CN104551701A

CN104551701A - 一种复合微织构导轨

Info

Publication number: CN104551701A
Application number: CN201410414042.XA
Authority: CN
Inventors: 符永宏; 王林森; 康正阳; 符昊; 纪敬虎
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: CN104551701B

Abstract

本发明公开了一种复合微织构导轨的设计方法，通过激光在导轨工作表面主动加工有序分布的复合微形貌，复合微形貌的几何参数为：凹坑直径d=100-500um，凹坑深度h=1-50um，凸肩直径D=50-450um，凸肩高度H=1-70um，微凸起形貌平顶直径为5-550um，面积占有率为15%-65%，形貌间距S=200-1500um。本发明导轨表面的动静摩擦得以平衡，爬行现象得到有效抑制，寿命和稳定性明显提高，加工质量改善。

Description

一种复合微织构导轨

技术领域

本发明涉及一种机床导轨表面处理技术，经激光微加工和抛光工艺，在机床导轨表面形成平顶状复合微形貌，具体涉及一种复合微织构导轨技术在机床产业中的应用。

技术背景

随着科技的进步，复杂精密零件需求量显著增加，精密机床在机械制造业中的地位举足轻重。机床导轨是整机关键组成部分，其性能直接影响到加工精度和机床寿命。机床导轨常见缺陷包括：导轨接触面积大，油膜分布不均，粘着磨损增加；导轨面处于边界润滑状态，磨损加剧；动压或静压导轨表面，油膜又过厚，导轨浮起过高，被加工表面粗糙度增加，精度降低；润滑油中混入灰尘或切屑，造成导轨面的擦伤和磨损；由于润滑油分布不均匀，摩擦力发生突变发生爬行现象。导轨表面粗糙度异常、存在的磨损颗粒、发生粘着、导轨瞬间启动等都会导致爬行，但归根结底，摩擦力的突然变化是爬行现象的主要因素。

中国专利CN102678751A，公开了一种基体表面带微坑油包的滑动导轨，在导轨基体表面有均匀分布的微坑油包，然后在导轨基体上粘结一层软材料。虽然导轨润滑效果提高，但是软材料会在工作台和滑块的载荷作用下发生的塑性变形，会直接影响被加工零件的表面质量；并且软材料与导轨基体材料的贴合很困难，软材料容易脱落。

中国专利CN201783819U，公开了一种导轨耐磨片，在导轨表层粘结一层聚四氟乙烯，虽然提高导轨的耐磨性，但是聚四氟乙烯具有“冷流性”，即材料制品在长时间连续载荷作用下发生的塑性蠕变，这种特性在机床导轨上的应用带来一定的限制，不能满足导轨实际工作的需求；聚四氟乙烯是极好的防粘材料，这种性能又使得它与其他钢材的表面粘合极为困难，很容易脱落。

中国专利CN101117654A，采用导轨淬火工艺提高导轨的耐磨性能，但导轨的爬行现象和润滑性能没有得到改善，无法提高机床导轨的综合性能。高精度机床采用的滚动导轨，即便提高导轨的综合性能，但导轨的结构复杂、维修不便、制造成本很高、经济性差。

根据摩擦理论，最大静滑动摩擦力的大小与两物体间的法向反力大小成正比，静摩擦力F₁=f_s×F_N；动摩擦力与接触正压力成正比，动摩擦力F₂=f×F_N。导轨在开始运动瞬间，从静止到运动需要克服最大静摩擦力F₁的最大值，而由于静摩擦系数大于动摩擦系数，在接触正压力不变的前提下，动、静摩擦力发生变化，导致了运动部件的突然蹿动，产生了导轨的爬行现象。由于静摩擦系数与静止接触时间有关，随着接触时间的增加使静摩擦系数增加，其原因是摩擦表面在法向载荷的作用下，粗糙峰彼此嵌入并产生很高的接触应力和塑性变形，使实际的接触面积增加，随着静止时间延长，相互嵌入和塑性变形程度都加强。而经本方法处理后的导轨表面，粗糙峰嵌入的机率大为降低，静摩擦系数降低，动、静摩擦系数趋于一致，爬行现象得到抑制。

