CN108098364A - 一种组合微织构导轨及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合微织构导轨及其制作方法，涉及机床导轨表面处理技术领域。本发明在导轨表面分布的组合微织构，所述组合微织构为微凹坑形貌和微沟槽形貌，所述微沟槽形貌为在微凹坑形貌阵列加工有沿导轨长度方向的连接单个微凹坑形貌的微沟槽。本发明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、能够有效延长导轨寿命、提高综合性能。
Description
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微沟槽连通微凹坑的组合形貌，具体涉及一种表面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，且由于微坑未连通，在软材料脱落后油包被带出，不能及时补油，储油功能丧失，油膜被磨穿后磨损会加剧。
中国专利CN104551701A公开了一种复合微织构导轨，在导轨工作表面加工有序分布的微凹坑与微凸肩构成的复合形貌。虽然微凸肩的存在降低了静摩擦系数和动、静摩擦系数差，一定程度上抑制了爬行现象，但微凸肩使得机床与导轨间存在空隙导致微凹腔内的储油难以被带出形成完整的润滑膜，不具备实际解决技术问题的意义，反而使工作表面易磨损。此外在实际加工过程中既带有凹陷又带有凸起形貌的单一织构的成品率低，加工难度大，成本高。
为减小导轨接触面积，降低织构加工难度，促进润滑油的流动，及时向贫油微凹坑补充润滑油，有效发挥微凹坑的储油、供油功能，持续产生弹性流体动压润滑效应，从而抑制爬行现象。本发明采用激光在静导轨工作表面加工出均匀分布的微凹坑，以及连通微凹坑的微沟槽。微凹坑在机床和导轨相对运动过程中储油和产生动压润滑效应，使得润滑油被带出形成均匀厚度的油膜；微沟槽在机床和导轨相对运动过程中及时为微凹坑补充润滑油，形成类似机械密封领域中的泵送效应，避免因微凹坑贫油导致油膜分布不均甚至磨穿使工作表面磨损，爬行现象加剧。
发明内容
本发明主要针对导轨工作表面易磨损和产生爬行现象，而具有复合形貌的单一织构难加工，且部分形貌织构功能受到限制的问题，提出了一种组合微织构导轨及其制作方法。
本发明采用的技术方案是在导轨承载及相对运动表面加工分布规则的组合微织构，所述组合微织构为微凹坑形貌和和微沟槽形貌，所述微沟槽形貌为在微凹坑形貌阵列加工有沿导轨长度方向的连接单个微凹坑形貌的微沟槽。
上述方案中，所述微凹坑形貌的几何参数为：凹坑直径d=20-500um，凹坑深度h=1-50um，形貌间距k1=100-2000um，形貌面积占有率为S1=1%-40%，所述面积占有率为微凹坑的面积之和与微凹坑织构分布所占导轨表面的面积之比。对经加工出的导轨测试，微凹坑形貌面积占有率S1=6-16%抑制爬行效果最佳。所述微沟槽为直线型槽或弧线型槽，微沟槽形貌的几何参数为：沟槽宽度b=20-300um，沟槽深度h2<微凹坑深度。
实现本发明具体包括以下几个步骤：
步骤1，设计导轨表面组合微织构形貌，微凹坑形貌、以及连通微凹坑的微沟槽组合形貌存在导轨全部行程工作表面。
步骤2，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3，导轨清洁，用干棉布擦拭直到光亮无尘，去除表面灰尘及油污。
步骤3，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面加工织构，采用混合式步进电机控制载有导轨的工作台线位移和角位移，保持激光束不动的加工方式制备阵列微凹坑和连通微凹坑的微沟槽，具体的激光加工参数激光波长532nm，离焦量0mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为10-500 J/cm2，电流为10-25A，无辅吹气体，空气氛围。
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，经由抛光去除激光加工微凹坑和微沟槽时产生的少量熔渣，得到阵列微凹坑以及连通微凹坑的微沟槽组合形貌，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度1500#的软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。
步骤5，经抛光工艺后对导轨表面1进行刮研，粗刮采用长刮刀，刮研行程在10-15mm之间，刀痕宽度，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≤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微凹坑和连通微凹坑的微沟槽组合形貌，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、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）为去除材料加工，形貌易于控制，达到微米级。（5）激光加工效率高，成本低廉。
附图说明
图1为微凹坑织构形貌剖面图。
图2为微沟槽织构形貌剖面图。
图3为微沟槽连通微凹坑的组合形貌示意图。
图4为一种带有微沟槽连通微凹坑的组合形貌的矩形导轨图。
图5为一种带有微沟槽连通微凹坑的组合形貌的三角形导轨图。
图6为一种带有微沟槽连通微凹坑的组合形貌的燕尾形导轨图。
图中：1，导轨表面；2，微凹坑；3微沟槽；4，矩形导轨的动导轨；5，矩形导轨的静导轨； 6，三角形导轨的动导轨；7，三角形导轨的静导轨；8，燕尾形导轨的动导轨；9，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激光器。CA6140普通车床导轨，导轨材料为45号钢，导轨类型为矩形滑动导轨，导轨总长1350mm。
实施例1。本发明实施例提供CA6140普通车床组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，微凹坑2形貌具体几何参数为：凹坑直径D=65um，凹坑深度H=5um，形貌间距k=225um，形貌面积占有率S=5%。微沟槽3形貌具体几何参数：沟槽长度a=100mm，沟槽宽度b=20um，沟槽深度h=5um，沟槽间距c=225um。
步骤2，导轨表面1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1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，导轨清洁，用干棉布擦拭直到光亮无尘，去除表面灰尘及油污。
