滚动直线导轨技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

1、高速、高加减速滚动直线导轨副的开发

近年来数控机床、机器人、电子机械装置等各种机械的进给速度的高速化发展很快，已经提高了2～3倍，而这些机械中使用的滚动直线导轨副的高速要求更高。滚动直线导轨副实现高速、高加减速的基本要求：

1）滚动体之间不接触；

2）润滑性能提高，并有长期维持特性；

3）整列滚动体光滑运动；

4）冲击力小的循环机构。

2、滚柱式滚动直线导轨副技术动向

滚柱式滚动直线导轨副有寿命长、刚性高和噪声小等主要特点。它分为O型和X型两大类，X型为德国INA公司开发的新产品。

滚柱式滚动直线导轨副的发展动向主要是润滑问题。定期注油是必要的，然而装置复杂，成本高。为此，日本Memuson公司独立开发了毛细管状的润滑体安装在滑块体内，可以实现5年或2万km的行程而不需维护。而日本THK公司研制的QZ润滑器包含具有纤维网及密封件的油池，也使导轨副的润滑达到长期免维护的技术要求。

3、带磁栅测量系统的滚动直线导轨副

Schneeberger公司开发了名为“monorail”的滚动直线导轨副，它把直线运动的导向功能与磁栅—数显的位移检测功能合二为一。磁化钢带粘贴在导轨的侧面，而拾取信号的磁头则与导轨副的滑块固定并与之同步运动。磁栅测量系统的最小分辨率为0.001，精度为0.005，最高移动速度为3m/min。导轨最长可以达3000mm，每50mm设一个参考点。

4、微型导轨副的开发

针对医疗、半导体制造及计量装置，THK公司开发了导轨宽度分别为1mm、2mm、4mm等3个型号（长度100mm）标准产品，具有以下特点：

1）超小型：LM导轨副系列中断面尺寸最小的、可靠性高的超微型产品。它满足设备重量轻、省空间的要求；

2）低滚动阻力；

3）能承受所有方向的载荷；

4）出色的耐腐蚀性：LM导轨及滚珠均使用马氏体不锈钢，耐腐蚀性出色，最适合使用于医疗器械及清洁车间中。

第二节 产品工艺特点或流程

1、滚动直线导轨设计结构形式

滚珠导轨为V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨。由于滚珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。

滚柱（滚针）导轨-滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，灵活性稍差。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱的直径越大，对导轨的不平度越为敏感。当结构尺寸受限制时，可采用直径较小的滚柱，这种导轨称为滚针导轨。滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。由于滚柱在封闭的滚道内滚动，故可用于行程很大的导轨上。滚柱导轨可采用标准的滚动轴承，装在偏心轴上，以便于调整。其偏心量一般取0.2-0.5毫米。

2、滚动直线导轨设计的一般问题

1）结构形式的选择：滚动导轨按其结构特点，分为开式和闭式两种。开式滚动导轨用于外加载荷作用在两条导轨中间，依靠运动件本身重量即可保持导轨良好接触的场合。闭式导轨则相反。

滚珠导轨的灵活性最好，结构简单，制造容易，但承载能力小，刚度低，常用于精度要求高、运动灵活、轻载的场合。滚柱（针）导轨刚度大，承载能力强，但对位置精度要求高。滚动导轨采用标准滚动轴承，结构简单，制造容易，润滑方便。宜用于中等精度的场合。为了增加滚动导轨的承载能力，可施预加载荷。这时刚度大，且没有间隙，精度相应提高，但阻尼比无预加载荷时大，制造复杂，成本高。故多用于精密导轨。

2）选择长度：一般应在满足导轨运动行程的前提下，尽可能使导轨的长度短一些。为防止滚动体在行程的极端位置时脱落，运动件的长度应为L=l+2a+Smax/2，式中L-运动件或承导件的长度，计算时取较短者的长度（毫米）；l-支承点的距离（毫米）；a-在极端位置时的余量；采用循环式的滚动导轨支承时，运动件的行程长度不受限制。

滚动体尺寸和数目：滚动体直径大，承载能力大，摩擦阻力小。对于滚珠导轨，滚珠直径增大，刚度增高（滚柱导轨的刚度与滚柱直径无关）。因此，如果不受结构的限制，应有限选用尺寸较大的滚动体。

滚针导轨的摩擦阻力较大，且滚针可能产生滑动。所以尽可能不采用滚针导轨（特别是滚针直径小于4毫米时）。

当滚动体的数目增加时，导轨的承载能力和刚度也增加。但滚动体的数目不宜太多，过多会增加载荷在滚动体上分布的不均匀性，刚度反而下降。若滚动体数目太少，制造误差将会显著地影响运动件的导向精度。一般在一个滚动带归上，滚动体的数目最少为12个。运动部件的重量，使滚柱单位长度上的载荷q≥4公斤/厘米时；对于滚珠导轨，在每个滚珠上的载荷为p≥3（d）1/2公斤时，（d为滚珠直径，毫米），载荷的分布比较均匀。

在滚柱导轨中，增加滚柱的长度，可减小接触应力和增大刚度，但载荷分布的不均匀性也增大。对于钢制摸削导轨，滚柱导轨和直径之比l/d<1.5，对于铸铁导轨，l/d可增大些（滚柱直径一般不小于6毫米，滚针直径不小于4毫米）。

3）滚动导轨刚度及预紧方法：

（1）用于测试的工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

为减小导轨变形，提高刚度，除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的厚度外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。燕尾形滚动导轨，用移动导轨板获得并控制预加载荷。

随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会显著提高。牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。

4）技术要求：导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，设计时应根据使用要求，制定出滚动导轨的若干技术条件，下列项目和数据可供参考：两导轨面间的不平度一般为3微米；导轨不直度一般为10-15微米，精密的小于10微米。

滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于2微米，每组滚动体的直径差不大于1微米；对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于1微米，每组滚动体的直径差不大于0.5微米；滚柱的锥度在滚柱长度范围内，大小端直径差小于0.5-1微米；表面光洁度通常应刮研；在25×25厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取下限。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

科学技术是推动功能部件产业化的动力。根据高速、精密、复合、智能、环保的发展方向，需要重点发展的技术包括：

1、与直线电机配套的高速、高刚度、低噪声精密滚动直线导轨副。

2、用于重型数控机床的高精度、高刚度滚柱直线导轨副。

3、开发滚动直线导轨绿色产品。

4、满足尺寸稳定性、可靠性、易成型性和生产效率要求的新材料及热工工艺及其装备的开发。

5、滚珠返向装置的优化设计及一次成型制造技术的产业化。

6、提高滚道廓形精度的相关技术。

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