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高品質精密（mì）重載滾柱導軌副的（de）研製與應用

2021-11-3 來源：南京工藝裝備製造有限公（gōng）司作（zuò）者：-

一、概述

2020年初，南京工藝裝備製造有限公司GZB35精密重載滾柱導軌副榮獲中國（guó）機床工具工業協會評選的“產品質量十佳”稱號，這是南京（jīng）工藝第五次獲此殊榮，成為設立“產品質量十佳（jiā）”評選項目以來獲此稱號最（zuì）多的企業。

精密重載（zǎi）滾柱導軌副以“滾動”為特征，具（jù）有高效省能、精密定位、反應快速等功（gōng）能，在高檔數控機床伺服進給驅動係統中擔負著重要的承載和精密定位功能，其性能和質（zhì）量的優劣很大程度上決定了數控機（jī）床的精度和精度保持性，是（shì）數控機床（chuáng）的（de）核心功能部（bù）件。國家從戰略層麵對（duì）滾動功能部件行業施行重（chóng）大專項支持，南京（jīng）工藝裝備製造有限公司通過有限元仿（fǎng）真、運動學仿真優化設計，研製精（jīng）密重載滾柱導軌（guǐ）副，並通過設備投入、高效（xiào）精密檢測技術研究、滾柱導軌副性能測試研究，展開對精（jīng）密重載滾柱導軌副運行流暢性、振（zhèn）動、噪音、精度保持性等技術研究，提高了精度、性能及批產質量穩（wěn）定性，主要技術指標已達到國際先進水平，成功替（tì）代進口並實（shí）現批量出口。

二、滾柱直線導軌副結構及精度

1.滾柱直線導軌副結構

滾柱重載導軌副是高精密的承載及傳動部件，主要用於精密（mì）數控機床。其主要是由滑（huá）塊體、導（dǎo）軌、滾（gǔn）柱、返向器四部分組成（見圖1）。

圖1 關鍵結構

2 .精密重載滾柱導軌（guǐ）副精度（dù）

公司（sī）生產的6米（mǐ）GZB65規格（gé）精密重載滾柱（zhù）導軌（guǐ）副，經過國（guó）家機床質量監督檢驗中心檢測，尺寸、精度、性能指標全部達到行（háng）業標準最高精度級1級精度要求（qiú）。相關檢測報告如圖2所示。

圖2 1級高精度滾柱直線導軌副檢測報告

三、精密（mì）重載滾（gǔn）柱導軌副優化設計

1.導軌滑塊截（jié）形優（yōu）化設計

導軌結（jié）構可以設計為DB結構與（yǔ）DF結構，其中滾柱滾（gǔn）道接觸點垂直延長線交點（diǎn）在（zài）導軌外側的結構形式為DB結（jié）構，滾（gǔn）柱與滾道接觸（chù）點垂直延長線交點在導軌內側的結構形式為DF結構，如圖（tú）3所示。

圖3 導軌結構（gòu）形式

DB結構形式，滾柱與（yǔ）滾道接觸點垂直延（yán）長線交（jiāo）點在導軌外側；DF結（jié）構形式，滾柱與滾道接觸點垂直延長線交（jiāo）點（diǎn）在導軌內側。當導軌副承受導軌橫截麵（miàn）方向扭矩時，DB形式力臂更大，抗扭矩能力更強，同時DB結構受（shòu）力中心更低（dī），承載能力更強。在設計時（shí）為了獲得最（zuì）佳的性能，對兩種結構導軌（guǐ）、滑塊在相同材料、網格（gé）劃分、受力、約束條件下進行（háng）有限元分析。

（1）當承（chéng）受正壓力時導軌的應變情況

從圖4的有限元分析雲圖（tú）中可以看出，DB的（de）應變大小遠小於DF的應變，DB的應變值僅為DF的0.000139÷0.000385=36.1%，所以導軌采用DB結構（gòu）比DF結（jié）構在承受正壓力時有明顯優勢。

