滑動(dòng)導(dǎo)軌副磨損建模及精度保持性研究.pdf

1、精度及精度保持性是高精度機(jī)床的核心性能。導(dǎo)軌副作為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的核心部件，對(duì)工件的加工質(zhì)量和加工精度起著決定性作用。導(dǎo)軌副的精度及精度保持性能對(duì)整機(jī)的精度保持性能有直接影響?；瑒?dòng)導(dǎo)軌副是最常用的機(jī)床導(dǎo)軌形式之一，作為典型的滑動(dòng)摩擦系統(tǒng)，磨損是引起滑動(dòng)導(dǎo)軌副精度衰減的根本原因。因此，有必要建立滑動(dòng)導(dǎo)軌副的磨損模型，進(jìn)而對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌副的精度保持性能進(jìn)行預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)，以期為我國(guó)制造裝備的精度保持性這一“短板”提供解決方案。
　　盡管已有許多

2、學(xué)者提出了各種描述磨損的物理模型以及預(yù)測(cè)磨損的理論公式，但是將這些磨損模型直接應(yīng)用于工程實(shí)際中往往存在一定的局限或者會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。如何基于滑動(dòng)導(dǎo)軌副實(shí)際工況條件下的磨損規(guī)律和機(jī)制，建立其定量的磨損公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌副磨損的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。為此，本文從滑動(dòng)導(dǎo)軌副接觸表面的細(xì)觀磨損分析出發(fā)，構(gòu)建了滑動(dòng)導(dǎo)軌副的磨損預(yù)測(cè)模型，并對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌副的精度保持性進(jìn)行了理論建模和實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　

3、　(1)利用Taylor Hobson表面粗糙度輪廓儀對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌副試件表面進(jìn)行了形貌測(cè)量，獲得了粗糙表面的三維形貌參數(shù)；利用這些形貌參數(shù)重構(gòu)粗糙表面，建立了粗糙表面的微凸體模型；基于粗糙平面的統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸原理，通過(guò)對(duì)微凸體模型等價(jià)變換，建立了粗糙平面的動(dòng)態(tài)接觸模型，獲取了導(dǎo)軌副滑動(dòng)過(guò)程中表面微凸體的動(dòng)態(tài)接觸參數(shù)。
　　(2)基于粗糙表面的微凸體模型，構(gòu)建了粗糙平面微凸體動(dòng)態(tài)接觸的仿真模型，對(duì)粗糙平面微凸體動(dòng)態(tài)接觸進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果

4、表明，微凸體動(dòng)態(tài)接觸參數(shù)的理論計(jì)算值與仿真值的相對(duì)誤差范圍為2.9％~24.7%，二者吻合良好，從而驗(yàn)證了本文建立的粗糙平面動(dòng)態(tài)接觸模型的合理性。
　　(3)提出了微凸體的平均疲勞損傷的概念，構(gòu)建了微凸體的平均疲勞損傷當(dāng)量的計(jì)算模型，進(jìn)而建立了滑動(dòng)導(dǎo)軌副接觸表面的細(xì)觀疲勞損傷模型，該模型的建立為宏觀磨損模型的建立奠定了重要的理論基礎(chǔ)。利用往復(fù)式疲勞摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)常用的滑動(dòng)導(dǎo)軌副材料——HT200和45鋼試樣進(jìn)行摩擦疲勞實(shí)驗(yàn)研究，

5、獲得了導(dǎo)軌副材料的摩擦疲勞指數(shù)，為導(dǎo)軌副表面磨損的計(jì)算提供了關(guān)鍵參數(shù)。
　　(4)通過(guò)對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌副接觸表面微凸體疲勞損傷破壞進(jìn)行累計(jì)積分，建立了滑動(dòng)導(dǎo)軌副的宏觀磨損模型及其解析計(jì)算公式。該磨損公式反應(yīng)了滑動(dòng)導(dǎo)軌副的磨損量與其工況參數(shù)、表面形貌、材料屬性以及潤(rùn)滑狀況等影響因素之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系。利用萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了大量的銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗(yàn)，研究了HT200-45鋼材料副以及淬火 HT200-淬火45鋼材料副在不同工況參數(shù)以及不同表面潤(rùn)

6、滑狀況下的磨損規(guī)律。分析結(jié)果表明，磨損率的實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差范圍為9%~26%，二者較為吻合，從而驗(yàn)證了本文建立的滑動(dòng)導(dǎo)軌副磨損模型的合理性和適用性。
　　(5)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌副在實(shí)際運(yùn)行工況下的磨損特征與精度衰減間的關(guān)系進(jìn)行了分析，建立了滑動(dòng)導(dǎo)軌副的精度保持性模型。該模型反應(yīng)了導(dǎo)軌副的精度保持壽命與材料屬性、表面形貌參數(shù)、工況參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)以及表面摩擦屬性等因素之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系。
　　(6)設(shè)計(jì)研制了

7、導(dǎo)軌副的精度保持性試驗(yàn)臺(tái)架，該臺(tái)架能模擬導(dǎo)軌副的實(shí)際運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌副精度衰減的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。利用該試驗(yàn)臺(tái)架研究了滑動(dòng)導(dǎo)軌副試件在不同工況條件下的表面精度衰減規(guī)律；精度衰減的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析表明，二者的相對(duì)誤差范圍為6%~22%，從而證明了本文建立的精度保持性模型是合理有效的。在此基礎(chǔ)上，討論了滑動(dòng)導(dǎo)軌副精度保持性模型的應(yīng)用以及提高導(dǎo)軌副精度保持壽命的措施。
　　本文的研究成果可應(yīng)用于滑動(dòng)導(dǎo)軌副精度保持性的