滚动直线导轨副摩擦磨损机理及特性研究

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Study of Frietion W ear Mechanism of Linear Motion Guide and Its CharacteristicsUN Min(Nanjing Technical Equipment Manufacture Co.，Ltd.，Nanjing 210004，China)Abstract：The linear guide is widely used in machinery industry due to its special characteristics.It has many advantages，such assimple structure，minimaI static and dynamic frictional coeficient，high positioning accuracy and good precision retentivity.Its per-formance has a direct：impact on the overal pedormance of the machine.The friction and wear is closely related to the dynamicscharacteristics.So through analyzing its mechanism，the friction and wear of the equipment is reduced or even prevented，the waysof improving the wear resistance in explored，in order to save energy and eend the life of workpiece。

Key words：linear motion guideway；friction and wear characteristics；fitness；lubrication。

机床结构的动力学特性，在很大程度上撒于结合部的特性。导轨结合部是机床整机系统中最重要的结合部之-，由于具有滑动特性，对整机特性影响较大，研究导轨结合部的-些特性对提高机床的整体性能有着极其重要的意义。

任何机件在接触状态下相对运动(滑动、滚动或滑动和滚动)时都会产生摩擦。物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。磨损主要分粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损等。世界能源的1/3-1/2是以不同形式消耗在摩擦上 ，磨损又是机械设备和工模具失效的主要原因之-。磨损的后果是严重的，无论经济上、效率上和安全上都十分不利。它将缩短设备和油品的使用寿命 ，降低设备和油品的工作性能，影响设备准确、安全的运行，甚至发生事故。因此剖析其机理、减缓甚至避免设备的摩擦磨损、探求提高耐磨性的途径，对节约能源、延长工件寿命十分重要。

1 磨损的形式分析通过对导轨的-些动态特性 ，如摩擦磨损、接触刚度、动刚度等等进行详细的和系统化的研究，包括理论和试验方面，去得到-个较好的导轨副动态特性 ，提升导轨副的动静刚度特性、提升抗摩擦磨损能力，从而达到提升导轨副的整体品质，提升国产导轨副在国际市场的竞争力。

磨擦磨损是个十分复杂的过程，过程中形变与相变、粘合和分离、强化与弱化、加热和冷却等多种现象交叉或同时发生。它是由力学的、物理的、化学 的多个作用产生的结果。机械效应 、热效应、化学效应等综合作用的过程，是个动态的系统过程。-些简单的摩擦理论只能解释局部个别现象，不能深入揭示摩擦的本质。

磨料磨损是各种磨损中最主要的-种磨损形式。在磨料磨损过程中，进人元件运动副间隙内的颗粒嵌人材质较软的零件表面，犹如切削刀具，将相对运动的另-零件表面材料切削下来。那些等于或略大于间隙尺寸的颗粒的危害性最大。

冲蚀磨损是由于颗粒冲击元件表面或棱边，因冲击动量造成表面材料剥落而产生的磨损。

粘着磨损-般是在超载负荷、低速运转或流体粘度降低时产生的。在这些情况下，因油膜厚度降低而发生金属对金属的直接接触。这样金属表面的凸点会彼此发生冷焊”而粘在-起 ，当相对移动时，这些冷焊点被剪下而产生金属颗粒。

疲劳磨损最易发生在导轨副接触表面。在颗粒的反复作用下，最初接触表面产生凹陷和微裂纹。这时即使不计颗粒对接触表面其他的损伤，受载荷的循环应力反复作用 ，这些微裂纹也会扩展，最终导致导轨接触表面失效。

腐蚀磨损是由于水和其他化学品的存在而产生的磨损。在设备系统中，由于热交换器泄漏、密封失效、潮湿空气冷凝、油箱顶盖配制不当、温度降低析出溶解水等都会引起设备元件的腐蚀♂果使腐蚀生成物或进人间隙堵住元件，或产生新的磨料性颗粒，进-步恶性循环。