圖4 正壓力時導軌有限元（yuán）雲圖

（2）當承受側向力時導軌（guǐ）的應變情況

從圖5的有（yǒu）限（xiàn）元分析的雲圖（tú）中可以看出，DB的應變大小同樣小於DF的（de）應變（biàn），DB的應變值為DF的0.00168÷0.000176=95.5%，所以導軌采用DB結構比DF結構在承受側向力時有一定（dìng）的優勢。

圖5 側向力時導軌有限元雲圖

圖6 滑塊有限元雲（yún）圖

（3）滑塊的應變情況

為（wéi）確定因載（zǎi）荷而引起的滾柱滑（huá）塊的變形程度，對滑塊進行（háng）有限（xiàn）元（yuán）分（fèn）析。從圖6的（de）有限元分析的雲圖中可以看出，DB結構的應（yīng）變遠（yuǎn）小（xiǎo）於DF的應變（biàn），DB的應（yīng）變值為DF的0.000813÷0.00194=41.9%，所以采用DB結構比DF結構更有優勢。

圖6 滑塊有限元雲圖

通過（guò）對導軌副使用概率最（zuì）高的正向受力和側向受力進（jìn）行的有限元分析，對比DB結構和（hé）DF結構的優劣，DB結（jié）構導軌、滑塊應變均小於DF結構，因此DB結構穩定性優於DF結構，確定設計選用DB結構導軌滑塊（kuài）截型。

2．滾子（zǐ）接觸特性研究

滾柱導軌副的關鍵承載體為滾子，滾子在（zài）導軌滾道和滑塊滾道之間接觸（chù）最頻繁（fán），磨損相對較快，為提高滾柱導軌副的使（shǐ）用壽命，研（yán）究滾子接觸特（tè）性具（jù）有重要意義。

通過對滾（gǔn）子直母線、全（quán）凸母線、磨弧度（dù）母線、修正線分別進行輕載、中載、偏載接觸應力（lì）分析，從中選取最佳（jiā）的母線以獲得最（zuì）低（dī）應力，從而減少滾子運行時磨損。對滾子母線有限（xiàn）元分析如表1所示，從有限元分析雲圖中可以看出，當采用修（xiū）正線（xiàn）母線時可以（yǐ）獲（huò）得最（zuì）小應力。

表1 滾動體有限元雲圖

對於修形曲線而言，由於弧坡部分與直母線圓滑過渡，其應力集中得到有效改善，滾（gǔn）子的使用壽命（mìng）延長了很多。研究（jiū）結果表示，變曲（qǔ）率形（xíng）狀的滾子由於應力分布更趨均勻，其使用壽命可提高2～3倍,我司在（zài）滾柱重載導軌副的設計過程中，均選用了壽命較（jiào）高的修正滾子。

3．導（dǎo）軌副動態仿真研究

為提（tí）升導軌副運行的平穩性和流暢性，通過運動仿真技術對導軌副優化前後的運行狀態進（jìn）行動態仿真，並將滾柱對返向器（qì）的衝擊力進行對比（如圖7所示）。

圖7 滾柱對返向器的衝擊力對比

通過模擬驗證（zhèng）對比，證明優化後的精（jīng）密重載滾柱導軌副衝（chōng）擊力遠小於（yú）優化（huà）前產品。

四、精密重載滾柱導軌副（fù）製造技術研究

1.關鍵設備投入

滾（gǔn）柱導軌副導軌滾道、滑塊滾道與基（jī）麵的平行度（dù）均為微米級精度，為了保證精度要求，公司引（yǐn）進了4米、6米日本岡本導軌磨床，德國BLOHM滑塊磨床（見圖8），機床運動軸均為全（quán）閉環（huán）控製，定位精（jīng）度、重複定位精度及砂輪的進給均（jun1）為微（wēi）米級，高精度導軌磨床、滑塊磨床（chuáng）為精密重（chóng）載滾柱導軌副高品質提供保障。

