高品質(zhì)精密重載滾柱導(dǎo)軌副的研制與應(yīng)用
2021-11-3 來(lái)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(dǎo)軌副榮獲中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)評(píng)選的“產(chǎn)品質(zhì)量十佳”稱(chēng)號(hào)，這是南京工藝第五次獲此殊榮，成為設(shè)立“產(chǎn)品質(zhì)量十佳”評(píng)選項(xiàng)目以來(lái)獲此稱(chēng)號(hào)最多的企業(yè)。
精密重載滾柱導(dǎo)軌副以“滾動(dòng)”為特征，具有高效省能、精密定位、反應(yīng)快速等功能，在高檔數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著重要的承載和精密定位功能，其性能和質(zhì)量的優(yōu)劣很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的精度和精度保持性，是數(shù)控機(jī)床的核心功能部件。國(guó)家從戰(zhàn)略層面對(duì)滾動(dòng)功能部件行業(yè)施行重大專(zhuān)項(xiàng)支持，南京工藝裝備制造有限公司通過(guò)有限元仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制精密重載滾柱導(dǎo)軌副，并通過(guò)設(shè)備投入、高效精密檢測(cè)技術(shù)研究、滾柱導(dǎo)軌副性能測(cè)試研究，展開(kāi)對(duì)精密重載滾柱導(dǎo)軌副運(yùn)行流暢性、振動(dòng)、噪音、精度保持性等技術(shù)研究，提高了精度、性能及批產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性，主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成功替代進(jìn)口并實(shí)現(xiàn)批量出口。
二、滾柱直線導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)及精度
1.滾柱直線導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)
滾柱重載導(dǎo)軌副是高精密的承載及傳動(dòng)部件，主要用于精密數(shù)控機(jī)床。其主要是由滑塊體、導(dǎo)軌、滾柱、返向器四部分組成（見(jiàn)圖1）。
圖1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)
2 .精密重載滾柱導(dǎo)軌副精度
公司生產(chǎn)的6米GZB65規(guī)格精密重載滾柱導(dǎo)軌副，經(jīng)過(guò)國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，尺寸、精度、性能指標(biāo)全部達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最高精度級(jí)1級(jí)精度要求。相關(guān)檢測(cè)報(bào)告如圖2所示。
圖2 1級(jí)高精度滾柱直線導(dǎo)軌副檢測(cè)報(bào)告
三、精密重載滾柱導(dǎo)軌副優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.導(dǎo)軌滑塊截形優(yōu)化設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為DB結(jié)構(gòu)與DF結(jié)構(gòu)，其中滾柱滾道接觸點(diǎn)垂直延長(zhǎng)線交點(diǎn)在導(dǎo)軌外側(cè)的結(jié)構(gòu)形式為DB結(jié)構(gòu)，滾柱與滾道接觸點(diǎn)垂直延長(zhǎng)線交點(diǎn)在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)形式為DF結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
圖3 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式
DB結(jié)構(gòu)形式，滾柱與滾道接觸點(diǎn)垂直延長(zhǎng)線交點(diǎn)在導(dǎo)軌外側(cè)；DF結(jié)構(gòu)形式，滾柱與滾道接觸點(diǎn)垂直延長(zhǎng)線交點(diǎn)在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)。當(dāng)導(dǎo)軌副承受導(dǎo)軌橫截面方向扭矩時(shí)，DB形式力臂更大，抗扭矩能力更強(qiáng)，同時(shí)DB結(jié)構(gòu)受力中心更低，承載能力更強(qiáng)。在設(shè)計(jì)時(shí)為了獲得最佳的性能，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌、滑塊在相同材料、網(wǎng)格劃分、受力、約束條件下進(jìn)行有限元分析。
（1）當(dāng)承受正壓力時(shí)導(dǎo)軌的應(yīng)變情況
從圖4的有限元分析云圖中可以看出，DB的應(yīng)變大小遠(yuǎn)小于DF的應(yīng)變，DB的應(yīng)變值僅為DF的0.000139÷0.000385=36.1%，所以導(dǎo)軌采用DB結(jié)構(gòu)比DF結(jié)構(gòu)在承受正壓力時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)。
