滚柱直线导轨副的结构设计及寿命验证

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桃睐/豫件/I装achine Tools/Accessories/Fixture滚柱直线导轨副的结构设计及寿命验证拦旦圭 . .搀查 。

广东高新凯特精密机械股份有限公司 (江门 5291 oo) 冯健文 赵美玲 曹鹏杰 陈伟就近几年高刚性、重负载机床越来越多采用滚柱直线导轨副代替原来的滚珠直线导轨及滑动导轨，因此设计和生产高精度、高速度、重载型的滚柱直线导轨副对于我国发展高档机械装备是十分必要的。本公司作为国内专业精密滚动直线导轨副生产厂家，精心设计和生产滚柱直线导轨副，本文介绍滚柱直线导轨副的结构设计及寿命验证。

1.结构设计(1)整体结构 滚柱直线导轨副由导轨、滑块和滚柱组成 ，如图1所示，其中：①导轨是导轨副与安装底座相联接的部件，材料采用优质合金钢 ，滚道经表面淬火处理，导轨的定位侧面和沟槽精密磨削，导轨的直线度决定导轨副的运动精度。

②滑块是导轨副与安装滑台相联的部件，由滑块主体、返向器、半圆柱、回柱管道、保持架和密封件等组成。滑块主体同样经淬火和精密磨削而成；返向器 、图1 滚柱直线导轨副结构图柱循D- D图 3虽然油孔的入钻点和出钻点位于同-平面上，但从图3可看出此时仍无法加工，还需确定角度 。其求解方法有以下两种。

2.作图法根据 已知条件，利用绘图软件，按下列步骤绘制：(1)按图1所示成品图形及相应的尺寸和角度绘制得到如图4所示图形。

(2)以斜油孔两端水平距离36 参铷 籼工 ，O -I旬 .I碍舢上D- D图 4作为直角三角形的-个直角边，以图4中 、 两点的距离作为另-个直角边，这样就可以得到如图5的-个直角三角形OAB。测出OA与AB的夹角6c ，即为所求。

3.关系式计算法根据上述已知条件，建立关系式。由图4和图5，求。[ 。经过计算 (过程略)得出tana3L/(d/2)×sinal/sina2 -(d/2)×sinal/tana2-(d/2)COSa1]/cosa2利用此式可求出所需的各工艺参数，这里不再详解。 ，、L，4.结语上述两种方法可用于单缸及多缸 图 5曲轴的油孔工艺参数求解，实现了工装的快速设计。两种方法可以相互校核，保证了设计的可靠性。对于特殊情况，根据成品图给定尺寸，可间接求出上述已知条件。MW (收稿日期：20121224)环的通道，实现滚柱无限循环运动；密封件包括密封端盖、密封底片和防护带板等，目的是防止外部污染进入滑块内部。③滚柱是滚动体，在导轨和滑块之间传递力，使导轨和滑块实现相对运动。

(2)两种沟槽接触状态 滚柱直线导轨副的沟槽接触状态分为0形，ux形，其结构如图2、图3所示。O形相对力臂更长，滑块承受摆动力矩时角位移的变化小刚度高，x形承受摆动力矩容易发生偏摆属于自调心结构。本公司HTPM品牌滚柱直线导轨副采取O形结构，接触角度为45。，能承受上下左右四方向载荷。

图2 O形结构 图3 X形结构(3)确定滚柱的尺寸 根据国际标准ISO14728-2 滚动直线导轨副额定静载荷CofoiZtL eD 。COS a (1)式中， 是系数 ，fo221； f是沟槽数，i2；Z 是有效滚柱数 ；三 。是滚柱有效长度 (mm)；D 。是滚柱直径 (mm)；6c是接触角，a45。。

由式 (1)可知，增加滚柱有效长度和滚柱数量可增大滚柱直线导轨副额定静载荷值 ；当滑块长度不变时，由于滚柱直径和滚柱数量成反比关系，增大滚柱直径并不会提高静载荷值。

根据国际标准ISO 14728-1 滚动直线导轨副额定动载荷和寿命C100R6m i 7/ 935 /COSa (2)式中，bin1.1(额定系数)；fc1952( 为减少系数，O.83)；， 为滑块有效长度 (mm) (-列滚道上两端承载滚柱中心的距离)。

