滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)性能主要包括運(yùn)動(dòng)精度、摩擦力、振動(dòng)及噪聲等。運(yùn)動(dòng)精度作為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副一項(xiàng)重要的機(jī)械性能指標(biāo), 它的高低很大程度上影響著導(dǎo)軌的定位精度和使用壽命。導(dǎo)軌副在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中, 鋼球在返向器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜, 其運(yùn)動(dòng)精度受零件的制造精度、安裝精度、預(yù)緊力及振動(dòng)等諸多因素的影響。目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副驗(yàn)收技術(shù)條件的精度檢驗(yàn)項(xiàng)目主要包括兩個(gè)項(xiàng)目, 即滑塊移動(dòng)對(duì)導(dǎo)軌底面基準(zhǔn)的平行度及滑塊移動(dòng)對(duì)導(dǎo)軌側(cè)面基準(zhǔn)的平行度。作為精密的傳動(dòng)部件, 摩擦力是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的另一項(xiàng)重要性能指標(biāo), 摩擦力也引起導(dǎo)軌副的發(fā)熱, 直接影響導(dǎo)軌副的使用壽命。摩擦力作為系統(tǒng)快速響應(yīng)的阻礙和能量消耗的主要途徑, 對(duì)摩擦力進(jìn)行研究對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度及控制精度具有重要意義。隨著靜音技術(shù)的發(fā)展, 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副振動(dòng)與噪聲對(duì)環(huán)境的污染問題逐漸成為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副研究中極為重要的課題之一。振動(dòng)不僅對(duì)噪聲有很大的影響, 同時(shí)對(duì)生產(chǎn)主機(jī)的性能質(zhì)量以及滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副自身的壽命也有重要影響。因此, 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的摩擦力、振動(dòng)與噪聲, 現(xiàn)已成為了綜合考評(píng)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副好壞的重要指標(biāo)。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦性能研究方面, 日本的渡辺一雄等對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦力的來源及摩擦力波動(dòng)的原因進(jìn)行分析, 他認(rèn)為引起摩擦力波動(dòng)的主要原因是滾道的表面粗糙度以及波紋度。此外當(dāng)滾動(dòng)體通過滾道的返向器時(shí), 滾珠經(jīng)歷從非承載區(qū)到承載區(qū)(或反之) 的過程, 摩擦力也會(huì)發(fā)生較大的變化, 最大摩擦力出現(xiàn)在滾珠運(yùn)動(dòng)到非載荷區(qū)的時(shí)候。Fujita等基于直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)干擾力表征方法, 研究了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的摩擦特性對(duì)全局定位及微定位的影響。D. N. Olaru 等人為計(jì)算滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副中滾珠與滾道間的全部摩擦力以及整體摩擦因數(shù), 建立了一種全新的計(jì)算模型, 并通過試驗(yàn)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦力進(jìn)行研究時(shí), 我國(guó)孫健利等人對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌接觸區(qū)內(nèi)的滾動(dòng)摩擦力和差動(dòng)摩擦力進(jìn)行分析, 以差動(dòng)摩擦力最小為準(zhǔn)則討論了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在一定外加載荷下的優(yōu)化預(yù)過盈量, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了預(yù)緊力與過盈量的關(guān)系, 認(rèn)為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的過盈量的增加使接觸區(qū)的彈性力和差動(dòng)滑動(dòng)增大, 因此摩擦力也隨著過盈量的增加而增大。張朝輝等人運(yùn)用Hertz 接觸理論分析了差動(dòng)滑動(dòng)和彈性滯后等因素對(duì)摩擦力的影響, 得出了摩擦力與過盈量之間的關(guān)系, 為通過測(cè)定摩擦力來確定過盈量提供了理論依據(jù)。高永坤以Hertz 接觸理論為基礎(chǔ), 分析承載區(qū)滾珠與滾道的接觸狀態(tài), 確定了預(yù)緊力與過盈量之間的理論關(guān)系。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副振動(dòng)與噪聲研究方面, 日本的Hiroyuki Ohta 等人在考慮了滾道曲率中心變化的情況下, 建立導(dǎo)軌副垂直剛度計(jì)算模型, 對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行分析, 并采集滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí), 滑塊上不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)和不同測(cè)量距離時(shí)的噪聲信號(hào)。周傳宏等人對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副振動(dòng)特性進(jìn)行了初步研究。劉建素等運(yùn)用隨機(jī)振動(dòng)理論分析了導(dǎo)軌副的誤差均化作用。何康等將波導(dǎo)吸振的方法用于導(dǎo)軌副的減振和消除噪聲的研究, 將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲輻射能量引導(dǎo)到吸振器中, 達(dá)到減振降噪的目的。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副接觸力學(xué)研究方面, P. Pawelko 介紹了滾動(dòng)導(dǎo)軌力學(xué)模型的基本建立方法, 討論了對(duì)建模方法不同程度的簡(jiǎn)化以及數(shù)值結(jié)果的選擇方法。A. Dadalau 應(yīng)用面向構(gòu)件的有限元法, 從理論上分析了導(dǎo)軌副的剛度和內(nèi)部的接觸力以及二者之間的關(guān)系, 使用試驗(yàn)手段對(duì)導(dǎo)軌副的動(dòng)態(tài)響應(yīng)從理論進(jìn)行了計(jì)算, 并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。