高品質精密重載滾柱導軌副的研制與應用
2021-11-3 來源：南京工藝裝備制造有限公司 作者：-
一、概述
2020年初，南京工藝裝備制造有限公司GZB35精密重載滾柱導軌副榮獲中國機床工具工業協會評選的“產品質量十佳”稱號，這是南京工藝第五次獲此殊榮，成為設立“產品質量十佳”評選項目以來獲此稱號最多的企業。
精密重載滾柱導軌副以“滾動”為特征，具有高效省能、精密定位、反應快速等功能，在高檔數控機床伺服進給驅動系統中擔負著重要的承載和精密定位功能，其性能和質量的優劣很大程度上決定了數控機床的精度和精度保持性，是數控機床的核心功能部件。國家從戰略層面對滾動功能部件行業施行重大專項支持，南京工藝裝備制造有限公司通過有限元仿真、運動學仿真優化設計，研制精密重載滾柱導軌副，并通過設備投入、高效精密檢測技術研究、滾柱導軌副性能測試研究，展開對精密重載滾柱導軌副運行流暢性、振動、噪音、精度保持性等技術研究，提高了精度、性能及批產質量穩定性，主要技術指標已達到國際先進水平，成功替代進口并實現批量出口。
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，主要用于精密數控機床。其主要是由滑塊體、導軌、滾柱、返向器四部分組成（見圖1）。
圖1 關鍵結構
2 .精密重載滾柱導軌副精度
公司生產的6米GZB65規格精密重載滾柱導軌副，經過國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業標準最高精度級1級精度要求。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、精密重載滾柱導軌副優化設計
1.導軌滑塊截形優化設計
導軌結構可以設計為DB結構與DF結構，其中滾柱滾道接觸點垂直延長線交點在導軌外側的結構形式為DB結構，滾柱與滾道接觸點垂直延長線交點在導軌內側的結構形式為DF結構，如圖3所示。
圖3 導軌結構形式
DB結構形式，滾柱與滾道接觸點垂直延長線交點在導軌外側；DF結構形式，滾柱與滾道接觸點垂直延長線交點在導軌內側。當導軌副承受導軌橫截面方向扭矩時，DB形式力臂更大，抗扭矩能力更強，同時DB結構受力中心更低，承載能力更強。在設計時為了獲得最佳的性能，對兩種結構導軌、滑塊在相同材料、網格劃分、受力、約束條件下進行有限元分析。
（1）當承受正壓力時導軌的應變情況
從圖4的有限元分析云圖中可以看出，DB的應變大小遠小于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結構比DF結構在承受正壓力時有明顯優勢。
圖4 正壓力時導軌有限元云圖
（2）當承受側向力時導軌的應變情況
從圖5的有限元分析的云圖中可以看出，DB的應變大小同樣小于DF的應變，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的優勢。
圖5 側向力時導軌有限元云圖
圖6 滑塊有限元云圖
（3）滑塊的應變情況
為確定因載荷而引起的滾柱滑塊的變形程度，對滑塊進行有限元分析。從圖6的有限元分析的云圖中可以看出，DB結構的應變遠小于DF的應變，DB的應變值為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 滑塊有限元云圖
通過對導軌副使用概率最高的正向受力和側向受力進行的有限元分析，對比DB結構和DF結構的優劣，DB結構導軌、滑塊應變均小于DF結構，因此DB結構穩定性優于DF結構，確定設計選用DB結構導軌滑塊截型。
2．滾子接觸特性研究
滾柱導軌副的關鍵承載體為滾子，滾子在導軌滾道和滑塊滾道之間接觸最頻繁，磨損相對較快，為提高滾柱導軌副的使用壽命，研究滾子接觸特性具有重要意義。
通過對滾子直母線、全凸母線、磨弧度母線、修正線分別進行輕載、中載、偏載接觸應力分析，從中選取最佳的母線以獲得最低應力，從而減少滾子運行時磨損。對滾子母線有限元分析如表1所示，從有限元分析云圖中可以看出，當采用修正線母線時可以獲得最小應力。