复合微形貌周围的微凹坑能够起到收集导轨表面磨粒和灰尘的效果，避免导轨表面被划伤和破坏，微凹坑还能够储存润滑油，避免导轨发生缺油现象。采用平顶状复合微形貌，能够避免微凸起尖端划伤导轨表面，缩短导轨磨合时间。激光微加工过程中会产生激光硬化作用，使复合微形貌周围组织变为高碳马氏体和残余奥氏体，即激光淬火处理，激光淬火较传统淬火强化处理工艺有硬度高、耐磨性好等优点；平顶状复合微形貌与普通尖顶状复合微形貌相比，其轮廓的支撑长度率高，轮廓的支撑长度率是评定零件表面耐磨性能的指标，平顶状复合微形貌提高导轨的耐磨性。

发明内容

本发明公开了一种非接触式加工，不会对材料产生机械挤压或机械应力的复合微织构导轨及其制作方法。

本发明采取的技术方案为：一种复合微织构导轨，在导轨承载及相对运动表面加工分布规则的复合微形貌，所述复合微形貌同时具有微凹腔和微凸起。

上述方案中，所述复合微形貌为火山口型，所述的火山口型为中间凹周围凸的复合微形貌，具体形貌几何参数为：凹坑直径d=100-500um，凹坑深度h=1-50um，凸肩高度H=1-70um，微凸起形貌平顶直径为100-550um，形貌间距S=200-1500um。

上述方案中，所述复合微形貌为球冠型；所述的球冠型为中间凸周围凹的复合微形貌，具体形貌几何参数为：凹坑直径d=100-500um，凹坑深度h=1-50um，凸肩直径D=50-450um，凸肩高度H=1-70um，微凸起形貌平顶直径为5-500um，形貌间距S=200-1500um。

上述方案中，复合微形貌只存在于部分导轨表面，根据导轨表面各区域磨损量的不同将导轨表面分为轻度磨损区域、中度磨损区域和重度磨损区域，轻度磨损区域的微形貌面积占有率为15%-30%，中度磨损区域的微形貌面积占有率为30%-45%，重度磨损区域的微形貌面积占有率为45%-65%，所述面积占有率为凹坑直径圆的面积比上形貌间距的平方。

实现本发明具体包括5个步骤：

步骤1，导轨表面进行前处理磨削工艺，使导轨表面粗糙度和几何公差达到激光微造型的要求：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度Rz≤3.2um，直线度和平面度≤0.01um。

步骤2，设计导轨表面复合微形貌，复合微形貌只存在于部分导轨表面，根据导轨表面各区域磨损量的不同将导轨表面分为轻度磨损区域、中度磨损区域和重度磨损区域，轻度磨损区域的微形貌面积占有率为15%-30%，中度磨损区域的微形貌面积占有率为30%-45%，重度磨损区域的微形貌面积占有率为45%-65%，面积占有率为凹坑直径圆的面积比上形貌间距的平方。

步骤3，激光加工导轨表面，具体的激光加工参数：激光波长532nm或1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为：10⁴-10⁶W/cm²，辅助气体为氮气，辅助气体吹气角度与工件法向呈0°-60°，加工完成后在导轨表面形成表面硬化层，表面硬化层的厚度为20-100um。

步骤4，激光微造型的后处理工艺，在导轨表面进行抛光处理，经由抛光去除复合微形貌顶部的尖峰，得到平顶状微凸起形貌，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度320#的中软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。

步骤5，经抛光工艺后对导轨表面进行刮研，粗刮采用长刮刀，刮研行程在10mm-15mm之间，刀痕宽度10mm，刮刀痕迹顺向，成片不重复，当表面粗糙度Ra≤0.8um结束粗刮；细刮就是采用短刮刀，刮研行程在10-12mm，刀痕宽度6mm，细刮必须定向进行，当直线度和平面度均要求≤0.01um，表面粗糙度Ra≤0.8um，即可结束刮研。

本发明的优势在于：（1）在机床导轨表面加工平顶状复合微形貌，主要解决了导轨的爬行现象，改善润滑性能，同时提高导轨耐磨性、降低导轨磨合期，能够有效延长导轨寿命、提高综合性能。（2）非接触式加工，不会对材料产生机械挤压或机械应力。（3）加工热量小，导轨无热变形；（4）加工形貌达到微米级；（5）成本低廉。

