CN102209855A - 直线导轨及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适合于与滑块(12)协同操作的直线导轨(10)。借助于滚动元件(14)来获得在直线导轨和滑块之间的接触。导轨由拉制钢制成并且包括孔(18)和滚道(16)，孔(18)用于操作性的装配，滚道(16)适合于与滚动元件接触。借助于磨具来使滚道的表面平滑。使用氮化、后氧化和微润滑过程来处理导向装置的表面。

Description

直线导轨及其制造方法
描述
本发明涉及直线导轨(linear guide rail)并且具体地涉及适合于负载的直线运动的导轨。
结合工业自动化、生物医学装置或类似物，利用直线导轨来移动负载例如机械的部件是已知的。
不同类型的直线导轨是已知的。与本发明的直线导轨相似的已知的直线导轨通常包括金属部分，金属部分沿一路径延伸，负载沿该路径移动。滑块，其适合于接收安放在其上的负载，沿所述部分自由移动。借助于滚动元件例如轮子、球、滚子或类似物提供了滑块和导轨之间的接触。轮子则优选地安装在滚动轴承上。
相当普通的例子是其中滑块包括许多轮子且导轨包括适合于与轮子接触的滚道的例子。
在该情况下，因此通过使轮子和直线导轨之间接触的表面，全部负载被转移。由于这样的表面经常是相当小的并且滑块沿导轨的运动是相当频繁的，所以必须使轮子保持在其上的滚道在表面上硬化。
在下面描述用于制造导轨的已知的方法。
粗成形的导向装置(rough-formed guide)是具有所期望的横截面和高达4米的长度的拉制部分。粗成形的导向装置由钢制成，优选地由C43、C50或100Cr6制成。
第一步骤是增大滚动元件的滚道的表面硬度。该步骤通常是借助于感应(induction)来表面回火。通常，除了硬化滚道之外，回火步骤具有弯曲、翘曲和/或扭曲导轨的效果。
因此，第二步骤是第一矫直导轨。通常通过使导轨穿过以各种有用的方向定向的一系列滚子来执行该矫直操作。
第三步骤是洗涤导轨，该步骤是必要的，以便能够去除由回火步骤产生的残留的油。
第四步骤是对导轨进行喷砂。
第五步骤是对导轨钻孔，该步骤是必需的，以提供用于操作性的装配(operational assembly)的固定点。在该步骤期间，孔破坏了纤维的连续性，从而改变使导轨保持直的内应力条件。因此，钻孔的附带效应是使导轨再次弯曲的效应。
第六步骤是导轨的电镀，即镀锌，这是必须的，以确保充分的腐蚀防护。
然后第七步骤是进一步矫直导轨。可以借助于两个可选择的方法来执行该矫直操作：借助于手动操作机械或借助于自动操作机械。通过将合适的弯曲力矩施加到导轨的弯曲部分而使这些机械起作用。
第八步骤是滚道的磨削。在该步骤期间，表面磨蚀改变使导轨保持直的内应力条件。因此，磨削的附带效应再次是使导轨略微弯曲的效应。
因此，第九且最后的步骤是进一步手动矫直导轨。
从上述描述，本领域技术人员可容易理解，大量的连续的机械加工操作本身如何需要大量的工作，需要处理导轨、移动导轨、定位导轨等。
特别地，清楚的是，如何从基本上直的制品例如拉制部分开始，有必要地花费大量的时间和能量以再次得到同样直的制品(导轨)。
而且，上文描述的一些机械加工操作例如第七步骤期间的手动矫直，可能需要专业人士花费大量的时间。这导致制造导轨的相当大的成本。
除了生产成本之外，还必须考虑为了购买用于完成上文描述的所有机械加工步骤所需要的机械和/或装置所需要的巨大的费用(outlay)。应注意，除了通常在工业中使用的机械之外，可能还存在为该具体用途而专门生产的机械，例如可在第七步骤期间使用的自动矫直机械。这些机械，还鉴于它们的复杂性，可能需要非常大的费用。
因此，本发明的目的是至少部分地克服上文关于现有技术所提到的缺点。