圖4 正壓力時(shí)導(dǎo)軌有限元云圖
（2）當(dāng)承受側(cè)向力時(shí)導(dǎo)軌的應(yīng)變情況
從圖5的有限元分析的云圖中可以看出，DB的應(yīng)變大小同樣小于DF的應(yīng)變，DB的應(yīng)變值為DF的0.00168÷0.000176=95.5%，所以導(dǎo)軌采用DB結(jié)構(gòu)比DF結(jié)構(gòu)在承受側(cè)向力時(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)。
圖5 側(cè)向力時(shí)導(dǎo)軌有限元云圖
圖6 滑塊有限元云圖
（3）滑塊的應(yīng)變情況
為確定因載荷而引起的滾柱滑塊的變形程度，對(duì)滑塊進(jìn)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(jié)構(gòu)的應(yīng)變遠(yuǎn)小于DF的應(yīng)變，DB的應(yīng)變值為DF的0.000813÷0.00194=41.9%，所以采用DB結(jié)構(gòu)比DF結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)。
圖6 滑塊有限元云圖
通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌副使用概率最高的正向受力和側(cè)向受力進(jìn)行的有限元分析，對(duì)比DB結(jié)構(gòu)和DF結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，DB結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌、滑塊應(yīng)變均小于DF結(jié)構(gòu)，因此DB結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于DF結(jié)構(gòu)，確定設(shè)計(jì)選用DB結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌滑塊截型。
2．滾子接觸特性研究
滾柱導(dǎo)軌副的關(guān)鍵承載體為滾子，滾子在導(dǎo)軌滾道和滑塊滾道之間接觸最頻繁，磨損相對(duì)較快，為提高滾柱導(dǎo)軌副的使用壽命，研究滾子接觸特性具有重要意義。
通過(guò)對(duì)滾子直母線、全凸母線、磨弧度母線、修正線分別進(jìn)行輕載、中載、偏載接觸應(yīng)力分析，從中選取最佳的母線以獲得最低應(yīng)力，從而減少滾子運(yùn)行時(shí)磨損。對(duì)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(dāng)采用修正線母線時(shí)可以獲得最小應(yīng)力。
表1 滾動(dòng)體有限元云圖
對(duì)于修形曲線而言，由于弧坡部分與直母線圓滑過(guò)渡，其應(yīng)力集中得到有效改善，滾子的使用壽命延長(zhǎng)了很多。研究結(jié)果表示，變曲率形狀的滾子由于應(yīng)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(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)過(guò)程中，均選用了壽命較高的修正滾子。
3．導(dǎo)軌副動(dòng)態(tài)仿真研究
為提升導(dǎo)軌副運(yùn)行的平穩(wěn)性和流暢性，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)對(duì)導(dǎo)軌副優(yōu)化前后的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并將滾柱對(duì)返向器的沖擊力進(jìn)行對(duì)比（如圖7所示）。
圖7 滾柱對(duì)返向器的沖擊力對(duì)比
通過(guò)模擬驗(yàn)證對(duì)比，證明優(yōu)化后的精密重載滾柱導(dǎo)軌副沖擊力遠(yuǎn)小于優(yōu)化前產(chǎn)品。
四、精密重載滾柱導(dǎo)軌副制造技術(shù)研究
1.關(guān)鍵設(shè)備投入
滾柱導(dǎo)軌副導(dǎo)軌滾道、滑塊滾道與基面的平行度均為微米級(jí)精度，為了保證精度要求，公司引進(jìn)了4米、6米日本岡本導(dǎo)軌磨床，德國(guó)BLOHM滑塊磨床（見(jiàn)圖8），機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸均為全閉環(huán)控制，定位精度、重復(fù)定位精度及砂輪的進(jìn)給均為微米級(jí)，高精度導(dǎo)軌磨床、滑塊磨床為精密重載滾柱導(dǎo)軌副高品質(zhì)提供保障。
圖8 高精度導(dǎo)軌磨床和滑塊磨床
2.高效精密檢測(cè)技術(shù)研究
（1）導(dǎo)軌滾道高效精密檢測(cè)研究
導(dǎo)軌滾道因精度要求高，對(duì)測(cè)量條件要求高，測(cè)量難度大。公司添置了導(dǎo)軌滾道高效專(zhuān)用量?jī)x（見(jiàn)圖9），可同時(shí)測(cè)量導(dǎo)軌兩側(cè)滾道中心距、兩側(cè)滾道高度尺寸和兩側(cè)滾道高度尺寸一致性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效測(cè)量。測(cè)量?jī)x操作便，檢測(cè)效率高,測(cè)量穩(wěn)定性好，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)高精度檢測(cè)。
