床身蠕变下的精密滚动直线导轨副运动精度丧失的机理研究

The fundamental researches on the motion precision losing process and mechanism of precision roller linear guide pairs and high-precision machine tools are developed, aiming at the precision retaining ability for domestic precision roller linear guide pairs on the creeping bed of machines. The relative movement characteristic, stress and deformation distribution between the balls, slider block and guide considering the influence of the bed being out of shape will be studied. Combining the precision retaining experiments with the microscopic analytical method, based on the analysis of the stress and deformation distribution in the linear guide pairs, the friction and wear processes of a precision roller linear guide pair will be explored. Extrapolation algorithms are used to study the precision degradation law under the different deformation of bed（such as global deformation, local deformation, dimensional change, etc.）. The pivotal and susceptibility factors causing the losing of the motion and pose precision of roller linear guide pairs will be found out. The methods to reduce the internal stress and deformation in the creeping bed of machines will be discussed. The ways of structural optimization of the components in linear guide pairs to improve their accuracy will be explored. The research results will provide a theoretic support to forecast the motion and pose precision of roller linear guide pairs on a creeping bed. The project has an important value to improve the retaining ability of precision roller linear guide pairs and high-precision machine tools.

针对国产精密滚动直线导轨副及精密机床急需解决的精度保持性这一共性技术问题，开展床身蠕变下滚动直线导轨副运动精度丧失的机理的基础研究。研究床身缓慢变形时滚动直线导轨副滚珠、滑块与导轨在传动过程中的相对运动与应力分布及变形云图的变化；结合微观表面实验和精度保持性实验方法，基于床身蠕变引起的导轨副内部受载变化情况，分析床身蠕变下导轨副在使用过程中的摩擦磨损的过程。应用外推算法，探索床身蠕变后导轨副运动精度变化及退化的过程和规律。研究不同的床身变形（整体或局部翘曲、弯曲、扭转及几何尺寸变化等）对直线导轨副运动精度变化的影响大小及其规律，找出引起导轨副精度丧失的床身形变的关键和敏感因素。探讨减小床身内应力，降低蠕变的方法。探索如何通过导轨副内部结构的优化来提高其精度保持性的途径。研究成果为预测床身蠕变时直线导轨副的运动精度变化和丧失提供理论支撑，对提高国产精密滚动直线导轨副及精密机床精度保持性具有重要价值。

床身铸造后内应力消除不足引起蠕变是现阶段机械工业快速发展常常遇到的问题，在此床身上的精密滚动直线导轨副及精密机床其精度保持性则是一个重要的关键技术问题。.研究首先分析了典型机床的导轨布局及受力，归纳总结了床身蠕变的型式，对床身蠕变下导轨副内部接触受力进行了研究，推导出了床身蠕变下导轨副内部钢球与滚道间的接触受力计算公式。.进行了无蠕变的理想条件下导轨精度保持性试验，选取典型加载形式，测试跑合过程中滑块顶面相对于导轨安装基准的平行度变化及导轨副的摩擦力变化过程。在试验结束后，对导轨滚道、滑块滚道和钢球的摩擦表面进行了微观形貌及性能检测。用扫描电镜和泰勒表面干涉仪对跑合磨损后的磨损形貌进行观测，探究了滚动直线导轨副的磨损特性。 磨损形貌分析可知，导轨副上滚道、滚珠的磨损大于下滚道的磨损；导轨加减速区的磨损比与匀速区严重；滑块的滚道磨损比导轨严重，滑块滚道近左、右回珠器区有明显不同的磨损形貌。用X射线应力测定仪、显微硬度计、光学显微镜和扫描电镜、能谱仪对导轨副未跑合区、加减速区、匀速区滚道面的残余应力、硬度梯度、金相组织、元素分布进行了检测，探究了滚动直线导轨副滚道的微观性能由于摩擦磨损引起的变化规律。最后，摩擦磨损形貌与精度保持性变化规律进行对比分析，研究导轨副磨损机理及其对精度的影响。.最后，根据导轨副接触受力和磨损机理分析，基于Archard磨损理论，建立床身蠕变下导轨滚道表面磨损模型，结合精度保持性试验数据进行模拟仿真验证。考虑外加载荷及滑块安装距离的影响，运用所建立的磨损模型，分析床身蠕变尺寸与导轨磨损量的关系。结合理想条件下导轨副的精度变化规律及磨损模型，预测床身蠕变下导轨副的精度变化规律。结果发现，床身沿长度方向的蠕变时，剧烈磨损期变长，摩擦力衰减速度加快，完全丧失精度的里程将提前。床身沿宽度方向发生蠕变时，稳定磨损期波动频繁，运行较不稳定。