特别地，本发明的一个任务是提供一种允许大量减少工作量和导轨的机械加工初始所需要的费用的制造直线导轨的方法。
本发明的另一任务是提供具有比得上或优于已知类型的导轨的机械特性的机械特性和具有更低的制造成本的直线导轨。
通过根据权利要求1的直线导轨和通过根据权利要求5的制造直线导轨的方法来实现上述目的和任务。
参考附图，从下文提供的作为非限制性示例提供的许多实施方式的示例的描述，将呈现本发明的特有特征和另外的优势，附图中：
-图1示出了根据本发明的导轨和滑动地安装在其上的相关的滑块的实施方式的透视图；
-图2示出了与图1的视图类似的视图，其中为了更大的清晰度，滑块已经被移走；
-图3示出了根据图2的导轨的侧视图；
-图4示出了沿图3的线IV-IV的横截面图；
-图5示出了根据图2的导轨和相关的滑块的前视图；
-图6借助于框图以示意图形式图示了用于得到根据现有技术的直线导轨的方法；
-图7借助于框图以示意图形式图示了用于得到根据本发明的直线导轨的方法；
-图8以示意图形式示出了硬度级数对根据现有技术的滚道的厚度和根据本发明的滚道的厚度绘制的曲线；
-图9示出了根据本发明的导轨和滑动地安装在其上的相关的滑块的另一个实施方式的透视图；
-图10示出了根据图9的导轨的横截面图；
-图11示出了根据本发明的导轨和以三种不同的配置滑动地安装在其上的相关的滑块的另外的实施方式的部分剖面；
-图12示出了根据本发明的导轨和滑动地安装在其上的相关的滑块的另外的实施方式的侧视图；
-图13示出了沿图12的线XIII-XIII的横截面图。
参考附图，10表示根据本发明的用于移动负载的完整的直线导轨。导轨10适合于与滑块12协同操作。借助于滚动元件14来提供导轨10和滑块12之间的接触。
导向装置10，由拉制钢制成，包括滚道16和孔18，滚道16适合于与滚动元件14接触，孔18用于所述导轨10的操作性的装配。借助于磨具(abrasive tool)来使滚道16的表面平滑，并且借助于氮化/氧化过程和微润滑过程来处理导轨10的表面。
具体参考图1，现定义将用于详细描述的参考系统。纵向方向被定义为平行于导轨10的轴的方向。该方向在图1中用“1”表示。轴向方向被定义为平行于滚动元件14的旋转轴的方向。该方向在图1中用“a”表示。最后，垂直方向被定义为垂直于纵向方向和轴向方向的方向。该方向在图1中用“p”表示。
根据本发明的直线导轨10由拉制钢制成。优选地，使用具有在约0.15％至0.24％之间的碳含量、具有在约0.95％至1.35％之间的铬含量和具有在约1.04％至1.64％之间的锰含量的氮化钢或表面硬化钢。已证明特别地适合于实施本发明的钢是根据标准UNI EN ISO 7846-78被定义为20MnCr5的钢。
在附图1至附图5的实施方式中，单一导轨10具有完整C形的横截面；滑块12被设计成位于“C”的内部并具有依靠在“C”的两个凸缘上的轮子。带轮的滑块12可以沿导轨10执行行进行程(travel stroke)，该行程在长度方面不是预先确定的。
在附图9和附图10的实施方式中，单一导轨10具有完整C形的横截面；滑块12被设计成位于“C”的内部并具有两连串球，该球被适当地限制在笼(cage)20的内部并依靠在“C”的两个凸缘上。在该实施方式中，笼20和球与滑动器12一起沿导轨10移动，沿滑块行进的距离的一半行进。按照该解决方案，因此有必要提供具有等于滑块12沿导轨10的最大工作行程的一半的长度的笼20。
按照图12和图13示出的实施方式，球以本身已知的方式沿滑块12内部的闭合路径行进。用这种方式，安装球的滑块12可以沿导轨10执行行进行程，该行程在长度方面不是预先确定的。