圖9 滾柱導(dǎo)軌滾道測(cè)量?jī)x
（2）滑塊滾道高效精密檢測(cè)研究
滑塊滾道精度直接影響到導(dǎo)軌副的精度和性能，包含幾何尺寸精度和位置精度多項(xiàng)指標(biāo)，傳統(tǒng)手工檢測(cè)方式繁復(fù)，耗時(shí)多，對(duì)操作要求高，難以支撐互換性生產(chǎn)。公司通過(guò)球型測(cè)量頭、高精度彈性體機(jī)構(gòu)、測(cè)量傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等建成滑塊滾道精度高效量?jī)x（見(jiàn)圖10），對(duì)滑塊滾道中心距、平行度、高度、至基準(zhǔn)面的距離等尺寸精度同時(shí)進(jìn)行快速、精確檢測(cè)；測(cè)量高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確，具備測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析SPC功能，為控制批量生產(chǎn)時(shí)關(guān)鍵零件滾道尺寸的精度一致性提供有力支持，提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)精度的穩(wěn)定性。
圖10 滾柱滑塊滾道測(cè)量?jī)x
五、滾柱導(dǎo)軌副性能測(cè)試研究
南京工藝裝備制造有限公司在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)滾動(dòng)支持下，完成了滾珠絲杠副/滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品靜剛度、性能、可靠性、壽命、精度保持性試驗(yàn)儀全性能試驗(yàn)儀的研制，建成了滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品全性能實(shí)驗(yàn)室（見(jiàn)11），形成了相應(yīng)試驗(yàn)規(guī)范，產(chǎn)品試驗(yàn)測(cè)試水平得以全面提升。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副噪聲對(duì)比圖如圖12所示。通過(guò)多輪的產(chǎn)品性能測(cè)試、產(chǎn)品改進(jìn)，滾柱導(dǎo)軌副產(chǎn)品性能得到大幅提升。
圖11 滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品全性能實(shí)驗(yàn)室
圖12 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副噪聲對(duì)比圖
六、滾柱導(dǎo)軌副應(yīng)用情況
南京工藝裝備制造有限公司制造的高品質(zhì)重載滾柱導(dǎo)軌副，已經(jīng)形成批量生產(chǎn)，并大批量提供給客戶(hù)使用。為四川普什寧江機(jī)床THM6380精密臥式加工中心提供配套，定位精度達(dá)到0.0015mm，重復(fù)定位精度達(dá)到0.0009mm，成為04國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)10大標(biāo)志性課題之一；為青海一機(jī)精密臥式加工中心、沈陽(yáng)機(jī)床精密臥式鏜銑床、濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)XHV2720×80定梁龍門(mén)移動(dòng)式五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心、齊重?cái)?shù)控高精度雙柱數(shù)控立式車(chē)削中心、大連科德數(shù)控股份有限公司五軸立式加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床提供批量配套，同時(shí)為北京阿奇夏米爾工業(yè)電子有限公司高精度線切割機(jī)床及自動(dòng)線、為斗山機(jī)床斜床身數(shù)控以及加工中心、為DMG波蘭工廠等國(guó)外品牌滾動(dòng)批量訂貨，產(chǎn)品精度及性能均滿足要求，使用情況良好，不但實(shí)現(xiàn)了為國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床配套的突破，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了批量出口，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年4月 新能源汽車(chē)銷(xiāo)量情況
- 2025年4月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 軸承出口情況
- 2025年4月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年1月 新能源汽車(chē)銷(xiāo)量情況
- 2024年12月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過(guò)程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷(xiāo)，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車(chē)床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車(chē)床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別