低预紧滚动直线导轨副互换性工艺研究

韩军君　戴林波

【摘 要】提出一种针对低预紧滚动直线导轨副实现导轨和滑块组件互换性装配的工艺方法及相应工艺参数，首先计算出钢球直径变化对应的导轨或滑块开档尺寸的理论变化值，同时结合实际经济的机床加工精度，根据微预紧的预紧力允许偏差情况，得出导轨滚道成形磨工艺中导轨的开档尺寸精度，然后在一定可选钢球直径规值范围内，计算并定出滑块滚道成形磨工艺中滑块的开档尺寸精度要求，将按照上述工艺参数加工的滑块与基准导轨按要求预紧力装配成滑块组件，再将滑块组件装到实际生产导轨上，即可实现滚动直线导轨副任意滑块组件与任意导轨在低预紧力场合的互换性装配。

【关键词】滚动直线导轨副；互换性；工艺

中图分类号： TG659 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）25-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.010

0 前言

随着自动化技术的不断发展，滚动直线导轨副由于其高速度、高精度、大载荷等特性，越来越多的应用于各种机电一体化产品，目前国内外各厂家的直线导轨副安装尺寸基本都是按照相同的标准加工，所以滚动直线导轨副做为一个整体，各个厂家之间的产品都是可以互换使用的，相当于是标准件了。而各个厂家直线导轨副的主要零件——导轨与滑块组件之间由于细微结构或者尺寸精度的不一致，基本都是不能相互换的，本文所要研究的是同个厂家同一规格直线导轨副的任意导轨与任意滑块组件之间的互换性，目前国外知名直线导轨厂家如Rexroth、THK以及国内个别厂家可以实现低预紧情况下的任意导轨滑块组件的互换使用，另外有些厂家通过放大间隙量，实现的互换性使用，不在本文研究范围之内，因为放大间隙量虽然有利于互换使用，但是对于直线导轨的精度、可靠性以及寿命都会产生不利的影响。

理论研究方面，杨艳国等[1]对直线导轨副的互换性影响因素进行了一些理论分析，如滚轮、机床等。唐兵仿等[2]分析了要实现互换性对材料、设备、检验以及装配的要求，并经验性的提出了零件的精度要求。实际生产中，由于直线导轨副是通过钢球直径换大过盈以实现不同的预紧力，一般几个微米的变化，就会使预紧力由轻预紧变成重预紧，所以要在规定预紧力下实现任意导轨和滑块组件的互换性，就要求导轨和滑块的开档尺寸都至少保持在0.004mm内，而实际上由于机床的热稳定性、机床返向间隙、滑块多件加工的摆放位置不同、测量误差等，都会导致尺寸超差，一天之中精度波动明显。本文通过理论分析，并结合实际经济的机床加工精度以及经济库存的可选钢球规值范围，提出了以滑块组件形式，通过与基准导轨安装，实现导轨和滑块组件互换的工艺方法，并得出了导轨开档尺寸公差要求和滑块开档尺寸公差要求这些具体的加工工艺参数，即可以让加工精度更加经济，又可以实现实际任意的导轨和滑块组件互换使用。

1 导轨滑块开档尺寸与钢球直径关系

所谓导轨、滑块的互换性，就是指任意导轨、滑块互换后其预紧力等级仍旧不变或者说预紧力变化在规定的公差值以内，变松或者变紧到跨预紧力等级就不能算是互换，一般预紧力越高对尺寸的变化越敏感，重预紧的时候，钢球直径上一档或者下一档直径预紧力等级就不一样，即导轨和滑块的开档尺寸误差综合不能超过0.002mm（一般钢球直径以0.002mm一档分类包装和销售），目前来讲实际生产中很难实现，所以本文研究的是低预紧滚动直线导轨副的互换性。

由于直线导轨副预紧力的变化就是钢球与导轨滑块尺寸过盈量的变化，所以要研究预紧力的变化规律，必须要知道导轨、滑块滚道开档尺寸（如图1）变化对应钢球直径变化的理论数值。

图1 導轨滑块开档尺寸

图2 钢球与导轨滑块理论接触状态

理论上，以30规格为例，假设当钢球尺寸刚好为φ5.556mm，导轨滑块滚道开档尺寸公差刚好为0，此时钢球与导轨、滑块滚道是刚好45度接触，钢球与导轨、滑块理论上既无间隙也无过盈，如上图2所示。

实际生产中，导轨、滑块开档尺寸肯定会存在误差，这里通过三维软件做图法模拟当导轨或滑块开档尺寸发生变化时，为保证钢球和导轨滑块同样无间隙且无过盈（即保证预紧力不变化），钢球直径的相应理论变化数值，如下图3所示。