在其中滚动元件14是球的上述实施方式中，滑块12还包括球的滚道。明显地，按照根据本发明的方法的教导可以有利地制造滑块的滚道。
在附图11的实施方式中，单一导向装置10具有完整的L形的横截面；滑块12被设计成依靠在“L”的灯泡状端部上并具有轮子。
一般而言，导轨10和滑块12的形状必须使得滑块12在纵向方向自由移动，并在轴向方向和垂直方向上被约束。在根据图1至图5、图9、图10、图12和图13的导轨的情况下，通过导轨10的横截面的C形状来确保该类型约束。另一方面，在根据图11的导轨的情况下，通过适当地安装两个L形导轨来确保该类型约束。
按照某些未示出的实施方式，滑块12又可以包括导轨部分，能够支撑负载的另外的滑块安装在该导轨部分上。因此，这以已知的方式生产伸缩导轨。固定的导轨和安装在滑块12上的导轨都是根据本发明的有利的导轨。
借助于滚动轴承(滚子和/或球类型的)优选地将轮子安装在滑块12上。
导轨10包括滚道16，滚动元件14和导轨10之间的接触沿滚道16发生。使用磨具(例如磨轮)来使滚道平滑，以降低摩擦并确保均一且平滑的滑块运动。
导轨10还包括孔，其用于所述导轨的操作性的装配。孔18优选地具有维度(dimension)并基于标准负载P被彼此间隔开，标准负载P在垂直方向必须被导轨10支撑(具体见图5)。
使用结合的氮化和后氧化过程(post-oxidation process)来处理导轨10的外表面。表面的这些热化学处理以本身已知的方式影响表面硬度、磨损/摩擦行为、疲劳强度和耐腐蚀性。
在结合的氮化和后氧化处理(将参考制造方法在下文描述)之后，导轨10达到具有在图8(通过点线)示意地表明的特有级数的表面硬度。图8还示出借助于感应回火在厚度上达到的洛氏硬度的级数(短划线)。
最后，在结合的氮化和后氧化处理之后，导轨10经历微润滑处理，参考用于生产导轨10的方法，还在下文描述了微润滑处理。
这些处理之后，导轨呈现特有的黑颜色并具有增大的耐腐蚀性。
按照某些实施方式，在热化学氮化和后氧化处理之前，借助于平滑或抛光来处理导轨10的表面。根据这些实施方式，导轨10的表面是极其均一的且基本上无粗糙度。
参考用于制造根据本发明的导轨10的方法，该方法包括以下步骤：
-提供由拉制钢制成的粗成形的导轨；
-对导轨钻孔；
-借助于磨具来使导轨的滚道平滑；
-氮化和后氧化；
-微润滑；以及
-矫直导轨。
拉制、钻孔、平滑和矫直步骤是以本身广泛已知的方式执行的步骤。具体地，钻孔、平滑和矫直步骤完全如以现有技术的方法来执行。
氮化和后氧化处理是本身已知的，但为了更充分理解本发明，简短解释是有必要的。
氮化是用于使氮原子扩散到金属的表面的方法。在自然界，分子氮是非常普通的；它是化学惰性的并具有太大以致不能穿入金属的晶格的尺寸。为此，各种氮化技术以新生的原子氮的源为目标。
不考虑方法，氮化是用于使氮扩散到金属中的过程，并且一旦单个原子已穿过表面，该扩散就继续，直至温度足够高和直至新生的原子氮被供应到表面上。通常，氮化过程生成两种不同的层：具有在约15μm和30μm之间的厚度的表面层和深层。表面层(还叫做白层)富有Fe2N和Fe4N并且因此是极其硬且脆的。深层还叫做扩散层，并且是氮扩散到晶格中并给予钢其最感兴趣的性能的深层。
各种氮化方法是已知的并且以工业规模被使用：
-(液体)盐浴氮化，其中氮(以及还有碳)源是液体盐；
-等离子体氮化，其中通过电磁场将氮分子(N2)分裂成离子。
-气体氮化，其使用气态的氨(NH3)。
可通过控制氨的离解度或优选地借助于更有效的氮化电势(Kn)的控制来常规地控制气体氮化方法。
后一类型的氮化处理是已经被证明为最适合于实施本发明的处理。该类型的处理由加拿大安大略省伯灵顿的Nitrex Metal Technologies Inc.开发和定义。目前，该处理以名称
