【摘 要】
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滚柱式直线导轨副以滚柱为滚动体,与滚道之间形成线接触,具有结构简单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等特点,广泛应用于加工中心、数控机床、电火花切割机床及多种重型组合机床中。在导轨副运动过程中,滚动体与滚道间的摩擦引起磨损,而长时间的磨损将导致导轨副精度的丢失并直接影响到机床的整体性能。滑块作为导轨副重要的组成部分之一,其滚道表面质量及摩擦磨损特性直接影响着导轨副的运动精度和使用寿命。由于
【基金项目】
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国家科技重大专项计划项目（2016ZX04004008-003）“滚动直线导轨副高效生产线关键技术研究”子课题“滚动直线导轨滚道磨削过程中的加工稳定性评估与工艺优化研究”；
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滚柱式直线导轨副以滚柱为滚动体,与滚道之间形成线接触,具有结构简单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等特点,广泛应用于加工中心、数控机床、电火花切割机床及多种重型组合机床中。在导轨副运动过程中,滚动体与滚道间的摩擦引起磨损,而长时间的磨损将导致导轨副精度的丢失并直接影响到机床的整体性能。滑块作为导轨副重要的组成部分之一,其滚道表面质量及摩擦磨损特性直接影响着导轨副的运动精度和使用寿命。由于滑块滚道与滚柱接触的循环频率远大于导轨滚道组件,导致其磨损更为频繁。因此,本文以滑块滚道表面的磨削工艺为主要研究对象,从滚道表面微观形貌特性出发,旨在通过滑块滚道表面的质量评估、影响因素研究、摩擦磨损特性分析及工艺优化实现滑块滚道表面质量及抗摩擦磨损特性的提高。这对导轨副运动精度的保持及使用寿命的延长同样具有重要意义。首先,建立磨削滑块滚道的砂轮表面三维形貌模型。分别开展砂轮的修整实验及砂轮磨削工件实验,采用共聚焦三维形貌仪测量砂轮磨削加工前后表面磨粒的突出高度。通过对比分析磨削加工前后砂轮表面磨粒突出高度的概率分布,获取用于判断磨粒是否真正参与到滑块滚道表面材料去除过程中的临界突出高度。并基于此确定用于识别有效磨粒的面积阈值。对砂轮表面磨粒的扫描电子显微镜图像采用连通区域识别、分割、标记、删除及有效磨粒轮廓的提取、简化、拟合等图像处理技术,提取有效磨粒的形状、大小、分布、密度等几何特征,建立氧化铝磨粒及单晶刚玉砂轮的三维形貌模型,并从磨粒的分布、密度、大小、数量等角度通过实验验证了建模方法的有效性和准确性。其次,分析单个有效磨粒的磨削运动轨迹,以最大未变形切屑厚度的分布模型为中间变量,建立滑块滚道表面三维形貌模型。采用概率分布函数和DS证据理论量化有效磨粒的磨损量,并结合具体的磨削工艺参数分析有效磨粒的切割轨迹,在提取有效磨粒突出高度的基础上确定单个有效磨粒与滑块滚道表面的实际干涉深度。同时,量化砂轮-工件和磨粒-工件接触区域的变形,获取当前磨削区域内的真实接触弧长和有效切削刃密度。在此基础上,建立最大未变形切屑厚度的分布模型。由于滑块滚道表面形貌是通过大量磨粒与滚道表面相互作用去除切屑的累计效果,而最大未变形切屑厚度的分布如同滚道表面形貌中凹槽凸起的复制。因此,根据切屑分布模型获取滚道表面粗糙度轮廓,对该轮廓进行多次循环计算并在其垂直方向上进行差值拟合建立滑块滚道表面三维形貌模型,将其与实验测量形貌对比验证了仿真形貌模型的正确性与合理性。然后,根据滑块滚道表面三维形貌提取凹槽、凸峰及峰谷结构的高度、宽度、高宽比等特征信息,分析导轨副的摩擦及磨损机理,研究表面形貌对滑块滚道摩擦磨损特性的影响。在滚动导轨副精度保持性试验台上开展导轨副的摩擦磨损试验,定量分析表面微结构凹槽、凸峰及峰谷结构的几何特征对动摩擦因子的影响,建立动摩擦因子预测模型。同时,考虑不同载荷下滚柱体与滚道表面的接触变形,计算其与表面微结构的干涉深度,确定滚柱与滚道表面的真实接触面积。利用Archard磨损理论建立滑块滚道磨损量预测模型并进行试验验证,分析表面微结构几何特征及载荷、跑合行程、跑合速度等磨损工况对磨损量的影响。最后,分别以滑块滚道表面磨削质量及精磨阶段磨削时间为优化目标求解最优的磨削工艺。开展以砂轮修整进给速度、修整深度和砂轮线速度为主的三因素三水平砂轮修整正交试验,采用极差和方差分析各修整工艺参数对滑块滚道表面粗糙度影响的主次顺序及最优水平,获取最优的砂轮修整工艺参数组合。对比优化前的砂轮修整工艺,最优工艺参数修整的砂轮磨削的滑块滚道表面粗糙度值由0.257μm减小到0.199μm。同时,以磨削深度、进给速度和砂轮线速度为主要磨削工艺参数进行滑块滚道精磨阶段的单因子磨削试验,分析各工艺参数对滑块滚道表面形貌参数及表面微结构几何特征的影响。以表面粗糙度为因变量,采用自回归移动平均模型进行数据预测,并考虑各因素间的相互作用,建立表面粗糙度的多因素非线性函数模型。分别以表面磨削质量和精磨阶段磨削时间为优化目标,采用粒子群智能算法获取最优工艺参数组合。相比于磨削车间使用的磨削工艺参数,以磨削质量为优化目标的最优工艺参数磨削获取的滑块滚道表面不仅粗糙度降低,其表面微结构的几何尺寸均有减小,且动摩擦因子由0.00604减小为0.00144,可在导轨副磨损过程中缩短磨合时间并提高磨合质量。另一方面,以磨削时间为优化目标的最优工艺参数组合获取的滑块滚道表面粗糙度在符合出厂标准（不大于0.4μm）的前提下,将精磨阶段时间由12.6 min降低为8.0 min,有效地提高了磨削效率。
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