低預緊滾動直線導軌副互換性工藝研究

韓軍君　戴林波

【摘 要】提出一種針對低預緊滾動直線導軌副實現導軌和滑塊組件互換性裝配的工藝方法及相應工藝參數，首先計算出鋼球直徑變化對應的導軌或滑塊開檔尺寸的理論變化值，同時結合實際經濟的機床加工精度，根據微預緊的預緊力允許偏差情況，得出導軌滾道成形磨工藝中導軌的開檔尺寸精度，然后在一定可選鋼球直徑規值范圍內，計算并定出滑塊滾道成形磨工藝中滑塊的開檔尺寸精度要求，將按照上述工藝參數加工的滑塊與基準導軌按要求預緊力裝配成滑塊組件，再將滑塊組件裝到實際生產導軌上，即可實現滾動直線導軌副任意滑塊組件與任意導軌在低預緊力場合的互換性裝配。

【關鍵詞】滾動直線導軌副；互換性；工藝

中圖分類號： TG659 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.010

0 前言

隨著自動化技術的不斷發展，滾動直線導軌副由于其高速度、高精度、大載荷等特性，越來越多的應用于各種機電一體化產品，目前國內外各廠家的直線導軌副安裝尺寸基本都是按照相同的標準加工，所以滾動直線導軌副做為一個整體，各個廠家之間的產品都是可以互換使用的，相當于是標準件了。而各個廠家直線導軌副的主要零件——導軌與滑塊組件之間由于細微結構或者尺寸精度的不一致，基本都是不能相互換的，本文所要研究的是同個廠家同一規格直線導軌副的任意導軌與任意滑塊組件之間的互換性，目前國外知名直線導軌廠家如Rexroth、THK以及國內個別廠家可以實現低預緊情況下的任意導軌滑塊組件的互換使用，另外有些廠家通過放大間隙量，實現的互換性使用，不在本文研究范圍之內，因為放大間隙量雖然有利于互換使用，但是對于直線導軌的精度、可靠性以及壽命都會產生不利的影響。

理論研究方面，楊艷國等[1]對直線導軌副的互換性影響因素進行了一些理論分析，如滾輪、機床等。唐兵仿等[2]分析了要實現互換性對材料、設備、檢驗以及裝配的要求，并經驗性的提出了零件的精度要求。實際生產中，由于直線導軌副是通過鋼球直徑換大過盈以實現不同的預緊力，一般幾個微米的變化，就會使預緊力由輕預緊變成重預緊，所以要在規定預緊力下實現任意導軌和滑塊組件的互換性，就要求導軌和滑塊的開檔尺寸都至少保持在0.004mm內，而實際上由于機床的熱穩定性、機床返向間隙、滑塊多件加工的擺放位置不同、測量誤差等，都會導致尺寸超差，一天之中精度波動明顯。本文通過理論分析，并結合實際經濟的機床加工精度以及經濟庫存的可選鋼球規值范圍，提出了以滑塊組件形式，通過與基準導軌安裝，實現導軌和滑塊組件互換的工藝方法，并得出了導軌開檔尺寸公差要求和滑塊開檔尺寸公差要求這些具體的加工工藝參數，即可以讓加工精度更加經濟，又可以實現實際任意的導軌和滑塊組件互換使用。

1 導軌滑塊開檔尺寸與鋼球直徑關系

所謂導軌、滑塊的互換性，就是指任意導軌、滑塊互換后其預緊力等級仍舊不變或者說預緊力變化在規定的公差值以內，變松或者變緊到跨預緊力等級就不能算是互換，一般預緊力越高對尺寸的變化越敏感，重預緊的時候，鋼球直徑上一檔或者下一檔直徑預緊力等級就不一樣，即導軌和滑塊的開檔尺寸誤差綜合不能超過0.002mm（一般鋼球直徑以0.002mm一檔分類包裝和銷售），目前來講實際生產中很難實現，所以本文研究的是低預緊滾動直線導軌副的互換性。

由于直線導軌副預緊力的變化就是鋼球與導軌滑塊尺寸過盈量的變化，所以要研究預緊力的變化規律，必須要知道導軌、滑塊滾道開檔尺寸（如圖1）變化對應鋼球直徑變化的理論數值。

圖1 導軌滑塊開檔尺寸

圖2 鋼球與導軌滑塊理論接觸狀態

理論上，以30規格為例，假設當鋼球尺寸剛好為φ5.556mm，導軌滑塊滾道開檔尺寸公差剛好為0，此時鋼球與導軌、滑塊滾道是剛好45度接觸，鋼球與導軌、滑塊理論上既無間隙也無過盈，如上圖2所示。

實際生產中，導軌、滑塊開檔尺寸肯定會存在誤差，這里通過三維軟件做圖法模擬當導軌或滑塊開檔尺寸發生變化時，為保證鋼球和導軌滑塊同樣無間隙且無過盈（即保證預緊力不變化），鋼球直徑的相應理論變化數值，如下圖3所示。