Figure BPA00001371477400071
商业上可得。
关联氮化电势(Kn)、温度和处理时间的原理的准确理解和应用形成
Figure BPA00001371477400072
技术的基础。通过控制表面上的氮浓度，可以以实际上独立于形成所期望的扩散层的方式来控制白层的生长。由于该方法，可以满足许多严格的要求并遵守非常小的公差，尤其是关于白层的厚度和性能。
如在图8中可见，通过氮化得到的相对于厚度的值HRC(洛氏C-标尺硬度)的级数具有与通过回火常规地得到的级数不同的级数。事实上，由于在拉制期间发生碳在环境中的扩散，所以回火对钢的外层和表面层没有任何影响。通过氮化提供的硬度反而在外层上更大并且然后沿扩散层逐渐减小。然而，两种氮化处理的效果是相当的，因为用于本文所考虑的应用的最优硬度在约0.25mm的深度处为约55HRC。
如上文所提及的，氮化处理之后是氧化处理。该处理在本文被称为“后氧化”，表示按照预先明确界定的参数在氮化后立即执行该处理。因此，本领域技术人员将理解，该处理不以任何方式类似可能在任何导轨的工作寿命期间出现的其他自发的氧化现象。
后氧化趋于将由氮化引起的白层的最外面部分(3-5微米厚度)转化成复杂的尖晶石结构。该结构主要由Fe3O4(还叫做磁石)类型的氧化铁组成。
该后氧化处理具有改进耐腐蚀性和耐磨损性且降低摩擦系数的效果。除了这些机械效果之外，得到深色或黑色特征的成品(finish)。
与对于氮化一样，在后氧化的情况中，各种方法也是已知的并且以工业规模被使用：
-(液体)盐浴氧化；
-蒸汽氧化；
-在气态气氛中氧化；以及
-离子-放电氧化。
适合于实施本发明的后氧化处理是由加拿大安大略省伯灵顿的Nitrex Metal Technologies Inc.开发和定义的处理。目前，该处理以名称
Figure BPA00001371477400081
商业上可得到。
适合于本发明的第一结合的氮化和后氧化处理由Nitrex Metal Technologies Inc.开发和定义；该处理以名称
Figure BPA00001371477400082
商业上可得到。
适合于本发明的第二结合的氮化和后氧化处理由意大利的Nerviano(MI)的TTN S.p.A.开发和定义；该处理以名称
Figure BPA00001371477400083
商业上可得到。
取决于所使用的钢的类型，使用
Figure BPA00001371477400084
或方法处理的部件在盐雾腐蚀测试(例如，按照标准UNI EN ISO 9227或标准ASTM B117)期间具有优秀的行为。根据本发明的导轨10的样品需要320小时(ISO测试9227)来形成第一锈斑。因此，通过后氧化提供的保护大于通过其他处理例如镀铬、镀镍或镀锌提供的保护。
后氧化处理不显著地改变通过前面的氮化处理赋予钢的特性。特别地，
Figure BPA00001371477400086
处理不显著地改变通过前面的
Figure BPA00001371477400087
氮化处理赋予钢的特性。因此，关于通过氮化(尤其是)赋予钢的性质例如硬度的上述观察仍然还适用于被氮化和后氧化的钢。
Figure BPA00001371477400091
和
Figure BPA00001371477400092
处理是比其他可比较的技术例如盐浴氮化或镀铬更清洁的技术。
用于制造根据本发明的直线导轨10的方法还包括涉及用润滑和抗腐蚀物质对表面层进行微浸渍的步骤。该物质可以是例如具有抗氧化剂添加剂的矿物油。
按照本发明的实施方式，该方法还包括在热化学氮化和后氧化处理之前，涉及导轨10的表面的平滑或抛光的步骤。可以使用磨具(例如刷子)来完成该步骤。