表1 滾動體有限元云圖
對于修形曲線而言，由于弧坡部分與直母線圓滑過渡，其應力集中得到有效改善，滾子的使用壽命延長了很多。研究結果表示，變曲率形狀的滾子由于應力分布更趨均勻，其使用壽命可提高2～3倍,我司在滾柱重載導軌副的設計過程中，均選用了壽命較高的修正滾子。
3．導軌副動態仿真研究
為提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后的運行狀態進行動態仿真，并將滾柱對返向器的沖擊力進行對比（如圖7所示）。
圖7 滾柱對返向器的沖擊力對比
通過模擬驗證對比，證明優化后的精密重載滾柱導軌副沖擊力遠小于優化前產品。
四、精密重載滾柱導軌副制造技術研究
1.關鍵設備投入
滾柱導軌副導軌滾道、滑塊滾道與基面的平行度均為微米級精度，為了保證精度要求，公司引進了4米、6米日本岡本導軌磨床，德國BLOHM滑塊磨床（見圖8），機床運動軸均為全閉環控制，定位精度、重復定位精度及砂輪的進給均為微米級，高精度導軌磨床、滑塊磨床為精密重載滾柱導軌副高品質提供保障。
圖8 高精度導軌磨床和滑塊磨床
2.高效精密檢測技術研究
（1）導軌滾道高效精密檢測研究
導軌滾道因精度要求高，對測量條件要求高，測量難度大。公司添置了導軌滾道高效專用量儀（見圖9），可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，實現準確高效測量。測量儀操作便，檢測效率高,測量穩定性好，適應于大批量生產高精度檢測。
圖9 滾柱導軌滾道測量儀
（2）滑塊滾道高效精密檢測研究
滑塊滾道精度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，傳統手工檢測方式繁復，耗時多，對操作要求高，難以支撐互換性生產。公司通過球型測量頭、高精度彈性體機構、測量傳感器、工業計算機、測量數據處理系統等建成滑塊滾道精度高效量儀（見圖10），對滑塊滾道中心距、平行度、高度、至基準面的距離等尺寸精度同時進行快速、精確檢測；測量高效、穩定、準確，具備測量數據存儲和實時統計分析SPC功能，為控制批量生產時關鍵零件滾道尺寸的精度一致性提供有力支持，提高了檢測效率和檢測精度的穩定性。
圖10 滾柱滑塊滾道測量儀
五、滾柱導軌副性能測試研究
南京工藝裝備制造有限公司在國家科技重大專項滾動支持下，完成了滾珠絲杠副/滾動直線導軌副產品靜剛度、性能、可靠性、壽命、精度保持性試驗儀全性能試驗儀的研制，建成了滾動功能部件產品全性能實驗室（見11），形成了相應試驗規范，產品試驗測試水平得以全面提升。滾動直線導軌副噪聲對比圖如圖12所示。通過多輪的產品性能測試、產品改進，滾柱導軌副產品性能得到大幅提升。
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、滾柱導軌副應用情況
南京工藝裝備制造有限公司制造的高品質重載滾柱導軌副，已經形成批量生產，并大批量提供給客戶使用。為四川普什寧江機床THM6380精密臥式加工中心提供配套，定位精度達到0.0015mm，重復定位精度達到0.0009mm，成為04國家科技重大專項10大標志性課題之一；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、齊重數控高精度雙柱數控立式車削中心、大連科德數控股份有限公司五軸立式加工中心等高檔數控機床提供批量配套，同時為北京阿奇夏米爾工業電子有限公司高精度線切割機床及自動線、為斗山機床斜床身數控以及加工中心、為DMG波蘭工廠等國外品牌滾動批量訂貨，產品精度及性能均滿足要求，使用情況良好，不但實現了為國產高檔數控機床配套的突破，同時實現了批量出口，取得良好的經濟效益與社會效益。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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