附图说明

图1球冠型微复合微形貌图。

图2火山口型复合微形貌图。

图3平顶状球冠型复合微形貌图。

图4平顶状火山口型复合微形貌图。

图5一种带有球冠型复合微形貌的滑动导轨表面形貌图。

图6一种带有火山口型复合微形貌的滑动导轨表面形貌图。

图7一种带有复合微形貌的矩形导轨图。

图8是一种带有复合微形貌形貌的三角形导轨图。

图9是一种带有复合微形貌的燕尾形导轨图。

图10 CA6140普通车床矩形滑动导轨复合微形貌二维分布图。

图中：1，微凸起；2，导轨表面；3，微凹腔；4，形貌间距S；5，凹腔深度h；6，凸肩高度H；7，凸肩直径D；8，凹腔直径d；9，微凸起形貌平顶直径；10，矩形导轨的动导轨；11，矩形导轨的静导轨；12，平顶状复合微形貌；13，滑动导轨润滑介质；14，硬化层；15，三角形导轨的动导轨；16，三角形导轨的静导轨；17，燕尾形导轨的动导轨；18，燕尾形导轨的静导轨。

具体实施方式

下面以CA6140普通车床导轨为例对本发明的具体实施进行说明。

激光加工设备选用二极管泵浦YAG激光器。

CA6140普通车床导轨，导轨材料HT300，导轨类型为矩形滑动导轨。

CA6140普通车床具体参数：床身回转直径400mm，最大工件长度750mm，最大车削长度650mm，主机轮廓尺寸（长×宽×高）2418mm×1000mm×1267mm,尾座导轨长度350mm，溜板箱导轨长度340mm，导轨总长1350mm。

实施例一。

本发明实施例提供CA6140普通车床复合微织构导轨制备方法，步骤为：步骤1，CA6140普通车床，导轨类型为矩形滑动导轨，复合微形貌类型选用球冠状，微形貌具体参数：凹坑直径8d=100-500um，凹坑深度5h=1-50um，凸肩直径7D=50-450um，凸肩高度6H=1-70um，微凸起形貌平顶直径9为5-500um，形貌间距4S=200-1500um，复合微造型的面积占有率15%-65%。

步骤2，导轨表面2进行激光微加工之前需要经过前处理工艺，前处理工艺采用磨削加工，使导轨表面2精度达到激光微加工的要求，表面粗糙度参数：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度Rz≤3.2um，几何公差：直线度和平面度均要求≤0.01um。

步骤3，导轨表面2复合微形貌分区优化设计，如图10所示车床导轨分区图，由于车床导轨纵向两端有一段距离为导轨工作盲区，此部分为轻度磨损区a区，其形貌分布区域为导轨纵向两边缘位置向导轨中间偏移100mm，复合微形貌具体参数为：凹坑直径8d=100-500um，凹坑深度5h=1-50um，凸肩直径7D=50-450um，凸肩高度6H=1-70um，微凸起形貌平顶直径9为5-500um，形貌间距4S=200-1500um，面积占有率为15%-30%；由于车床加工过程中溜板箱移动轨迹集中在靠近车头箱部分，因此车床导轨磨损严重区为靠近车头箱部分，此部分为重度磨损区b区，其形貌分布沿导轨纵向长度为755mm，复合微形貌具体参数为：凹坑直径8d=100-500um，凹坑深度5h=1-50um，凸肩直径7D=50-450um，凸肩高度6H=1-70um，微凸起形貌平顶直径9为5-500um，形貌间距4S=200-1500um，面积占有率为45%-65%；靠近尾座部分的导轨磨损较少，此部位为中度磨损区，其形貌分布沿导轨纵向长度为395mm，复合微形貌具体参数为：凹坑直径8d=100-500um，凹坑深度5h=1-50um，凸肩直径7D=50-450um，凸肩高度6H=1-70um，微凸起形貌平顶直径9为5-500um，形貌间距4S=200-1500um，面积占有率为30%-45%；因此，导轨表面复合微形貌主要分为三个区域，a区为导轨纵向两边缘部分，b区为靠近车头箱部分，c区为靠近车床尾座部分。

步骤4，采用二级管泵浦YAG激光器，激光加工的参数为：激光波长532nm或1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为：10⁴-10⁶W/cm²，辅助气体为氮气，辅助气体吹气角度与工件法向呈0°-60°。

步骤5，激光微加工的后处理工艺，即在导轨表面2进行抛光处理，经由抛光去除复合微形貌顶部的尖峰，得到平顶状微凸起形貌12，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度320#的中软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。