由于该另外的平滑或抛光步骤，后续的热化学处理能够作用于极其均一且基本上无粗糙度的表面。实际上，已注意到，腐蚀优选地在表面上存在甚至最轻微的粗糙度的地方开始。采用所述方法的该最后的步骤，因此可以得到甚至更耐腐蚀的导轨。特别地，在氮化或后氧化之前已经经历抛光的根据本发明的导轨10的样品需要大于500小时(ISO测试9227)来形成第一锈斑。
按照上文所描述的，本领域技术人员可以明白，根据本发明的方法如何能够得到具有优于已知类型的导轨的特性的特性的直线导轨10。而且，采用根据本发明的方法，可以非常迅速地且以较低的初期费用来生产导轨10。特别地，根据本发明的方法充分利用了以下事实：开始制品(starting article)(拉制产品)已经足够直以能够以最优方式执行直线导轨的功能。采用根据本发明的实施方式，可以利用拉制产品的该特有的特征，以便避免在已知方法中需要的所有的中间矫直步骤。单一的最后的矫直操作能够确保根据本发明的导轨10的最优品质。
关于上文描述的直线导轨10的实施方式和用于制造直线导轨10的方法，本领域技术人员为了满足具体的要求，可以对所描述的要素作出修改和/或用等同的要素替代所描述的要素，而不因此偏离所附权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种直线导轨(10)，适合于与滑块(12)协同操作，其中借助于滚动元件(14)实现了所述直线导轨(10)和所述滑块(12)之间的接触，所述导轨由拉制钢制成并且包括：
-孔(18)，其用于操作性的装配，以及
-滚道(16)，其适合于与所述滚动元件(14)接触，所述滚道(16)的表面借助于磨具而被平滑；
其中所述导轨(10)的表面使用氮化、后氧化和微润滑过程来处理。
2.根据权利要求1所述的导轨(10)，其中所述导轨(10)的表面通过使用磨具的平滑或抛光过程来处理。
3.根据权利要求1或2所述的导轨(10)，其中所述滚动元件(14)包括选自包括轮子、安装在滚动轴承上的轮子和球的组中的元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的导轨(10)，其中所述钢是表面硬化钢或氮化钢。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的导轨(10)，其中所述钢是被定义为20MnCr5的钢。
6.一种制造用于移动负载的直线导轨(10)的方法，包括以下步骤：
-提供由拉制钢制成的粗成形的导轨；
-对所述导轨钻孔；
-借助于磨具来使所述导轨的滚道平滑；
-对所述导轨的表面进行氮化和后氧化；
-对所述导轨的表面进行微润滑；以及
-矫直所述导轨。
7.根据前述权利要求所述的方法，其中，在对所述导轨的表面进行氮化和后氧化的步骤之前，执行借助于磨具来使所述导轨的表面平滑或抛光的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，对所述导轨的表面进行氮化和后氧化的步骤包括
Figure FPA00001371477300021
处理或
Figure FPA00001371477300022
处理。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中对所述导轨(10)的表面进行微润滑的步骤包括涉及使用抗腐蚀和润滑物质对表面层进行微浸渍的处理。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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