由式 (2)可知 ，增加滚柱的直径和滚柱有效长度可提高滚柱直线导轨副额定动载荷值。为了设计的滚柱直线导轨副额定动、静载荷能达到最佳水平 ，应选择旧能长的滚柱长度和大的滚柱直径。

从上述可知，为了提高滚柱直线导轨副的额定动、静载荷 ，应选用更长更大的滚柱 ，但是在产品结构设计中，滚柱尺寸受以下几方面尺寸限制：①滑块外形和联接尺寸须按照国际标准ISO 12090-帆床/附件/I装achhzeI0os，Accessories/Fi Hre1.3 滚动直线导轨副外形尺寸与公差 。②滚柱上下循环回路为对称分布，相互不能发生干涉。③滚柱接触角度设计为45。，滚柱中心组成正方形。

④滑块安装孔的沉孔与回柱孔最朽离 ，如图4所示。⑤滑块底面距离与回柱孔最朽离B。⑥塑料回柱管道最薄位置厚度c。⑦滑块底部与导轨底部的间隙D。

回图4 滑块内部结构以本公司HTPM品牌的LGR55滚柱直线导轨副为例，受到以上尺寸的限制，滚柱尺寸取 6mm×8.5mm 。

(4)返向器尺寸的确定 滑块主体两端安装有塑料返向器，返向器的作用是将从承载滚道中出来的滚柱运动方向平稳地改变180。，使之沿滑块内部的回柱管道返回，经滑块另外-端的返向器运动方向再次改变180。，最终到达承载滚道的入口处，形成循环回路，使滚动直线导轨副实现往复运动。

由图2、图3可知，0形结构返向器较x形复杂，滚柱循环回路在返向器内为前后交叉。

如图5所示 ，反向器的4个 回柱沟槽呈对称布置，回柱沟槽轮廓中心线即为回柱曲线。如图6所示 ，为 了使滚柱运动平稳流畅，回柱曲线两端均与图5 返向器正面图导轨滚道图6 返向器的回转回路参磊 ～ 37M /0 /s 承载滚道中心线和回柱滚道中心线相切。返向器的换向半径设计非常重要，设计不当会使高速运动的滚柱直线导轨副产生振动噪声等问题。

(5)滑块长度和滚柱数量的确定 根据国际标准LGR55滑块主体选取长度为L 126mm。

如图7所示，滑块整个循环回路滚柱存在间隙值 ，间隙值理论应大于滚柱直径的-半，过小则滑块运行不流畅，过大则承受载荷小，噪声大。

图7 滚柱数量的确定根据滑块及返向器的结构计算可得循环回路中径总长L 2L12丌R2L22L3循环回路的滚柱数量z。 。，D ，取整数滑块总长三滑块主体长度厶2件反向器厚度2件密封件厚度根据国际标准ISO12090-1.3 滚动直线导轨副外形尺寸与公差 ，滚动直线导轨副滑块总长三最大不允许超过相应值 (不同型号有不同要求)。

(6)导轨副额定动、静载荷的确定 由式(2)计算LGR55滚柱直线导轨副静载荷CofoiztL eD 。COS仅式中， 。是滚柱有效接触长度， 。7.5mm；Z是有效滚柱数，z /D -120；D 。是滚柱直径(mm)，D 6mm。

由式 (2)计算LGR55滚柱直线导轨副动载荷C10oRCofoiztL eD 。COS o 221×2×20×7.5×6×0.707281 244(N)C100R6 i 9zt3 7/。9 35。/ COS O其中fl是滑块有效长度，lt120mm。

C100R6 f z 三 7/。9 35。/ cos o114 000(N)参照国际标准ISO 14728-17知C50R1.23Clo0R：1.23×1 14 000140 220(N)由附表可知HTPM品牌LGR55滚柱直线导轨副38 参曷 棚工额定动、静载荷达到国际先进水平的性能指标。