作者简介：林敏(1961-)，女，四川成都人，工程师，大专，主要从事滚动功能部件研究。

Machine Building目Automation， "2013，42(3)：6768 ·67·· 机械制造 · 林敏 ·滚动直线导轨副摩擦磨损机理及特性研究2 磨损的机理分析如图 1所示 ，是-个摩擦试验的试验装置示意图，用压板将导轨固定在工作台上 ，使其与工作台纵向平行。～夹具与导轨滑块联接，另-夹具与工作台主轴联接，力传感器置于两个夹具之间。当工作台以-定的速度带动导轨匀速运动时，滑块、力传感器、夹具和铣床主轴保持不动；或者将导轨固定在工作台上，采用其他的办法使得滑块移动而导轨固定不动。则传感器所检测的信号 即为摩擦力的动态信号。此信号经过电荷放大器、低通滤波器及A/D板作模数转换，由计算机进行数据采集，再利用动态信号分析软件进行分析。让工作台以不同的速度带动导轨运动，观测摩擦力的波动情况，从而分析引起波动的原因。再通过改变其中的-些参数 ，如载荷、预紧力、润滑方式等等，去进行-些系统的试验，再具体地分析影响导轨副摩擦磨损的各个影响因素及其影响的大校图 1 试验装置示意图对导轨副磨损的研究需要在试验结束后去借助-些设备观察和测量接触表面的磨损情况。经过-系列的试验研究，发现影响导轨副摩擦磨损特性的因素主要有以下几个方面：1)导轨和滚动体的材料不同的材料有着不同的特性：表面硬度比较高的材料应该具有较好的抗耐磨性能，但并不是越高的表面硬度值或者材料刚度对导轨越好 ，通过反复试验及统计分析在耐磨性和运动特性方面可寻找-个合理的值来综合导轨副的耐磨性、接触刚度和运动特性。

2)适应度不同的适应度会带来不-样的接触形式 ，在不同的接触形式下 ，导轨副结合面的受力特性、变形、应力集中都不- 样(图2)，所带来的是摩擦磨损形式不-样 ，从而影响导轨的抗磨损特性，但是和材料的选择-样。通过试验综合考虑了适应度对接触刚度、运动特性、摩擦磨损的影响，可选择-个比较合理的适应度。

· 68·鼬 删 图2 滚动体受力特性模型3)滚动体的形状不同的滚动体形状所带来的受力情况、应力集中等都会有所差别 ，如采用圆弧过渡的滚柱和圆柱形状的滚柱，受力面积、应力集中都有差别，摩擦特性也会有所差别。

可以通过仿真模拟和试验，综合考虑各方面的因素，选择- 个比较合理的滚动体形状。

4)结合面的表面品质不同的表面粗糙度值、表面应力残余情况、表面缺陷情况都会对摩擦磨损特性有影响。当然能控制的或许只有表面粗糙度值 ，表面残余应力和表面缺陷与加工过程中- 些不确定的因素有很大的关系，难以控制，当然可以通过改 良加工方式获得较好的表面残余应力 ，但是表面残余应力也不是越小越好 ，它也起到-定的类似预紧力的作用。表面残余应力过大过孝表面有缺陷，在润滑油的不断渗入和运动过程中的疲劳损伤都会造成表面产生裂纹，从而不利于耐磨性，当然材料的内部缺陷也会带来类似的情况。

表面粗糙度值是-个 比较直观的量 ，容易去控制，并不是表面粗糙度越小越好，太小，不利于表面的储油润滑，容易产生粘结摩擦，而且过高的表面粗糙度会给加工带来很大的麻烦，增加了成本；但是表面粗糙度值过大后磨损更严重 ，因此通过试验比较分析可以选择-个比较有利于导轨副摩擦磨损特性的表面粗糙度值。

5)润滑和密封情况不同的润滑方式和润滑质量下，摩擦磨损特性都不-样，比如采用不同的润滑油、润滑脂 ，是否采用 自润滑等；密封性能不好会导致-些杂质渗入到导轨副中去，从而对摩擦带来-定的影响。不同的密封方式、导轨安装孔的形状、是否有沉孔盖、密封件和导轨的配合尺寸等都会对密封性能有 所影 响，从而 间接 的影响导轨副 的摩擦磨损特性3 结语滚动直线导轨副作为精密的直线导向部件，经过长时间运行后，会产生相应磨损，影响直线导轨副的运行精度。

本文通过对磨损机理及特性的研究，分析了影响滚动直线导轨副摩擦磨损的几个因素，为提高具有特定精度和寿命要求的滚动直线导轨副产品，提供了有意义的参考。