滾動功能部件精度保持性現(xiàn)狀及其研究思路

張 云 陶衛(wèi)軍 馮虎田

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094)

近年來，國產(chǎn)機(jī)床在使用性能上得到了很大提高，國產(chǎn)機(jī)床數(shù)控化率也不斷提高［1］。但是，從機(jī)床產(chǎn)品總體技術(shù)水平來看，我國與國際先進(jìn)水平還有較大差距，特別在一些高性能、高精度的高端機(jī)床產(chǎn)品的整機(jī)精度保持性方面差距尤為明顯。高性能的數(shù)控機(jī)床離不開高性能的功能部件［2］，而在數(shù)控機(jī)床上普遍使用的滾動功能部件(主要包括滾珠絲杠和滾動直線導(dǎo)軌)的精度保持性問題一直沒有得到有效解決。由此，在需要高精度保持性的滾動功能部件高端產(chǎn)品在國內(nèi)市場上大部分由國外廠家或外資企業(yè)所占領(lǐng)，嚴(yán)重影響到我國高端數(shù)控裝備的自主研發(fā)與國產(chǎn)化。要解決滾動功能部件的精度保持性問題，必須從滾動功能部件精度衰退機(jī)理出發(fā)，通過基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)攻關(guān)和實驗驗證來對滾動功能部件的精度保持性問題進(jìn)行攻關(guān)研究，解決制約國產(chǎn)滾動功能部件產(chǎn)品性能的技術(shù)瓶頸問題，提高國產(chǎn)滾動功能部件產(chǎn)品的競爭力和高端產(chǎn)品的國產(chǎn)化率，進(jìn)一步促進(jìn)國產(chǎn)高端數(shù)控裝備的國產(chǎn)化和性能水平提高。

1 滾動功能部件精度保持性現(xiàn)狀

目前國內(nèi)滾動功能部件生產(chǎn)廠家已日益重視其產(chǎn)品的精度保持性問題，從材料特性、熱處理工藝和加工工藝等方面進(jìn)行了初步改進(jìn)和嘗試，取得了一定進(jìn)展，但仍未很好地解決其精度保持性問題。國內(nèi)滾動功能部件產(chǎn)品在精度保持性指標(biāo)上仍然大幅落后日本或歐美國家的高品質(zhì)滾動功能部件產(chǎn)品，所面對的首要瓶頸在于滾動功能部件的材料性能和熱處理工藝，同時缺乏滾動功能部件產(chǎn)品在使用過程中精度衰退機(jī)理相關(guān)的基礎(chǔ)理論和實驗平臺支撐。日本THK和NSK、德國INA、臺灣HIWIN公司等國內(nèi)外和地區(qū)企業(yè)在滾動功能部件精度保持性方面技術(shù)領(lǐng)先，多年來一直在滾珠絲杠副基礎(chǔ)理論研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新上持續(xù)投入大量人力和資金，在精密滾珠絲杠副精度保持性的提升上成果顯著，已開發(fā)了一些相關(guān)的試驗與檢測設(shè)備，但一般僅限于作為本企業(yè)內(nèi)部使用。以漢江機(jī)床有限公司、南京工藝裝備制造有限公司和濟(jì)寧博特精工技術(shù)有限公司等為首的國內(nèi)滾動功能部件生產(chǎn)企業(yè)近年來聯(lián)合一些高校開發(fā)了一些滾動功能部件產(chǎn)品實驗平臺，但尚未形成完整實驗平臺體系。

在滾動功能部件精度保持性研究方面，國內(nèi)外公開的研究論文和研究成果相對較少。由于精度保持性是摩擦磨損、接觸變形和表面點蝕這3種作用的綜合效果，研究滾動功能部件精度衰退機(jī)理必須從分析滾動體和滾道間的相互作用機(jī)制著手進(jìn)行研究。在此方面，Kamalzadeh［3］基于滾珠絲杠副剛體動力學(xué)模型對載荷作用下的彈性變形及其所引起的行程誤差進(jìn)行了分析與建模仿真;吳保群等［4］基于摩擦學(xué)理論建立了一種滾珠絲杠副摩擦系數(shù)-載荷、磨損率-載荷的簡化計算公式;Hung［5］和宋現(xiàn)春等［6］分別基于有限元分析法和Hertz接觸模型對滾珠與返向器之間的沖擊失效過程和表面點蝕進(jìn)行了分析與仿真;張佐營等［7］從絲杠和螺母滾道磨損情況對比實驗結(jié)果出發(fā)，基于潤滑情況和彈性接觸應(yīng)力的數(shù)學(xué)建模，分析了絲杠滾道更快磨損的原因;學(xué)者Brecher［8］和Verl［9］分別研究了潤滑條件對滾珠絲杠副磨損過程和摩擦力的影響關(guān)系和預(yù)緊力與滾珠絲杠副壽命間的影響關(guān)系;李小彭等［10］通過對滾動直線導(dǎo)軌副導(dǎo)軌滑塊的動態(tài)試驗驗證了所建立的直線滾動導(dǎo)軌副的動力學(xué)理論模型和有限元模型;馬建偉、王福吉等［11］對機(jī)床的滾柱直線導(dǎo)軌接觸變形區(qū)進(jìn)行了接觸變形與磨損分析，對其接觸面積和接觸區(qū)的變形建立了新的計算模型，為相關(guān)的滾動體設(shè)計和壽命評估提供了參考;漢江機(jī)床有限公司聯(lián)合南京理工大學(xué)基于滾柱直線導(dǎo)軌副精度保持性實驗研制開發(fā)了滾動直線導(dǎo)軌副模擬加載跑合實驗系統(tǒng)。