圖3 三維模擬圖

最終得出導軌或滑塊滾道開檔尺寸變化對應鋼球直徑的變化關系，如下圖4：

圖4 鋼球直徑對應導軌或滑塊開檔變化關系

2 確定工藝方法及導軌精度參數

由于預緊力越大對導軌滑塊以及鋼球直徑尺寸的變化越敏感，對于微預緊等級的直線導軌副，由經驗或試驗均可知，鋼球直徑最多只能變化一檔（即0.002mm），才能保證預緊力等級不變，由上述圖4可知，鋼球直徑變化0.002mm，對應到導軌或滑塊滾道單邊開檔尺寸變化為0.00286mm，得出總的滾道開檔尺寸誤差為0.0057 mm，即導軌和滑塊滾道的開檔尺寸綜合誤差不能超過0.0057mm，如果單獨分別控制導軌和滑塊的精度，仍然有不小的難度。

考慮到實際使用中互換性的應用，只要把帶著鋼球的滑塊組件與不同的導軌互裝，預緊力都保持一致即可視為達到互換性，故采取以下方式：

（1）首先測量挑選出基準導軌（滾道開檔尺寸在±0.001以內）；

（2）根據基準導軌安裝滑塊組件，組成微預緊等級的導軌副；

（3）再將滑塊組件安裝到按一定精度制造的導軌上組成按訂單生產的產品。

按照上述裝配工藝方法，唯一影響預緊力變化的是實際使用的導軌和基準導軌滾道開檔尺寸之間的誤差。由上述可知要實現微預緊的互換性，開檔尺寸誤差不能超過0.0057mm，即實際加工的導軌與基準導軌誤差不能超過0.0057mm，故可確定導軌開檔尺寸的加工精度要求為±0.0047 mm，結合機床加工精度，四舍五入，這里導軌滾道開檔尺寸公差取值±0.005mm。

同時，為確保導軌滾道開檔尺寸加工精度，需進一步統一導軌測量面位置、滾輪以及測量用的千分尺的校準塊，因為如果有些導軌開檔尺寸是按照上方的兩側面測量的，有些是按照下方的兩側面測量的，這樣會由于導軌垂直度的誤差，導致使用不同測量位置的導軌開檔尺寸有至少2～3μm的誤差，如下圖5所示：

圖5

另外國產滾輪的一致性并沒有像進口滾輪那么好，同種規格的不同滾輪也會存在2～3μm的誤差，還有千分尺的校準塊，經實際檢查，不同千分尺的校準塊也會有2～3μm的誤差，所以只有同時管控好上述因素，才能更好的保證實際生產的導軌開檔尺寸精度在±0.005mm。

3 確定滑塊精度參數

滑塊開檔尺寸精度的確定，主要結合鋼球直徑不同范圍（一般鋼球直徑以0.002mm一檔分類）備貨的經濟性以及滑塊磨機床的加工精度的經濟性。因為滑塊只要和鋼球組成滑塊組件裝到標準導軌上保證在微預緊力范圍內即可，如果鋼球可換的直徑范圍太多，會導致庫存太大，如果鋼球可換的直徑范圍太少，就需要滑塊的開檔尺寸精度更高，而實際滑塊的加工由于是幾件一起加工，存在因擺放位置不同的誤差，而且滑塊開檔為內凹槽間距，不方便在線測量，所以其開檔尺寸精度要比導軌更難控制。所以綜合考慮，確定采購鋼球的直徑范圍為-6μm～+6μm。

按照上述裝配工藝方法，滑塊安裝鋼球始終是使用基準導軌，不同滑塊的開檔尺寸誤差，需要選配不同直徑的鋼球來保證預緊力，由于鋼球直徑的范圍為-6μm～+6μm，即鋼球直徑變化0.012mm，根據圖4關系來反推，鋼球直徑變化0.012mm對應到滑塊單邊開檔尺寸變化為0.017mm，得出滑塊總的開檔尺寸誤差為0.034mm，即±0.017mm，綜合考慮導軌的開檔尺寸精度誤差以及機床的加工精度，這里滑塊開檔尺寸精度取值±0.015mm，比較符合目前本公司生產實際。各廠家可根據自身滑塊滾道開檔尺寸的加工精度確定合適的鋼球直徑備貨范圍。

4 結論

通過理論計算并采用基準導軌裝配滑塊組件的方式，確定了具體的導軌滑塊加工精度，在相對經濟的加工精度以及合理的鋼球直徑備貨條件下，實現了應用最廣泛的微預緊等級的滾動直線導軌副任意導軌和任意滑塊組件的互換使用，極大方便了產品的批量生產以及售后服務。

【參考文獻】

[1]楊艷國，王愛榮.滾動直線導軌互換性技術研究[J].金屬加工，2010（20）：43-44.

[2]唐兵仿，孫健利.精密滾動直線導軌副互換性的實現方法[J].制造技術與機床，2004（6）：82-83.