滾柱直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)設(shè)計及壽命驗證

廣東高新凱特精密機械股份有限公司 （江門 529100） 馮健文 趙美玲 曹鵬杰 陳偉就

近幾年高剛性、重負(fù)載機床越來越多采用滾柱直線導(dǎo)軌副代替原來的滾珠直線導(dǎo)軌及滑動導(dǎo)軌，因此設(shè)計和生產(chǎn)高精度、高速度、重載型的滾柱直線導(dǎo)軌副對于我國發(fā)展高檔機械裝備是十分必要的。本公司作為國內(nèi)專業(yè)精密滾動直線導(dǎo)軌副生產(chǎn)廠家，精心設(shè)計和生產(chǎn)滾柱直線導(dǎo)軌副，本文介紹滾柱直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)設(shè)計及壽命驗證。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）整體結(jié)構(gòu) 滾柱直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊和滾柱組成，如圖1所示，其中：①導(dǎo)軌是導(dǎo)軌副與安裝底座相聯(lián)接的部件，材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，滾道經(jīng)表面淬火處理，導(dǎo)軌的定位側(cè)面和溝槽精密磨削，導(dǎo)軌的直線度決定導(dǎo)軌副的運動精度。②滑塊是導(dǎo)軌副與安裝滑臺相聯(lián)的部件，由滑塊主體、返向器、半圓柱、回柱管道、保持架和密封件等組成。滑塊主體同樣經(jīng)淬火和精密磨削而成；返向器、半圓柱、回柱管道和保持架組成一個滾柱循環(huán)的通道，實現(xiàn)滾柱無限循環(huán)運動；密封件包括密封端蓋、密封底片和防護帶板等，目的是防止外部污染進入滑塊內(nèi)部。③滾柱是滾動體，在導(dǎo)軌和滑塊之間傳遞力，使導(dǎo)軌和滑塊實現(xiàn)相對運動。

圖1 滾柱直線導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)圖

（2）兩種溝槽接觸狀態(tài) 滾柱直線導(dǎo)軌副的溝槽接觸狀態(tài)分為O形和X形，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。O形相對力臂更長，滑塊承受擺動力矩時角位移的變化小剛度高，X形承受擺動力矩容易發(fā)生偏擺屬于自調(diào)心結(jié)構(gòu)。本公司HTPM品牌滾柱直線導(dǎo)軌副采取O形結(jié)構(gòu)，接觸角度為45°，能承受上下左右四方向載荷。

（3）確定滾柱的尺寸 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)I S O 14728－2《滾動直線導(dǎo)軌副額定靜載荷》

式中，f0是系數(shù)， f0=221； i是溝槽數(shù)，i=2；Zt是有效滾柱數(shù)；Lwe是滾柱有效長度（mm）；Dwe是滾柱直徑（mm）；α是接觸角，α=45°。

由式（1）可知，增加滾柱有效長度和滾柱數(shù)量可增大滾柱直線導(dǎo)軌副額定靜載荷值；當(dāng)滑塊長度不變時，由于滾柱直徑和滾柱數(shù)量成反比關(guān)系，增大滾柱直徑并不會提高靜載荷值。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14728－1《滾動直線導(dǎo)軌副額定動載荷和壽命》

式中，bm=1.1（額定系數(shù)）；fc=195λ（λ為減少系數(shù)，0.83）；lt為滑塊有效長度（mm）（一列滾道上兩端承載滾柱中心的距離）。

由式（2）可知，增加滾柱的直徑和滾柱有效長度可提高滾柱直線導(dǎo)軌副額定動載荷值。為了設(shè)計的滾柱直線導(dǎo)軌副額定動、靜載荷能達到最佳水平，應(yīng)選擇盡可能長的滾柱長度和大的滾柱直徑。

從上述可知，為了提高滾柱直線導(dǎo)軌副的額定動、靜載荷，應(yīng)選用更長更大的滾柱，但是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，滾柱尺寸受以下幾方面尺寸限制：①滑塊外形和聯(lián)接尺寸須按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12090－1.3《滾動直線導(dǎo)軌副外形尺寸與公差》。②滾柱上下循環(huán)回路為對稱分布，相互不能發(fā)生干涉。③滾柱接觸角度設(shè)計為45°，滾柱中心組成正方形。④滑塊安裝孔的沉孔與回柱孔最小距離A，如圖4所示。⑤滑塊底面距離與回柱孔最小距離B。⑥塑料回柱管道最薄位置厚度C。⑦滑塊底部與導(dǎo)軌底部的間隙D。

圖4 滑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以本公司HTPM品牌的LGR55滾柱直線導(dǎo)軌副為例，受到以上尺寸的限制，滾柱尺寸取φ6mm×8.5mm。

