滾動直線導軌副運行噪聲分析及解決方法*

張立民 李 敏 許武衛(wèi) 王愛榮

（陜西漢江機床有限公司 陜西漢中 723003）

隨著制造業(yè)數字化、網絡化、智能化的快速發(fā)展及綠色制造的興起，對高檔數控機床、自動化設備的高速化、智能化及噪聲等指標的要求越來越高。作為數控機床主要功能部件的滾動直線導軌副在高速化方面發(fā)揮著巨大的作用。然而，隨著運行速度的增加，勢必會帶來整機噪聲的增加，形成噪聲污染，給操作者身體健康帶來極大傷害?，F在噪聲已經成為了綜合考評滾動直線導軌副質量優(yōu)劣的重要指標。從滾動直線導軌副的結構設計、加工工藝、潤滑等方面分析滾動直線導軌副的噪聲產生的原因，并提出解決方法。

1 導軌副結構設計

1.1 滑塊循環(huán)通道中滾動體首尾間隔的設計

為了保證滾動體運動的流暢性，通常需要將滑塊循環(huán)通道中滾動體首尾留一定間隙（首尾空檔間隔）。通過合理設計滾動體首尾間隔，可以減小啟動或急停時滾動體之間沖擊碰撞而產生的噪聲。設計時要求滑塊每個循環(huán)通道滾動體首尾間隔盡可能小，但最大首尾間隔不要大于0.5Da（Da為滾動體直徑），一般建議首尾間隔取1～5 mm 。

1.2 滑塊回珠孔直徑或回柱槽間隙的設計

合理選取滑塊回珠孔直徑或回柱槽單邊間隙，也能有效地控制噪聲的大小。對于滾珠直線導軌副，一般取回珠孔直徑：1.02～1.07Da；對于滾柱直線導軌副，一般取滾柱直徑與方形回柱槽的單邊間隙為0.05～0.15 mm 。

1.3 滑塊過渡曲線的設計

在滾動直線導軌副滑塊組件中，滾動體在一個循環(huán)周期中根據其受載和變形情況，可分為承載區(qū)、非承載區(qū)和過渡區(qū)三個運動區(qū)域。滾動體從承載區(qū)進入非承載區(qū)，即要從受力狀態(tài)或應變狀態(tài)逐漸過渡到不受力或零應變狀態(tài)，而從非承載區(qū)進入承載區(qū)則過程相反。過渡曲線對滾動體的受力狀態(tài)和整個滾動直線導軌副的精度起著至關重要的作用，在高速時會對導軌副噪聲指標產生極大影響。

圖1所示是最初設計的滾動直線導軌副滾動體運動簡圖，其中R為過渡曲線半徑。從圖中可以看出,反向過渡塊與滑塊滾道之間有一微小的臺階e，當滾動體反向運動時，由于臺階的存在，滾動體運動到此處時會產生劇烈振動，不但影響導軌副的精度，而且在高速時會導致導軌副噪聲超標。

圖1 最初滾動直線導軌副滾動體運動簡圖

通過對滾動直線導軌副的結構形式的不斷分析及研究，對過渡曲線進行優(yōu)化，避免臺階的產生，如圖2所示。圖中過渡曲線由兩段半徑為R的圓弧和一段長為e的直線組成。

圖2 優(yōu)化后滾動直線導軌副滾動體運動簡圖

通過對圖1和圖2的比較分析，可以看出圖2所示結構的反向曲線為平滑過渡的一個曲面，滾動體可以進行平穩(wěn)順暢的反向運動，有效地降低了噪聲。

1.4 反向零件隔音裝置設計

（1）在滑塊反向孔中增加塑料導珠管，使導軌副運行時滾動體與滑塊反向孔的鋼對鋼的碰撞變?yōu)殇搶λ芰系呐鲎玻M而大大地降低了噪聲。

（2）在反向過渡塊和導珠管中間增加沉割槽，使運行過程中滾動體與過渡塊和導珠管的接觸面盡可能小, 從而達到降低噪聲的目的。

（3）在滾動體與滾動體之間增加保持鏈或隔離裝置，避免滾動體與滾動體的相互碰撞。

（4）在反向端蓋上設計吸聲洞穴或增加吸聲材料裝置，使導軌副得到良好的隔音效果，有效地抑制了噪聲。

1.5 減少滑塊的反向零件數量

對于高速運行的滾動直線導軌副來說，滑塊的零件數量越多，反向噪聲越難控制。將滑塊的反向過渡塊和導向管與滑塊整體注塑成一體 ，使運行時滾動體反向更為流暢，避免高速運動時導軌副的劇烈振動，使噪聲得到控制。

1.6 采用氮化硅陶瓷球做滾動體

氮化硅陶瓷球具有重量輕、高硬度（HRC達到78）、耐高溫、耐腐蝕、摩擦因數小、熱膨脹系數小、電絕緣、無磁性、無金屬污染、無粘附磨損等特點，越來越廣泛地應用于武器裝備、航空航天等領域。

Yamata等人研究證明滾動直線導軌副的噪聲產生的主要原因是滾動體與端蓋、滾道之間的碰撞。對于在100～20 000HZ范圍內的聲壓級，通過裝入較輕的陶瓷球（Si5 N4）可以降低噪音。通過實測當運動速度在0.3～1.17m/s范圍內，鋼球滾動體的噪聲為60.0～76.9dB，而陶瓷鋼球的噪聲為55～71dB，平均降噪為4.5dB[1]。