图3 三维模拟图

最终得出导轨或滑块滚道开档尺寸变化对应钢球直径的变化关系，如下图4：

图4 钢球直径对应导轨或滑块开档变化关系

2 确定工艺方法及导轨精度参数

由于预紧力越大对导轨滑块以及钢球直径尺寸的变化越敏感，对于微预紧等级的直线导轨副，由经验或试验均可知，钢球直径最多只能变化一档（即0.002mm），才能保证预紧力等级不变，由上述图4可知，钢球直径变化0.002mm，对应到导轨或滑块滚道单边开档尺寸变化为0.00286mm，得出总的滚道开档尺寸误差为0.0057 mm，即导轨和滑块滚道的开档尺寸综合误差不能超过0.0057mm，如果单独分别控制导轨和滑块的精度，仍然有不小的难度。

考虑到实际使用中互换性的应用，只要把带着钢球的滑块组件与不同的导轨互装，预紧力都保持一致即可视为达到互换性，故采取以下方式：

（1）首先测量挑选出基准导轨（滚道开档尺寸在±0.001以内）；

（2）根据基准导轨安装滑块组件，组成微预紧等级的导轨副；

（3）再将滑块组件安装到按一定精度制造的导轨上组成按订单生产的产品。

按照上述装配工艺方法，唯一影响预紧力变化的是实际使用的导轨和基准导轨滚道开档尺寸之间的误差。由上述可知要实现微预紧的互换性，开档尺寸误差不能超过0.0057mm，即实际加工的导轨与基准导轨误差不能超过0.0057mm，故可确定导轨开档尺寸的加工精度要求为±0.0047 mm，结合机床加工精度，四舍五入，这里导轨滚道开档尺寸公差取值±0.005mm。

同时，为确保导轨滚道开档尺寸加工精度，需进一步统一导轨测量面位置、滚轮以及测量用的千分尺的校准块，因为如果有些导轨开档尺寸是按照上方的两侧面测量的，有些是按照下方的两侧面测量的，这样会由于导轨垂直度的误差，导致使用不同测量位置的导轨开档尺寸有至少2～3μm的误差，如下图5所示：

图5

另外国产滚轮的一致性并没有像进口滚轮那么好，同种规格的不同滚轮也会存在2～3μm的误差，还有千分尺的校准块，经实际检查，不同千分尺的校准块也会有2～3μm的误差，所以只有同时管控好上述因素，才能更好的保证实际生产的导轨开档尺寸精度在±0.005mm。

3 确定滑块精度参数

滑块开档尺寸精度的确定，主要结合钢球直径不同范围（一般钢球直径以0.002mm一档分类）备货的经济性以及滑块磨机床的加工精度的经济性。因为滑块只要和钢球组成滑块组件装到标准导轨上保证在微预紧力范围内即可，如果钢球可换的直径范围太多，会导致库存太大，如果钢球可换的直径范围太少，就需要滑块的开档尺寸精度更高，而实际滑块的加工由于是几件一起加工，存在因摆放位置不同的误差，而且滑块开档为内凹槽间距，不方便在线测量，所以其开档尺寸精度要比导轨更难控制。所以综合考虑，确定采购钢球的直径范围为-6μm～+6μm。

按照上述装配工艺方法，滑块安装钢球始终是使用基準导轨，不同滑块的开档尺寸误差，需要选配不同直径的钢球来保证预紧力，由于钢球直径的范围为-6μm～+6μm，即钢球直径变化0.012mm，根据图4关系来反推，钢球直径变化0.012mm对应到滑块单边开档尺寸变化为0.017mm，得出滑块总的开档尺寸误差为0.034mm，即±0.017mm，综合考虑导轨的开档尺寸精度误差以及机床的加工精度，这里滑块开档尺寸精度取值±0.015mm，比较符合目前本公司生产实际。各厂家可根据自身滑块滚道开档尺寸的加工精度确定合适的钢球直径备货范围。

4 结论

通过理论计算并采用基准导轨装配滑块组件的方式，确定了具体的导轨滑块加工精度，在相对经济的加工精度以及合理的钢球直径备货条件下，实现了应用最广泛的微预紧等级的滚动直线导轨副任意导轨和任意滑块组件的互换使用，极大方便了产品的批量生产以及售后服务。

【参考文献】

[1]杨艳国，王爱荣.滚动直线导轨互换性技术研究[J].金属加工，2010（20）：43-44.

[2]唐兵仿，孙健利.精密滚动直线导轨副互换性的实现方法[J].制造技术与机床，2004（6）：82-83.