（4）返向器尺寸的確定 滑塊主體兩端安裝有塑料返向器，返向器的作用是將從承載滾道中出來的滾柱運動方向平穩(wěn)地改變180°，使之沿滑塊內(nèi)部的回柱管道返回，經(jīng)滑塊另外一端的返向器運動方向再次改變180°，最終到達承載滾道的入口處，形成循環(huán)回路，使?jié)L動直線導(dǎo)軌副實現(xiàn)往復(fù)運動。

由圖2、圖3可知，O形結(jié)構(gòu)返向器較X形復(fù)雜，滾柱循環(huán)回路在返向器內(nèi)為前后交叉。如圖5所示，反向器的4個回柱溝槽呈對稱布置，回柱溝槽輪廓中心線即為回柱曲線。如圖6所示，為了使?jié)L柱運動平穩(wěn)流暢，回柱曲線兩端均與承載滾道中心線和回柱滾道中心線相切。返向器的換向半徑設(shè)計非常重要，設(shè)計不當(dāng)會使高速運動的滾柱直線導(dǎo)軌副產(chǎn)生振動噪聲等問題。

圖5 返向器正面圖

圖6 返向器的回轉(zhuǎn)回路

（5）滑塊長度和滾柱數(shù)量的確定 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)LGR55滑塊主體選取長度為L1=126mm。

如圖7所示，滑塊整個循環(huán)回路滾柱存在間隙值X，間隙值理論應(yīng)大于滾柱直徑的一半，過小則滑塊運行不流暢，過大則承受載荷小，噪聲大。

根據(jù)滑塊及返向器的結(jié)構(gòu)計算可得

循環(huán)回路中徑總長L中=2L1+2πR+2L2+2L3

循環(huán)回路的滾柱數(shù)量Z1=L1/Dw，取整數(shù)

滑塊總長L=滑塊主體長度L1+2件反向器厚度+2件密封件厚度

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)I S O12090－1.3《滾動直線導(dǎo)軌副外形尺寸與公差》，滾動直線導(dǎo)軌副滑塊總長L最大不允許超過相應(yīng)值（不同型號有不同要求）。

（6）導(dǎo)軌副額定動、靜載荷的確定 由式（2）計算LGR55滾柱直線導(dǎo)軌副靜載荷

式中，Lwe是滾柱有效接觸長度，Lwe=7.5mm；Zt是有效滾柱數(shù)，Zt=L1/Dwe－1=20；Dwe是滾柱直徑（mm）， Dwe=6mm。

由式（2）計算LGR55滾柱直線導(dǎo)軌副動載荷

其中l(wèi)t是滑塊有效長度， lt= 120mm。

參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14728－1可知

由附表可知HTPM品牌LGR55滾柱直線導(dǎo)軌副額定動、靜載荷達到國際先進水平的性能指標(biāo)。

LGR55額定動、靜載荷與國外滾柱直線導(dǎo)軌副對比

2.壽命驗證

（1）試驗設(shè)備 為了驗證滾柱直線導(dǎo)軌副的額定壽命是否達到設(shè)計目標(biāo)，本公司專門研制一臺重載導(dǎo)軌副壽命試驗機。重載導(dǎo)軌副壽命試驗機結(jié)構(gòu)如圖8所示，試驗機采用伺服電動機聯(lián)接絲杠驅(qū)動工作臺往復(fù)運動，通過液壓缸對被測直線導(dǎo)軌副施加壓力，滑塊上方安裝有壓力傳感器，可實時監(jiān)控導(dǎo)軌副受壓情況。

（2）試驗條件 移動速度：30m/min；行程：900mm；潤滑頻率：自動供油，每60min為0.4cm3；外加載荷P：壓力60kN；試驗對象：LGR55EA P3 1×1620C。

（3）試驗?zāi)繕?biāo) 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1472－1《滾動直線導(dǎo)軌副額定動載荷和壽命》可知

式中，L10為額定壽命（105m），P為外加載荷。

因此根據(jù)LGR55EA額定動載荷和外加載荷推算其額定壽命

本次試驗?zāi)繕?biāo)為LGR55EA導(dǎo)軌副運行850km后，導(dǎo)軌、滑塊的溝槽和滾柱表面未出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象。

（4）試驗結(jié)果 LGR55滾柱直線導(dǎo)軌副受載60kN運行870km后，導(dǎo)軌 、滑塊溝槽表面及滾柱表面出現(xiàn)磨痕、亮帶，表面未發(fā)生魚鱗狀薄片的剝落和點蝕疲勞現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 LGR55導(dǎo)軌副試驗后滑塊和導(dǎo)軌溝槽表面情況

3.結(jié)語

這表明本公司HTPM品牌的LGR55滾柱直線導(dǎo)軌副的額定壽命與設(shè)計目標(biāo)相符，導(dǎo)軌、滑塊溝槽表面粗糙度、淬火層硬度和深度均滿足使用要求。