步骤4，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面激光加工微凹坑2织构和与沿导轨方向连通微凹坑2的直线型微沟槽3，前者具体激光加工参数为激光波长为532nm，离焦量为0mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1.6KHz，激光能量密度为113.23 J/cm2，单脉冲能量为1.6mJ，电流为17A，单脉冲同点间隔加工4次，无辅吹气体，空气氛围；后者具体激光加工参数为激光波长为532nm，离焦量为0mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1.6KHz，激光能量密度为14.15 J/cm2，单脉冲能量为0.2mJ，电流为13.6A，单脉冲同点间隔加工2次，无辅吹气体，空气氛围。
步骤5，激光微造型的后处理工艺，在导轨表面进行抛光处理，经由抛光去除激光加工微凹坑2和微沟槽3时产生的少量熔渣，得到阵列微凹坑2以及连通微凹坑2的微沟槽3组合形貌，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度1500#的软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。
步骤6，经抛光工艺后对导轨表面1进行刮研，粗刮采用长刮刀，刮研行程在10-15mm之间，刀痕宽度，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≤0.8um，即可结束刮研。
实施例2，与实施例1的不同之处在于在导轨表面沿导轨长度方向全程设有布油槽，所述布油槽的形状为三角函数曲线。所述布油槽宽度为t=1-2mm，深度为q=1mm-3mm。采用数控铣床在导轨表面加工三角函数状的布油槽，具体的加工参数为：主轴转速200-600mm/s，进给量10-100mm，切削深度1-3mm。
实施例3，如图5所示，本发明的组合微织构形貌应用于三角形导轨的静导轨7上，对 应的是三角形导轨的动导轨6。
实施例4，如图6所示，本发明的组合微织构形貌应用于燕尾形导轨的静导轨9上，对 应的是燕尾形导轨的动导轨8。
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 (12)
1.一种组合微织构导轨，其特征在于，在导轨表面分布的组合微织构，所述组合微织构为微凹坑形貌和微沟槽形貌，所述微沟槽形貌为在微凹坑形貌阵列加工有沿导轨长度方向的连接单个微凹坑形貌的微沟槽。
2.根据权利要求1所述的一种组合微织构导轨，其特征在于，所述微沟槽形貌的几何参数为：沟槽宽度b=20-300um，沟槽深度h2<微凹坑深度。
3.根据权利要求1或2所述的一种组合微织构导轨，其特征在于，所述微凹坑形貌的几何参数为：凹坑直径d=20-500um，凹坑深度h=1-50um，形貌间距k1=100-2000um，微凹坑形貌列阵的形貌面积占有率为S1=1%-40%。
4.根据权利要求3所述的一种组合微织构导轨，其特征在于，所述微凹坑形貌列阵的形貌面积占有率为S1=6-16%。
5.根据权利要求1或2所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，在导轨表面沿导轨长度方向全程设有布油槽。
6.根据权利要求5所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述布油槽的形状为三角函数曲线。
7.根据权利要求6所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述布油槽宽度为t=1-2mm，深度为q=1mm-3mm。
8.根据权利要求1—4中任一项所述的一种组合微织构导轨的制作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1）设计导轨表面组合微织构形貌，微凹坑形貌、以及连通微凹坑的微沟槽组合形貌存在导轨全部行程工作表面；
步骤2）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；
步骤3）导轨清洁，用干棉布擦拭直到光亮无尘，去除表面灰尘及油污；
步骤4）采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面加工织构，采用混合式步进电机控制载有导轨的工作台线位移和角位移，保持激光束不动的加工方式制备阵列微凹坑和连通微凹坑的微沟槽，具体的激光加工参数激光波长532nm，离焦量0mm，脉冲宽度0.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为10-500 J/cm2，电流为10-25A，无辅吹气体，空气氛围。
9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤4）在激光加工微凹坑织构阵列后，在导轨表面进行抛光处理，去除激光加工微凹坑时产生的熔渣，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度1500#的软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。
10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，还包括步骤5）：经抛光工艺后对导轨表面1进行刮研，粗刮采用长刮刀，刮研行程在10-15mm之间，刀痕宽度，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≤0.8um，即可结束刮研。
11.根据权利要求8、9或10所述的制作方法，其特征在于，所述步骤2）激光微造型的要求为：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。
12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述步骤4）之后，采用数控铣床在导轨表面加工三角函数状的布油槽，具体的加工参数为：主轴转速200-600mm/s，进给量10-100mm，切削深度1-3mm。
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