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直线滚动导向系统的减振 |
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作者：徐增豪 胡克廷 沈利 王善徒 |
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摘要：直线滚动导向系统的减振是数控机床和精密加工的研究课题。上海理工大学和上海重型机床厂通过产学研合作，在最新研制的SHZ1044双主轴立式车削中心上，采取了直线滚动导轨加装阻尼滑座和滚动靴附加减振块这两种减振方法，取得了良好效果。文章介绍了两种减振装置的结构、挤压膜减振原理及应用实例。
近年来，随着数控机床和精密加工的发展，对机床导向系统的要求越来越高，它是决定机床加工精度、工作效率和使用寿命的重要因素。许多设备都选用国内外专业工艺装备厂生产的机床功能部件——直线滚动导轨作为导向支承。由于直线滚动导轨使用淬硬的导轨和预紧(无间隙)的滚珠或滚柱滑块作为接触副，所以具有摩擦系数小、承载能力大、刚性好、使用寿命长的特点，可达到很高的进给速度和定位精度。
但滚动导轨与传统的平面滑动导轨相比较，因其滚动接触面是点或线，减振性能相对要差一些。有的导轨制造商曾采用对滚动导向系统增加预载荷的方法来改善减振性能，然而实际试验表明这种方法效果不明显。
增加预载荷只是改变了共振频率，而对减振没有多大改善。相反，由于增加滚动导向系统的预载荷，加大了滚动元件的变形，从而增大导向机构位移阻力，使接触面磨损加快，势必影响导向元件的工作寿命。有效的减振方法可通过附加减振元件的方法来实现。我们这次在产学研合作项目——“SHZ1044双主轴立式车削中心”研制过程中，采取了两种形式的滚动导轨减振措施，取得良好效果。
1 直线滚动导轨加装阻尼滑座
“SHZ1044双主轴立式车削中心”的一个车头采用内装主轴电动机，倒置布局。倒置车头工作时，车头主轴高速旋转并在水平方向(X)和垂直方向(Z)上运动，容易产生振动。为此，我们选用了带有阻尼滑座的滚柱导向机构(图1)作为X向导轨。 
(a)带有阻尼滑座的滚柱导轨 (b)阻尼滑座剖面图
1、3.滑块 2.阻尼滑座 4.导轨
图1 具有减振功能的滚柱导向机构
阻尼滑座包括一个钢结构主体，其内表面用专门的喷涂工艺喷涂了一种滑动支承材料，制造时与相配合的导轨配磨加工，使这层滑动支承材料与所对应的导轨表面均形成0.03mm 的间隙，见图1b。阻尼滑座与导轨表面不直接接触，中间留有一定的间隙，间隙中充满润滑油，这层油膜能起到一个挤压油膜减振器作用，可达到良好的减振效果。由于这层0.03mm 的油膜很薄，可以产生毛细作用，所以耗油很少，工作时，只需象滚动滑块一样定时在滑座的注油孔中滴入润滑油即可。这种减振型滚动导向系统既保持了原有直线滚动导轨运行轻捷快速的特点，又具有滑动导轨减振性能好的优点。
挤压膜减振原理如图2所示，其减振因数d为d=η*(b2/h2)*l
式中：η——油液粘度
b——挤压膜宽度
h——挤压膜高度
l——减振元件长度
很明显宽度b是减振的主要因数，在设计时要考虑此因数；另外增加长度l理论上也可得到好的减振效果，然后实际上随着长度增加会遇到一个减振的“饱和点”，超过此点，减振性能将不再增加。
阻尼滑座可与相应的滚动滑块配套定制，安装也十分方便，安装时将滑座调整至两侧间隙相同，然后拧紧螺栓即可。
目前这种阻尼滑座仅配套于直线滚柱导向系统，而在滚珠滑块的导向系统上未见到应用，原因是滚珠接触的导轨面是曲面，对应滑块偶件之间的这层0.03mm的间隙难以加工，挤压油膜容易流失。
2 滚动靴附加减振块
对于由矩形钢导轨与滚柱滚动靴组成的直线滚动导轨副，可在其工作平面上附加减振块。这类减振块也称为减振滑靴或阻尼靴，由专业轴承厂或机床功能部件厂出品，在一些进口机床上使用不少，安装后取得很好的减振性能。其应用举例见图3。
(a)附加减振滑靴的滚动导轨
(b)自制减振块
1.矩形钢导轨 2.阻尼滑靴 3. 滚柱滚动靴 4.减振块 5.机床拖板
图3 具有减振能力的滚动导向机构
减振块设在导向机构之中，并覆盖尽可能大的面积，其表面与钢导轨之间同样留有间隙，以形成挤压油膜。这种减振块其实是一种不直接接触的平面滑动导轨，可以自行设计制造。我们在“SHZ1044双主轴立式车削中心”的倒置车头纵向导轨(Z)上设计了此减振块。减振块可采用钢或铸铁作基体，加工后在其配合表面贴上导轨软带(我们采用了TURCITE软带材料)，然后与所对应的导轨配作(磨削或刮削)，使两表面间形成0.03mm间隙，并钻出油孔，最后安装在两个滚柱滑动靴之间，即组成具有减振功能的滚动导向机构，如图3所示。
使用阻尼滑座或阻尼滑靴的另一个效果是改善了撞击安全性能，抑制了撞击产生的塑性变形，减少机构损坏。
3 减振导向机构的应用
上述两种导轨减振方法在“SHZ1044双主轴立式车削中心”上应用，证明效果良好。水平方向(X)导轨选配的是德国INA轴承公司生产的RUDS阻尼滑座；倒置车头垂直方向(Z)导轨则采用自行设计制造的贴塑阻尼滑靴。自制阻尼滑靴的成本低于进口阻尼滑靴费用，而且阻尼滑靴的长度可根据导向机构尺寸任意设定，经济可行。
带有阻尼滑座或阻尼滑靴的减振滚动导向系统目前在我国机床上很少应用，一个重要原因是国内没有专业厂与之配套。我们希望通过本文介绍，国内能有此类滚动减振元件的制造生产，并在国产设备上推广使用，为我国机床制造业跻身世界先进行列作出贡献。
上海理工大学 徐增豪 胡克廷 上海重型机床厂 沈利 王善徒 (end)
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(2/20/2008) |
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