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高品质精密重载滚柱导轨副的研制与应用
Nov 3, 2021  来源:南京工艺装备制造有限公司  作者:-

       一、概述
  
      2020年初,南京工艺装备制造有限公司GZB35精密重载滚柱导轨副荣获中国机床工具工业协会评选的“产品质量十佳”称号,这是南京工艺第五次获此殊荣,成为设立“产品质量十佳”评选项目以来获此称号最多的企业。
  
      精密重载滚柱导轨副以“滚动”为特征,具有高效省能、精密定位、反应快速等功能,在高档数控机床伺服进给驱动系统中担负着重要的承载和精密定位功能,其性能和质量的优劣很大程度上决定了数控机床的精度和精度保持性,是数控机床的核心功能部件。国家从战略层面对滚动功能部件行业施行重大专项支持,南京工艺装备制造有限公司通过有限元仿真、运动学仿真优化设计,研制精密重载滚柱导轨副,并通过设备投入、高效精密检测技术研究、滚柱导轨副性能测试研究,展开对精密重载滚柱导轨副运行流畅性、振动、噪音、精度保持性等技术研究,提高了精度、性能及批产质量稳定性,主要技术指标已达到国际先进水平,成功替代进口并实现批量出口。
  
      二、滚柱直线导轨副结构及精度
  
      1.滚柱直线导轨副结构
  
      滚柱重载导轨副是高精密的承载及传动部件,主要用于精密数控机床。其主要是由滑块体、导轨、滚柱、返向器四部分组成(见图1)。
  
  

图1 关键结构
  
      2 .精密重载滚柱导轨副精度
  
      公司生产的6米GZB65规格精密重载滚柱导轨副,经过国家机床质量监督检验中心检测,尺寸、精度、性能指标全部达到行业标准最高精度级1级精度要求。相关检测报告如图2所示。
  
 
  
 
图2 1级高精度滚柱直线导轨副检测报告
  
       三、精密重载滚柱导轨副优化设计
  
      1.导轨滑块截形优化设计
  
      导轨结构可以设计为DB结构与DF结构,其中滚柱滚道接触点垂直延长线交点在导轨外侧的结构形式为DB结构,滚柱与滚道接触点垂直延长线交点在导轨内侧的结构形式为DF结构,如图3所示。
  
 
 
图3 导轨结构形式
  
      DB结构形式,滚柱与滚道接触点垂直延长线交点在导轨外侧;DF结构形式,滚柱与滚道接触点垂直延长线交点在导轨内侧。当导轨副承受导轨横截面方向扭矩时,DB形式力臂更大,抗扭矩能力更强,同时DB结构受力中心更低,承载能力更强。在设计时为了获得最佳的性能,对两种结构导轨、滑块在相同材料、网格划分、受力、约束条件下进行有限元分析。
  
      (1)当承受正压力时导轨的应变情况
  
      从图4的有限元分析云图中可以看出,DB的应变大小远小于DF的应变,DB的应变值仅为DF的0.000139÷0.000385=36.1%,所以导轨采用DB结构比DF结构在承受正压力时有明显优势。
  
 
 
图4 正压力时导轨有限元云图
 
  
      (2)当承受侧向力时导轨的应变情况
  
      从图5的有限元分析的云图中可以看出,DB的应变大小同样小于DF的应变,DB的应变值为DF的0.00168÷0.000176=95.5%,所以导轨采用DB结构比DF结构在承受侧向力时有一定的优势。
  
  

图5 侧向力时导轨有限元云图
 
  

图6 滑块有限元云图
  
      (3)滑块的应变情况
 
      为确定因载荷而引起的滚柱滑块的变形程度,对滑块进行有限元分析。从图6的有限元分析的云图中可以看出,DB结构的应变远小于DF的应变,DB的应变值为DF的0.000813÷0.00194=41.9%,所以采用DB结构比DF结构更有优势。
  
   
图6 滑块有限元云图
 
      通过对导轨副使用概率最高的正向受力和侧向受力进行的有限元分析,对比DB结构和DF结构的优劣,DB结构导轨、滑块应变均小于DF结构,因此DB结构稳定性优于DF结构,确定设计选用DB结构导轨滑块截型。
  
      2.滚子接触特性研究
  
      滚柱导轨副的关键承载体为滚子,滚子在导轨滚道和滑块滚道之间接触最频繁,磨损相对较快,为提高滚柱导轨副的使用寿命,研究滚子接触特性具有重要意义。
  
      通过对滚子直母线、全凸母线、磨弧度母线、修正线分别进行轻载、中载、偏载接触应力分析,从中选取最佳的母线以获得最低应力,从而减少滚子运行时磨损。对滚子母线有限元分析如表1所示,从有限元分析云图中可以看出,当采用修正线母线时可以获得最小应力。
  
