分析

如圖1所示，是一個摩擦試驗的試驗裝置示意圖，用壓板將導軌固定在工作臺上，使其與工作臺縱向平行。一夾具與導軌滑塊聯接，另一夾具與工作臺主軸聯接，力傳感器置于兩個夾具之間。當工作臺以一定的速度帶動導軌勻速運動時，滑塊、力傳感器、夾具和銑床主軸保持不動;或者將導軌固定在工作臺上，采用其他的辦法使得滑塊移動而導軌固定不動。則傳感器所檢測的信號即為摩擦力的動態信號。此信號經過電荷放大器、低通濾波器及A/D板作模數轉換，由計算機進行數據采集，再利用動態信號分析軟件進行分析。讓工作臺以不同的速度帶動導軌運動，觀測摩擦力的波動情況，從而分析引起波動的原因。再通過改變其中的一些參數，如載荷、預緊力、潤滑方式等等，去進行一些系統的試驗，再具體地分析影響導軌副摩擦磨損的各個影響因素及其影響的大小。

圖1 試驗裝置示意圖

對導軌副磨損的研究需要在試驗結束后去借助一些設備觀察和測量接觸表面的磨損情況。經過一系列的試驗研究，發現影響導軌副摩擦磨損特性的因素主要有以下幾個方面:

1)導軌和滾動體的材料

不同的材料有著不同的特性:表面硬度比較高的材料應該具有較好的抗耐磨性能，但并不是越高的表面硬度值或者材料剛度對導軌越好，通過反復試驗及統計分析在耐磨性和運動特性方面可尋找一個合理的值來綜合導軌副的耐磨性、接觸剛度和運動特性。

2)適應度

不同的適應度會帶來不一樣的接觸形式，在不同的接觸形式下，導軌副結合面的受力特性、變形、應力集中都不一樣(圖2)，所帶來的是摩擦磨損形式不一樣，從而影響導軌的抗磨損特性，但是和材料的選擇一樣。通過試驗綜合考慮了適應度對接觸剛度、運動特性、摩擦磨損的影響，可選擇一個比較合理的適應度。

圖2 滾動體受力特性模型

3)滾動體的形狀

不同的滾動體形狀所帶來的受力情況、應力集中等都會有所差別，如采用圓弧過渡的滾柱和圓柱形狀的滾柱，受力面積、應力集中都有差別，摩擦特性也會有所差別。可以通過仿真模擬和試驗，綜合考慮各方面的因素，選擇一個比較合理的滾動體形狀。

4)結合面的表面品質

不同的表面粗糙度值、表面應力殘余情況、表面缺陷情況都會對摩擦磨損特性有影響。當然能控制的或許只有表面粗糙度值，表面殘余應力和表面缺陷與加工過程中一些不確定的因素有很大的關系，難以控制，當然可以通過改良加工方式獲得較好的表面殘余應力，但是表面殘余應力也不是越小越好，它也起到一定的類似預緊力的作用。表面殘余應力過大過小、表面有缺陷，在潤滑油的不斷滲入和運動過程中的疲勞損傷都會造成表面產生裂紋，從而不利于耐磨性，當然材料的內部缺陷也會帶來類似的情況。

表面粗糙度值是一個比較直觀的量，容易去控制，并不是表面粗糙度越小越好，太小，不利于表面的儲油潤滑，容易產生粘結摩擦，而且過高的表面粗糙度會給加工帶來很大的麻煩，增加了成本;但是表面粗糙度值過大后磨損更嚴重，因此通過試驗比較分析可以選擇一個比較有利于導軌副摩擦磨損特性的表面粗糙度值。

5)潤滑和密封情況

不同的潤滑方式和潤滑質量下，摩擦磨損特性都不一樣，比如采用不同的潤滑油、潤滑脂，是否采用自潤滑等;密封性能不好會導致一些雜質滲入到導軌副中去，從而對摩擦帶來一定的影響。不同的密封方式、導軌安裝孔的形狀、是否有沉孔蓋、密封件和導軌的配合尺寸等都會對密封性能有所影響，從而間接的影響導軌副的摩擦磨損特性。

3 結語

滾動直線導軌副作為精密的直線導向部件，經過長時間運行后，會產生相應磨損，影響直線導軌副的運行精度。本文通過對磨損機理及特性的研究，分析了影響滾動直線導軌副摩擦磨損的幾個因素，為提高具有特定精度和壽命要求的滾動直線導軌副產品，提供了有意義的參考。

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