步骤6，经抛光工艺后对导轨表面2进行刮研，粗刮采用长刮刀，刮研行程在10mm-15mm之间，刀痕宽度10mm，刮刀痕迹顺向，成片不重复，当表面粗糙度Ra≤0.8um结束粗刮；细刮就是采用短刮刀，刮研行程在10-12mm，刀痕宽度6mm，细刮必须定向进行，当直线度和平面度均要求≤0.01um，表面粗糙度Ra≤0.8um，即可结束刮研。

实施例二。

实施例二与实施例一的不同之处在于，复合微形貌类型为火山口型，火山口型为中间凹周围凸的复合微形貌，具体形貌几何参数为：凹坑直径8d=100-500um，凹坑深度5h=1-50um，凸肩高度6H=1-70um，微凸起形貌平顶直径9为100-550um，形貌间距4S=200-1500um，复合微造型的面积占有率15%-65%。

实施例三。

实施例三，如图7所示，本发明复合微形貌应用于三角形导轨的静导轨16上，对应的是三角形导轨的动导轨15。

实施例四。

实施例四，如图8所示，本发明复合微形貌应用于燕尾形导轨的静导轨18上，对应的是燕尾形导轨的动导轨17。

上述实例只是为了说明本发明，而不是对本发明进行限制，对本发明所作的修改和改变，都应在本发明的保护范围。

Claims

1.一种复合微织构导轨，其特征在于，在导轨承载及相对运动表面加工分布规则的复合微形貌，所述复合微形貌同时具有微凹腔（3）和微凸起（1）。

2.根据权利要求1所述的一种复合微织构导轨，其特征在于，所述复合微形貌为火山口型，所述的火山口型为中间凹周围凸的复合微形貌，具体形貌几何参数为：凹坑直径（8）d=100-500um，凹坑深度（5）h=1-50um，凸肩高度（6）H=1-70um，微凸起形貌平顶直径（9）为100-550um，形貌间距（4）S=200-1500um。

3.根据权利要求1所述的一种复合微织构导轨，其特征在于，所述复合微形貌为球冠型，所述的球冠型为中间凸周围凹的复合微形貌，具体形貌几何参数为：凹坑直径（8）d=100-500um，凹坑深度（5）h=1-50um，凸肩直径（7）D=50-450um，凸肩高度（6）H=1-70um，微凸起形貌平顶直径（9）为5-500um，形貌间距（4）S=200-1500um。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种复合微织构导轨，其特征在于，复合微形貌只存在于部分导轨表面（2），根据导轨表面（2）各区域磨损量的不同将导轨表面（2）分为轻度磨损区域、中度磨损区域和重度磨损区域，轻度磨损区域的微形貌面积占有率为15%-30%，中度磨损区域的微形貌面积占有率为30%-45%，重度磨损区域的微形貌面积占有率为45%-65%，所述面积占有率为凹坑直径（8）圆的面积比上形貌间距（4）的平方。

5.一种复合微织构导轨的制作方法，包括以下步骤：

A)导轨表面（2）复合微织构工艺之前，需进行磨削加工，磨削加工后所达到的表面粗糙度参数范围为：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度Rz≤3.2um，几何公差：直线度和平面度均要求≤0.01um；

B)对导轨表面（2）进行复合微形貌分布设计，划分磨损区域，不同磨损区域微形貌分布为：重度磨损区微形貌面积占有率为45%-65%，中度磨损区域的微形貌面积占有率为30%-45%，轻度磨损区域的微形貌面积占有率为15%-30%；

C)利用YAG激光器对磨削加工后导轨表面（2）进行复合微形貌加工，具体激光加工参数：激光波长532nm或1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为：10⁴-10⁶W/cm²，辅助气体为氮气，辅助气体吹气角度与工件法向呈0°-60°，加工表面硬化层（14）的厚度为20-100um；

D)激光微造型的后处理工艺，在导轨表面（2）进行抛光处理，经由抛光去除复合微形貌顶部的尖峰，得到平顶状微凸起形貌（12），抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度320#的中软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s；

E)根据权利要求1、2或3所述的一种复合微织构导轨，其特征在于经抛光工艺后对织构化导轨表面（2）进行刮研；粗刮采用长刮刀，刮研行程在10mm-15mm之间，刀痕宽度10mm，刮刀痕迹顺向，成片不重复；细刮采用短刮刀，刮研行程在10-12mm，刀痕宽度6mm，细刮必须定向进行。