表1 滚动体有限元云图
 
  
  
      对于修形曲线而言,由于弧坡部分与直母线圆滑过渡,其应力集中得到有效改善,滚子的使用寿命延长了很多。研究结果表示,变曲率形状的滚子由于应力分布更趋均匀,其使用寿命可提高2~3倍,我司在滚柱重载导轨副的设计过程中,均选用了寿命较高的修正滚子。
  
      3.导轨副动态仿真研究
  
      为提升导轨副运行的平稳性和流畅性,通过运动仿真技术对导轨副优化前后的运行状态进行动态仿真,并将滚柱对返向器的冲击力进行对比(如图7所示)。
  
  

 图7 滚柱对返向器的冲击力对比
  
      通过模拟验证对比,证明优化后的精密重载滚柱导轨副冲击力远小于优化前产品。
  
      四、精密重载滚柱导轨副制造技术研究
  
      1.关键设备投入
  
      滚柱导轨副导轨滚道、滑块滚道与基面的平行度均为微米级精度,为了保证精度要求,公司引进了4米、6米日本冈本导轨磨床,德国BLOHM滑块磨床(见图8),机床运动轴均为全闭环控制,定位精度、重复定位精度及砂轮的进给均为微米级,高精度导轨磨床、滑块磨床为精密重载滚柱导轨副高品质提供保障。
  
 
  
  
图8 高精度导轨磨床和滑块磨床

      2.高效精密检测技术研究
  
      (1)导轨滚道高效精密检测研究
 
      导轨滚道因精度要求高,对测量条件要求高,测量难度大。公司添置了导轨滚道高效专用量仪(见图9),可同时测量导轨两侧滚道中心距、两侧滚道高度尺寸和两侧滚道高度尺寸一致性,实现准确高效测量。测量仪操作便,检测效率高,测量稳定性好,适应于大批量生产高精度检测。
 
  

图9 滚柱导轨滚道测量仪

      (2)滑块滚道高效精密检测研究
  
      滑块滚道精度直接影响到导轨副的精度和性能,包含几何尺寸精度和位置精度多项指标,传统手工检测方式繁复,耗时多,对操作要求高,难以支撑互换性生产。公司通过球型测量头、高精度弹性体机构、测量传感器、工业计算机、测量数据处理系统等建成滑块滚道精度高效量仪(见图10),对滑块滚道中心距、平行度、高度、至基准面的距离等尺寸精度同时进行快速、精确检测;测量高效、稳定、准确,具备测量数据存储和实时统计分析SPC功能,为控制批量生产时关键零件滚道尺寸的精度一致性提供有力支持,提高了检测效率和检测精度的稳定性。
 
 
  

图10 滚柱滑块滚道测量仪
  
      五、滚柱导轨副性能测试研究
  
      南京工艺装备制造有限公司在国家科技重大专项滚动支持下,完成了滚珠丝杠副/滚动直线导轨副产品静刚度、性能、可靠性、寿命、精度保持性试验仪全性能试验仪的研制,建成了滚动功能部件产品全性能实验室(见11),形成了相应试验规范,产品试验测试水平得以全面提升。滚动直线导轨副噪声对比图如图12所示。通过多轮的产品性能测试、产品改进,滚柱导轨副产品性能得到大幅提升。
  

图11 滚动功能部件产品全性能实验室
  
  
   
图12 滚动直线导轨副噪声对比图
  
      六、滚柱导轨副应用情况
  
      南京工艺装备制造有限公司制造的高品质重载滚柱导轨副,已经形成批量生产,并大批量提供给客户使用。为四川普什宁江机床THM6380精密卧式加工中心提供配套,定位精度达到0.0015mm,重复定位精度达到0.0009mm,成为04国家科技重大专项10大标志性课题之一;为青海一机精密卧式加工中心、沈阳机床精密卧式镗铣床、济南二机床集团XHV2720×80定梁龙门移动式五轴联动高速加工中心、齐重数控高精度双柱数控立式车削中心、大连科德数控股份有限公司五轴立式加工中心等高档数控机床提供批量配套,同时为北京阿奇夏米尔工业电子有限公司高精度线切割机床及自动线、为斗山机床斜床身数控以及加工中心、为DMG波兰工厂等国外品牌滚动批量订货,产品精度及性能均满足要求,使用情况良好,不但实现了为国产高档数控机床配套的突破,同时实现了批量出口,取得良好的经济效益与社会效益。

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