LGR55额定动、静载荷与国外滚柱直线导轨副对比凯特 日本 德国 台湾 生产厂家HTPM 某品牌 某品牌 某公司额定静载荷cn/N 281244 266o0O 320000 25200O额定动载荷c5。 ，N 140220 131o00 136000 1305002.寿命验证(1)试验设备 为了验证滚柱直线导轨副的额定寿命是否达到设计目标 ，本公司专门研制-台重载导轨副寿命试验机。重载导轨副寿命试验机结构如图8所示 ，试验机采用伺服电动机联接丝杠驱动工作台往复运动，通过液压缸对被测直线导轨副施加压力，滑块上方安装有压力传感器，可实时监控导轨副受压情况。

图8 重载导轨副寿命试验机(2)试验条件 移动速度：30m/min；行程：900mm；润滑频率 ：自动供油，每60min为0.4cm ；外加载荷P：压力60kN；试验对象：LGR55EA P3 1×1620C。

(3)试验 目标 根据国际标准ISO 1472-1滚动直线导轨副额定动载荷和寿命》可知(3)式中，L 。为额定寿命 (10 m)，P为外加载荷。

因此根据LGR55EA额定动载荷和外加载荷推算其额定寿命： f 185Okm -I600 J-本次试验 目标为LGR55EA导轨副运行850km后，导轨、滑块的沟槽和滚柱表面未出现疲劳剥落现象。

(4)试验结果 LGR55滚柱直线导轨副受载60kN运行870km后，导轨 、滑块沟槽表面及滚柱表面出现磨痕、亮带，表面未发生鱼鳞状薄片的剥落和点蚀疲劳现象，如图9所示。

机床/儆件/I装achine ToolslAccessories/Fixture大型立车靠模法加工内外球面工具济南重工股份有限公司 (山东 2501 09) 陈艳霞 孟雪芹 殷合芬济南重工股份有限公司是机械加工大型企业，是电厂用磨煤机的主要生产企业，约占市场总量的70%。磨煤机的主要零部件主轴承由球面衬和球面座组成，我们在C534J1立车上试制成功自动走刀车削球面工具，效果比较好。

1.工具适用范围及特点(1)适用于1个刀架或2个刀架的大 型立车(C534J1)上使用，只利用-个刀架垂直走刀，实现自动走刀车削球面。

(2)-套工具即可加工内、外球面 。利用内、外靠模板就能实现内、外球面的加工，结构简单 ，易于制造，利用该工具车削球面 自动走刀，走形正确，效果良好，质量易保证。

(3)工具适用于球面 加工较广泛，易于更换。车削不同直径球面时，只需更换相应直径的靠模板就能实现。

- --- j◆I 净j◆图9 LGR55导轨副试验后滑块和导轨沟槽表面情况3.结语这表明本公司HTPM品牌的LGR55滚柱直线导轨副的额定寿命与设计目标相符 ，导轨、滑块沟槽表面粗糙度、淬火层硬度和深度均满足使用要求。

MW (收稿日期：20130106)(该论文受广东省201 1年产学研项 目 高速重载滚柱直线导轨副关键技术研 究及产品研发”的支持)(4)工具便于安装，易找正，进刀量易于调节，加工球面精度高，表面粗糙度值较低。

2.工具结构及使用原理(1)加工外球面时的结构及使用原理 ：图I是在立车 (C534J1)上加工外球面轴承衬时的示意图，其中刀杆部装9包括刀杆、轴承、销轴、弹簧、挡圈及压紧螺母等。

图1 车外球加工示意图1.工件 2.刀杆架 3.机床刀台 4.横梁 5.支撑 6.靠模 7.弹簧8.轴承 9.刀杆部装其使用原理为：加工外球面靠模6(靠模半径等于工件球半径R 加上轴承的半径 )，通过支撑5固定在同侧机床刀架的外侧横梁4上，安装时将靠模的圆弧中心与工件球面中心处在同-垂直平面内且在同-水平线上。

刀杆架2压紧在机床刀台3上 ，刀杆部装9装在刀杆架2方孔中且可以在方孔中水平方向运动，刀杆后部固定弹簧7，弹簧通过后方压紧螺母紧固，始终处于压缩状态。刀杆与靠挠触的地方通过销轴安装-件轴承8，轴承通过销轴固定在刀杆上，安装时保证刀杆长度方向中心线与工件球面水平中心线处在同-垂直平面内且平行。