超精密機床導軌研究

趙陽 王旭

[摘要]精密與超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)品的發(fā)展基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造科學的發(fā)展方向，同時也是發(fā)展尖端技術(shù)、國防工業(yè)及微電子工業(yè)等的基礎(chǔ)，并且目前已經(jīng)成為國際競爭的關(guān)鍵技術(shù)。而超精密機床在超精密加工技術(shù)的研究和發(fā)展中起到了決定性的作用。

[關(guān)鍵詞]超精密機床;導軌

1.常見導軌類型及特點比較

超精密機床加工精度主要靠主軸系統(tǒng)和導軌系統(tǒng)兩大系統(tǒng)來保障，其中導軌在超精密機床里具有承載和導向作用。目前幾種常見導軌及其優(yōu)、缺點與適用場合如下。

1.1滑動導軌

優(yōu)點：制造容易，結(jié)構(gòu)簡單，運動誤差規(guī)律明顯且易于修正;

缺點：容易出現(xiàn)低速爬行等現(xiàn)象，不能獲得高分辨率、定位精度;適用場合：低要求場合;

1.2滾動導軌

優(yōu)點：動摩擦系數(shù)小，運動靈活，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度高，磨損小，壽命長;缺點：導軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差;接觸應(yīng)力大，對導軌的表面硬度要求高，對導軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高;

適用場合：摩擦小、精度高場合

1.3液體靜壓導軌

優(yōu)點：承載能力大，精度高且持久阻尼大，動剛度好;即使在極低速時，也不會產(chǎn)生爬行;油膜具有誤差均化作用，吸振性良好，導軌運動平穩(wěn)，壽命高;缺點：液體粘度大，溫升大，易發(fā)熱，油泵振動傳遞較大;適用場合：中型、大型機床設(shè)備氣體靜壓導軌：優(yōu)點：摩擦小、移動速度高、高速發(fā)熱小、精度高，清潔性好;缺點：剛度低、承載能力低、輔助條件高;適用場合：應(yīng)用于中小型機床。

2.超精密加工機床導軌

2.1導軌功能

超精密加工是利用刀具與工件之間的一種精確相對運動來對工件進行切削的，此過程需要在超精密機床及設(shè)備上進行，目的便是使工件有很高的表面粗糙度及形狀精度。產(chǎn)生上述所說的刀具與工件之間的、具有嚴格約束限制的相對運動的主要部件為超精密機床的回轉(zhuǎn)運部件及直線部件，它們分別為機床的主軸和機床的導軌。其中，精密導軌的功能就是為機床其他部件提供位置及運動的基準，高的導軌精度既可以保障機床運動間的幾何關(guān)系，又可以保障溜板的運行精度。

2.2滾動導軌

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)控機床中廣泛使用的導軌有了更高的要求，既要有較高的精度，還要具有較好的剛度以保障其抵抗變形的能力。近年來，隨著滾動直線導軌的生產(chǎn)成本不斷降低、品質(zhì)卻不斷提升，它已經(jīng)在各種機床、自動化設(shè)備中得到了越來越廣泛的普及。在高剛度、重負荷的機床中，滾柱直線導軌在日本滾動導軌市場中占到了80%，歐洲占90%，其他地區(qū)約占50%。另一方面，機床的高效率化要求提高滾柱導軌的使用率。

傳統(tǒng)滾動導軌的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

圖2.1 傳統(tǒng)滾動直線導軌的結(jié)構(gòu)簡圖

它的結(jié)構(gòu)及各組成部件的功能見表2-1。傳統(tǒng)滾動導軌的滾道幾何精度必須很高，這樣才能保證導軌、溜板（滑塊）與滾動體三者之間的精確接觸。一般情況下，導軌和溜板的安裝面要有很高的形狀精度以使?jié)L動體順暢地在滾道里滾動。

上面這種滾動導軌有兩個明顯不足：

一是循環(huán)道的精度在加工中很難保證，這勢必會影響導軌的精度;

二是滾柱或滾珠在循環(huán)道滾動時通常會出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，這也會降低滾動體的運行平穩(wěn)性，從而降低導軌精度。

新型滾動直線導軌結(jié)構(gòu)截面示意圖如圖2.2所示。

新型結(jié)構(gòu)的滾動導軌，在滿足高精度的基礎(chǔ)上同時具有要求的高剛度。這種導軌的滾動體與導軌和溜板均采用平面接觸，大大改善了導軌與溜板的加工性;此外，導軌與上溜板、側(cè)溜板之間分別放入了高精度的滾柱，消除了循環(huán)道精度難保證的影響，提高了導軌系統(tǒng)的整體精度，具有較高的剛度。在有限的空間里顯現(xiàn)出很好的承載能力與剛性、良好的運行平穩(wěn)性、較低的噪聲、較高的工件加工精度與優(yōu)良的導軌可加工性、大大簡化的導軌結(jié)構(gòu)、大大降低的導軌成本等等，滿足了數(shù)控產(chǎn)業(yè)對滾動直線導軌各種功能的要求，此種導軌技術(shù)與生產(chǎn)的成熟性將為我國整個制造業(yè)的發(fā)展做出新的貢獻。

3.滾動直線導軌的研究方向及進展

對滾動直線導軌的具體研究方向及進展如下：

導軌剛度研究方面，對帶有滾珠的導軌進行了承載性能分析，研究了當工作臺在偏載荷作用下的各個滾珠承受載荷發(fā)生的具體改變，從而研究導軌的剛度改變;并且進一步地建立了滾柱處于不同的位置與所受外載的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，繼而提出了導軌的剛度會受到所受外載的影響，并將這些影響定量化、具體化。導軌壽命研究方面，經(jīng)過對滾動導軌的大量實驗總結(jié)出了一般的壽命通用計算公式，以及針對不同使用條件、不同材料及周圍環(huán)境的補充公式。導軌摩擦性能研究方面，對滾動體受到四個相等的力狀態(tài)下的滾珠導軌進行了研究，得到了計算這種滾動導軌差動摩擦力的數(shù)學模型。導軌振動研究方面，德國的學者對這方面做了大量的研究，他們在滾動導軌振動時總結(jié)出自己的模型。

結(jié)論

國內(nèi)外對滾柱導軌的研發(fā)制造、精度及剛性分析、壽命分析及動態(tài)性能方面都在投入大量的精力，滾柱導軌的研發(fā)與市場化也逐步走向成熟。由于我國在此方面仍然與先進國家存在一定的差距，更應(yīng)該加快對其研究的進度。

參考文獻

[1]王東峰.液體靜壓導軌及其設(shè)計研究[J].潤滑與密封，2004，4（117）

[2]李列.XK2125床身工作臺導軌副采用恒流供油式靜壓導軌的探討[J].機床與液壓，2006（10）：64～66.