圖（tú）8 高精度導軌磨床和滑（huá）塊磨床

2.高效精密檢測（cè）技術研究

（1）導軌滾道高效精密檢測（cè）研究

導軌（guǐ）滾道因精度要求高，對（duì）測量條件要（yào）求高，測（cè）量難度大。公司（sī）添置了導軌（guǐ）滾道高效專用量儀（見圖9），可（kě）同時測量導軌兩側滾道中心距、兩側滾道高度尺寸和兩側滾道高度尺寸一致性，實現準（zhǔn）確高效測量。測量儀操作便，檢測效率高,測（cè）量穩定性好，適應於大批量生產高精度（dù）檢測。

圖9 滾柱導（dǎo）軌滾道測量（liàng）儀

（2）滑塊滾道高效（xiào）精密檢測（cè）研（yán）究

滑（huá）塊滾（gǔn）道精度（dù）直接影響到導軌副的精度和性能，包含幾何尺寸精度和位置精度多項指標，傳統手（shǒu）工檢測方式繁複，耗時多，對操作要求高，難以支撐互換性生產（chǎn）。公司通過球型測量頭、高（gāo）精度彈性體機（jī）構、測量傳感器（qì）、工業計算機、測量數據處理係統（tǒng）等（děng）建成滑塊滾道精度（dù）高效（xiào）量（liàng）儀（見（jiàn）圖10），對滑塊滾道中心距、平行度、高度、至基準（zhǔn）麵的距（jù）離等尺寸精度（dù）同時進行快速、精確檢測（cè）；測量高效、穩定（dìng）、準確，具備測量數（shù）據存（cún）儲和實時統計分析SPC功能，為控製批量生產時關鍵零件滾道尺寸的精度一致性提供有力（lì）支持，提高了檢測效率和檢測精度的穩定性。

圖10 滾（gǔn）柱（zhù）滑塊滾道測量儀

五、滾柱導軌副性能測試研究

南京（jīng）工藝裝（zhuāng）備製造有限公司在國（guó）家科技重大專項滾動支持下，完成了滾珠絲杠（gàng）副（fù）/滾動直線導軌副產品靜剛度（dù）、性能、可靠性、壽命、精度保持性試驗儀全性能試驗儀的研製，建（jiàn）成了（le）滾動功能部件產品（pǐn）全性能（néng）實驗（yàn）室（見11），形成了相應試驗規範，產品試（shì）驗（yàn）測（cè）試水平得以全麵提升。滾動直線導軌副噪聲對比圖如（rú）圖12所示。通過多（duō）輪的產品性能測（cè）試、產品改進，滾柱導軌副產品性能得（dé）到大幅提升。

圖11 滾動功能部件產品全性能實驗室

圖12 滾動直線導軌副噪聲對比圖

六、滾柱導軌副應（yīng）用情況

南京工藝裝備製造有限公司製造的高品質（zhì）重載滾柱導軌副，已經形成批量生產（chǎn），並（bìng）大批量提供（gòng）給客戶使用（yòng）。為（wéi）四川普什寧江機床THM6380精密（mì）臥式加工（gōng）中心提供配套，定位精度達到0.0015mm，重複定位精度達到（dào）0.0009mm，成為04國家科技重大專項10大標誌性課題之一（yī）；為青海一機精密臥式加工中心、沈陽機床精密臥式鏜銑床、濟南二機床集團XHV2720×80定梁龍門移動式五軸聯動高速加工中心、齊重數控高精度（dù）雙柱數控立式車削中心（xīn）、大連科德數控股份有限公司五軸立式加工中心（xīn）等高檔數控機床提供批量配套，同時為北京阿奇夏（xià）米爾工業電子（zǐ）有（yǒu）限公司高精（jīng）度線切割機床及自動線、為鬥山機床斜床身數控以及加工中心（xīn）、為DMG波蘭工廠（chǎng）等國外品牌滾動批量訂貨，產品精度及性能均（jun1）滿足要求，使用情況良好（hǎo），不但實現了（le）為國產高檔（dàng）數控機床配套的突破，同時實現了批量出口，取得良好的（de）經濟效益與社會效益。

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