Jyh-cheng chang研究了預(yù)加載荷變化的情況下, 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌系統(tǒng)中滾珠與滾道間接觸剛度的變化。Ohta等建立了一種考慮導(dǎo)軌副彈性變形的垂直剛度半解析計(jì)算模型, 基于以上彈性變形, 計(jì)算了導(dǎo)軌副的垂直剛度, 并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副動(dòng)力學(xué)研究方面, JamesShih-Shyn Wu 等人基于赫茲理論和模態(tài)測(cè)試,在彎曲不平衡載荷的作用下, 建立了滾珠接觸問題動(dòng)力學(xué)模型, 研究了外部載荷對(duì)導(dǎo)軌副動(dòng)態(tài)特性的影響。Yong-sub Yi 簡(jiǎn)單分析了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副應(yīng)用于精確定位裝置中的動(dòng)力學(xué)特性。孫偉、史安娜等基于ADAMS 對(duì)導(dǎo)軌系統(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了建模仿真, 分析了外載荷及預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)軌接觸剛度的影響。徐鵬等人利用Pro/ E 和Ansys 對(duì)直線導(dǎo)軌進(jìn)行了三維建模與模態(tài)分析得到模態(tài)頻率和各階振型, 并分析了它們對(duì)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)特性的影響。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副設(shè)計(jì)研究方面, 國(guó)外研究者在基礎(chǔ)性理論研究上做出了重大的突破。Lundberg-Palmgren 提出最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力理論, 該理論認(rèn)為疲勞裂紋始發(fā)于接觸表面下某一含有雜質(zhì)的材料弱點(diǎn)處, 最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力決定接觸表面的疲勞剝落。但隨著冶煉技術(shù)的提高、加工工藝的改進(jìn), 導(dǎo)軌副的失效機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。從T. E. TALLIAN 近期發(fā)表的試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 與表面接觸狀態(tài)相關(guān)的諸多因素在導(dǎo)軌的疲勞過程中起著越來越重要的作用。這些因素主要包括接觸表面的預(yù)損傷、表面粗糙度的大小及形式、表面殘余應(yīng)力、外來硬顆粒雜質(zhì)以及潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)等。國(guó)內(nèi)則以華中科技大學(xué)的孫健利教授為代表的一大批科研人員投入到滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究中去, 發(fā)表了大量的科研成果, 為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)理論研究打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。徐啟賀在導(dǎo)軌副的優(yōu)化算法中, 考慮了導(dǎo)軌的可靠性因素。李傳應(yīng)引入了威布爾分布參數(shù)、外來雜質(zhì)影響參數(shù), 軸承尺寸、油膜厚度及污染顆粒的大小相關(guān)的影響參數(shù)、材料表面粗糙度以及殘余應(yīng)力系數(shù)等參數(shù)。王盤銘根據(jù)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的特點(diǎn), 建立了一種忽略滑塊變形的有限元分析模型, 并應(yīng)用ANSYS 軟件對(duì)此模型進(jìn)行了分析計(jì)算, 得到了受載變形數(shù)據(jù)及導(dǎo)軌副的靜剛度值。為了驗(yàn)證模型的合理性,采用有限元方法求出滑塊的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈性系數(shù), 進(jìn)而求出一定垂直外載荷時(shí)的垂直變形量。通過與前面的計(jì)算結(jié)果的比較, 驗(yàn)證了ANSYS 分析中模型模型簡(jiǎn)化方法的合理性, 為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的工程開發(fā)與應(yīng)用提供了一種便捷的分析途徑。開展?jié)L動(dòng)直線導(dǎo)軌副回珠曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì), 可以提高滾珠運(yùn)動(dòng)流暢性, 達(dá)到降低噪聲和減小滑塊振動(dòng)的目的。我國(guó)徐起賀、孫健利等人首先提出了回珠曲線的數(shù)學(xué)模型及設(shè)計(jì)方法, 并對(duì)曲率半徑進(jìn)行了理論研究。姜大志、應(yīng)強(qiáng)等人以降低滾珠通過過渡區(qū)所產(chǎn)生的振動(dòng)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 利用承載區(qū)和過渡區(qū)內(nèi)滾珠各循環(huán)狀態(tài)剛度相等的假設(shè)條件, 求出各循環(huán)狀態(tài)下的離散控制點(diǎn), 借助最小二乘法擬合出一條連續(xù)的過渡曲線, 并借助試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法減振的可行性。
關(guān)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副, 目前, 國(guó)內(nèi)的龍頭生產(chǎn)廠家主要有南京工藝、漢江機(jī)床、山東博特、大連高金以及廣東凱特等, 一些高校如南京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、山東大學(xué)等與企業(yè)合作對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副做了大量的研究工作, 并取得了不少的成果。
上述的這些研究工作的開展使得國(guó)產(chǎn)導(dǎo)軌的各項(xiàng)性能指標(biāo)得到了極大的提高。但是與國(guó)外的知名廠家如日本THK、NSK 相比, 國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品在性能上仍然存在一定差距。高端機(jī)床的導(dǎo)向部件使用的都還是國(guó)外的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品, 極大制約了我國(guó)自主研發(fā)高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。如何提高滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的綜合性能, 如何理設(shè)計(jì)返向器實(shí)現(xiàn)高速低噪聲運(yùn)行, 都與相關(guān)理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)研究分不開, 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究是國(guó)內(nèi)滾動(dòng)功能部件發(fā)展的重要部分。
