滾滑復合導軌在大型機床中的應用

王 維

(宜昌長機科技有限責任公司，湖北 宜昌 443003)

風力發電行業迅猛發展，需要大量內齒齒圈，且模數大、齒寬寬，采用傳統插齒加工工藝已經無法滿足整個行業的需求，市場上迫切需求一種效率更高，加工范圍更大，操作使用更為方便的機床。針對這一市場需求我公司專門開發了一款新型齒輪加工機床YK83350數控高速銑齒機，機床結構示意圖如圖1 所示。

機床由床身、立柱、工作臺、銑刀架等主要部件組成。該機床采用成型硬質合金銑刀加工大型齒圈，效率是傳統滾切法的10 倍，屬于大切削量、大走刀速度的切削方式。為增強機床的切削剛性，機床采用了雙層壁蜂窩筋結構設計，立柱設計重量達到了12 t、刀架溜板部分重量6 t、刀架配重鐵4 t、為保證總重超過20 t 的立柱在床身上移動自如，機床床身導軌設計采用了滾滑復合導軌，在實際應用中取得了不錯的效果。

1 直線滾動導軌分析

隨著數控機床和精密加工技術的發展，對機床導向系統的要求越來越高，它是決定機床加工精度、工作效率和使用壽命的重要因素。許多設備都選用國內外專業工藝裝備廠生產的機床功能部件——直線滾動導軌作為導向支承。由于直線滾動導軌使用淬硬的導軌和預緊(無間隙)的滾珠或滾柱滑塊作為接觸副，所以具有摩擦系數小、承載能力大、剛性好、使用壽命長的特點，可達到很高的進給速度和定位精度。直線滾動導軌的滑動摩擦系數f=0.003～0.004，而傳統的貼塑導軌f=0.04，鑄鐵導軌f=0.12，可見直線滾動導軌的摩擦阻力僅為傳統導軌的1/10～1/30。對直線滾動導軌而言，很小的進給力就能推動立柱前后移動，其低摩擦系數特性非常適用于銑齒機的立柱進給系統，可以有效避免機床進給系統產生爬行現象，提高機床進給系統的定位精度。但采用直線滾動導軌的機床極易產生振動，大型數控銑齒機采用的刀具是鑲片成型銑刀，屬于斷續切削，切削過程中使機床床身受到很大的沖擊，直線滾動導軌副阻尼極低，抗振性能很差，這周期性的沖擊極易使機床產生振動而導致加工表面產生形狀誤差和波紋，而對閉環伺服控制系統還可能導致系統的不穩定。

2 滾滑復合導軌結構設計

為了克服直線導軌抗振性差的缺點，我們本次機床設計過程中采用了滾滑復合導軌，即滾動導軌與貼塑導軌并用的辦法。如圖2 所示。

在床身導軌8 的中間設置一條輔助導軌5，通過調整調節螺釘1，壓縮彈簧3 加大作用在滾動軸承壓在輔助導軌5 上的力F'，從而使作用在床身導軌8 上的壓力減小為F-F'。摩擦系數不變，壓力變小，床身導軌8 的摩擦阻力減小。輔助導軌5 上由于是滾動體，摩擦阻力幾乎可以忽略，從而使運動部件能靈活移動。

3 卸荷系數的確定

卸荷量的大小用卸荷系數a 表示。

式中:F'為卸荷裝置承受的載荷，F 為滑動導軌和卸荷裝置所受的總載荷。a 如取得太小，則卸荷裝置起的作用太小，支撐導軌面壓力仍然很大，摩擦阻力仍較大，對低速運動平穩性的提高不大，對導軌耐磨性提高也不大。如a 取得太大，卸荷裝置承受的載荷太大時又會使運動部件產生漂浮現象。因此卸荷系數應根據對機床的不同要求選取，對于大型機械或重型機床，減輕導軌載荷是主要目的，應取大值(a≈0.7)，對于高精度機床或儀器，應優先考慮導向精度和運動靈敏性，可取較小值(a≤0.5)。

4 實驗結果對比

為驗證該卸荷機構對機床進給系統精度的影響，我們在不同的卸荷系數的情況下，分別對機床進給系統的定位精度和重復定位精度進行了檢測，如表1 和表2。

表1 測量評定項目目標值

表2 實測項目數據

從表2 實驗結果可以看出，當機床卸荷滾輪不起作用的時候，第一組檢測數據反應出機床定位精度出現嚴重的超差現象，定位精度達到0.08 mm，超過機床允許值0.055 mm;當機床卸荷系數為0.3 時，重新檢測立柱定位精度可以發現測得的定位精度值明顯減小，減小至0.042 mm;當機床卸荷參數達到0.5 時，再次檢測機床定位精度和重復定位精度，測得數據為定位精度0.018 mm，重復定位精度0.012 mm，均已達到設計要求;當機床卸荷參數達到0.7 時，測得定位精度0.015 mm 和重復定位精度0.008 mm，定位精度進一步提高了，說明將滾滑復合導軌應用在大型機床進給系統的設計是取得了一定的效果。

有些高精度數控機床和機械裝置，其導軌副處在伺服控制系統的位置閉環內，不僅要求導軌副有高靈敏度，還要有適當的粘性阻尼特性，以防止在制動過程中產生振蕩而不穩定。這種新型滾滑復合導軌綜合了滾動和塑料導軌的優點，它承載能力大、靈敏度和定位精度高并有適當的粘性阻尼特性。這種超靜定的結構設計不僅承載力大、移動靈敏而且有較高的剛度。

5 結語

經過一段時間的切削實驗，該機床性能良好，達到了預期的效果，尤其針對高強度，高精度切削加工上表現較為明顯。實踐表明滾滑復合導軌的使用不但提高了機床的加工精度，同時提高了機床的抗振性。

［1］夏寶林.卸荷裝置在數控機床中的應用［J］.機械工人，2005(8).

［2］張成興.直線滾動導軌在機床上使用應重視的幾個方面［J］.機械工程師，1999(3).