1.7 適當增加導軌副預加載荷

增加導軌副的預加載荷可以增加阻尼，提高抗振性能。對于高速運行的滾動直線導軌副來說，適當的預加載荷可以消除高頻振動現象，降低導軌副的噪聲。

根據工作條件和使用場合，滾動直線導軌副可參考表1選用不同的預加載荷。其中預加微載荷 H0為 0.01C ；預加輕載荷 H1為 0.04C ；預加中載荷H2為0.07C ；預加重載荷H3為0.10C（C—額定動載荷）。

表1 預加載荷一覽表

1.8 配備阻尼滑塊（或稱為阻尼滑座、阻尼器）

阻尼滑塊是由滑塊體、帶塑料層的阻尼塊和壓板等組成，與滾動直線導軌副配套使用，如圖3所示。通過阻尼滑塊與導軌之間的油膜阻尼來吸振，提高數控機床或機械設備的加工質量，大大降低噪聲。

圖3 HJG—ZN55Z阻尼滑塊與滾柱導軌配套使用

德國INA公司與阿享(Aachen TH)大學合作研究了“RUDS”阻尼滑座， 將這種滑座安裝在滾動直線導軌出現最大振幅的位置。 試驗表明： 安裝“RUDS ”阻尼滑座后， 振幅降低到原來的1/30,噪聲明顯減弱[2]。

2 導軌副加工工藝

2.1 滑塊回珠孔的加工工藝

采用加工中心或專用鉆孔設備，在一次裝夾下，按定位→鉆孔→擴孔→鉸孔的工藝路線完成所有回珠孔的加工。通過此工藝，減少了對接回珠孔中易產生臺階的現象，同時提高了回珠孔的表面粗糙度，使噪聲得到有效的控制。

2.2 滑塊的材料及淬火工藝

滑塊傳統(tǒng)工藝的材料通常選用高碳鋼GCr15，采用整體淬火，如將回珠孔的加工安排在淬火之前，很難保證回珠孔的中心位置精度，使導軌副在運行過程中出現卡滯現象，影響導軌副運行精度，在高速運行時導致導軌副噪聲超標。

滑塊新工藝的材料選用低碳鋼20CrMnTi ，采用滲碳→表面淬火 ，回珠孔的加工安排在淬火之后完成 ，保證了回珠孔的中心位置精度 ，使導軌副反向流暢 ，保證了運行精度，在高速時運行時導軌副噪聲得到有效控制。

2.3 提高滾道加工質量

1）提高滾道輪廓一致性

數控直線導軌磨床（如圖4所示）的兩個金剛石滾輪分別修整兩個砂輪，由于兩個金剛石滾輪制造上難免會產生一定的誤差，使得磨削導軌的滾道時輪廓一致性存在誤差，導致導軌副反向精度差，高速運行的噪聲比較大。新設計的HJ091數控直線導軌磨床（如圖5所示）采用一個金剛石滾輪同時修整兩個砂輪，保證磨削時導軌滾道輪廓一致性，將該導軌與滑塊裝配后運行更平穩(wěn)，運行高速時噪聲有所降低。

圖4 HJZ037數控直線導軌磨床

圖5 HJ091數控直線導軌磨床

2）提高滾道的表面粗糙度

選用WA70JV45M/S和WA80JV45M/S CF2牌號砂輪對DZ65導軌進行滾道磨削，磨削后粗糙度對比結果如表2所示。由表2可看出采用WA80JV45M/S CF2牌號砂輪磨削的導軌，表面粗糙度更好。

表2 DZ65導軌滾道磨削粗糙度對比表

兩根 DZ65導軌與滑塊裝配后，發(fā)現采用WA80JV45M/S CF2牌號砂輪磨削的導軌副精度保持性更好，運行更平穩(wěn)，高速時導軌副的噪聲更低。

3 導軌副的潤滑

對滾動直線導軌道副滾道涂抹潤滑脂也是降低導軌副運動噪聲的一種有效方法。不加潤滑脂和涂抹潤滑脂（牌號：BX-350/A）狀態(tài)下分別測試了DZ45ZC滾柱直線導軌副不同運動速度下的噪聲聲壓級，檢測結果如表3所示。

表3 DZ45ZC滾柱直線導軌副噪聲聲壓級測試表

對表3數據描點，可繪制DZ45ZC滾柱直線導軌副噪聲聲壓級與速度變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 DZ45ZC滾柱直線導軌副噪聲聲壓級與速度變化對比曲線圖

由表3和圖6可以看出，在運行速度高于5m/min時導軌副涂抹潤滑脂的降噪效果比較明顯。

4 結語

本文主要從滑塊循環(huán)通道滾動體首尾空擋間隔的設計、滑塊回珠孔直徑或回柱槽間隙的設計、滑塊過渡曲線的設計、反向零件隔音裝置設計、減少滑塊的反向零件數量，采用氮化硅陶瓷球做滾動體、適當增加導軌副預加載荷、配備阻尼滑塊（或稱為阻尼滑座、阻尼器）等，在結構設計方面和導軌副加工工藝及潤滑脂選用方面分析滾動直線導軌副的噪聲產生原因，并提出解決方法。