筆者所在團(tuán)隊近年來也從滾動功能部件的力學(xué)作用機(jī)制和磨損過程分析出發(fā)建立了滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌副的運動精度損失模型，并進(jìn)行了初步的仿真分析與驗證［12-13］，但還需要結(jié)合專用的滾動功能部件精度保持性實驗平臺進(jìn)行大量實驗來進(jìn)行驗證。

綜上所述，國內(nèi)在滾動功能部件精度保持性相關(guān)技術(shù)難點尚未攻克，還沒有建立完整準(zhǔn)確的精度失效基礎(chǔ)理論體系，仍需進(jìn)行深入研究。這方面急需解決的關(guān)鍵問題如下:(1)滾動功能部件中滾動體與滾道間的摩擦效應(yīng)與磨損機(jī)制等基礎(chǔ)理論研究缺乏，在產(chǎn)品精度保持性指標(biāo)方面缺乏準(zhǔn)確的理論指導(dǎo);(2)滾動功能部件材料與熱處理工藝的優(yōu)化問題一直沒有得到解決，國內(nèi)產(chǎn)品在材料耐磨性和抗變形上尚未取得突破性進(jìn)展;(3)在滾動功能部件精度保持性實驗平臺研發(fā)上嚴(yán)重滯后，缺乏系統(tǒng)化的實驗手段和方法來促進(jìn)國產(chǎn)滾動功能部件產(chǎn)品精度保持性的提高。

2 滾動功能部件精度保持性的研究思路

針對國產(chǎn)滾動功能部件精度保持性的關(guān)鍵問題，提出滾動功能部件精度保持性的研究思路如圖1所示。

首先，對滾動功能部件滾動體與滾道間的力學(xué)作用機(jī)制進(jìn)行分析。第1步，對滾動功能部件進(jìn)行力學(xué)模型分析，包括滾珠與絲杠、滾珠與螺母滾道的接觸點主曲率、赫茲點接觸參數(shù);第2步，將滾珠絲杠副力學(xué)模型簡化為若干個推力向心軸承，將有限長彈性滾柱相對滾道的接觸變形用Palmgren公式［14］進(jìn)行計算，最終得到滾動體與滾道間的彈性變形量。

其次，基于Archard磨損模型［15］來建立滾動功能部件精度衰退模型。在求出滾動體與滾道間的彈性變形量后，需要研究磨損(主要是粘著磨損)對精度損失的影響，建立精度衰退模型。由此，在對其在載荷作用和運行里程下進(jìn)行體積磨損量計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合接觸面積計算公式得到滾動體與滾道垂直接觸方向的磨損量，進(jìn)而求得在軸向上的精度損失量。綜合考慮上一階段的彈性變形量與本階段磨損引起的軸向精度損失量，建立滾動功能部件精度衰退模型。

進(jìn)一步研發(fā)滾動功能部件精度保持性實驗平臺與方法。建立滾動功能部件精度衰退模型后，需要開發(fā)實驗平臺和相應(yīng)的實驗方法來進(jìn)行大量的精度保持性實驗。可采用專用的滾動功能部件精度保持性實驗臺或者已有的滾珠絲杠副加載試驗系統(tǒng)和滾動直線導(dǎo)軌副模擬加載試驗系統(tǒng)并結(jié)合精度變化檢測手段進(jìn)行實驗，并研究不同載荷、跑合距離以及潤滑條件等因素影響的精度保持性變化情況。

最后，對滾動功能部件精度衰退模型進(jìn)行實驗驗證與分析。通過精度保持性實驗結(jié)果，驗證滾動功能部件精度衰退模型及其影響因素作用效果，進(jìn)一步完善滾動功能部件基礎(chǔ)理論，提出提高滾動功能部件精度保持性的有效措施和方法，促進(jìn)國產(chǎn)滾動功能部件性能提高和產(chǎn)品升級。

3 結(jié)語

滾動功能部件作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其精度保持性指標(biāo)直接影響數(shù)控機(jī)床的使用性能。本論文對滾動功能部件產(chǎn)品精度保持性問題及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研與分析，總結(jié)并分析了國產(chǎn)滾動功能部件精度保持性方面存在的關(guān)鍵問題，并在此基礎(chǔ)上提出了滾動功能部件精度保持性研究思路供借鑒思考。一旦國產(chǎn)滾動功能部件突破精度保持性方面的技術(shù)瓶頸，有望大幅縮小或者消除國產(chǎn)滾動功能部件在精度保持性方面與國外產(chǎn)品的差距，提高國產(chǎn)滾動功能部件在國內(nèi)高端市場的占有率，推動我國滾動功能部件整個行業(yè)的發(fā)展和提升。

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