CN109514277B - 一种微纳复合织构导轨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机床导轨表面处理技术，尤其涉及一种微纳复合织构导轨及其制备方法，所述微纳复合织构导轨包括固定导轨和滑动导轨，固定导轨位于滑动导轨下方，滑动导轨可以相对固定导轨往复运动，所述固定导轨与滑动导轨相接触的表面设置有若干个垂直于滑动方向的微织构沟槽，各微织构沟槽之间均匀、交错排列；相应地，在滑动导轨与固定导轨相接触的表面设置有若干个垂直于滑动方向的纳米级织构沟槽，且所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面。本发明在导轨的固定导轨上设置垂直于滑动方向的微织构沟槽，可以存贮润滑油和收集磨屑，在滑动导轨上设置垂直于滑动方向的纳织构沟槽，利于润滑油膜的形成，以达到增强润滑、减小摩擦、提高导轨性能的作用。

Description

一种微纳复合织构导轨及其制备方法

技术领域

本发明涉及机床导轨表面处理技术，尤其涉及一种微纳复合织构导轨及其制备方法。

背景技术

导轨作为机床主要的导向和支承部件，在精密超精密机床中，是最关键的基础部件之一，其精度和性能对于机床的加工精度、生产质量、使用寿命等具有非常重要的作用。而载荷和运动速度变化范围大、运行时间长的特点要求导轨接触表面具有良好的耐磨性能和润滑性能。但是，普通的滑动导轨由于没有形成完全的液体摩擦，摩擦阻力大、低速易爬行，同时磨损大、寿命低、运动精度不稳定。

为提高滑动导轨的性能，现在往往对导轨进行贴塑或镶钢处理。塑料导轨一般具有摩擦系数控小，而且动、静摩擦系数接近且稳定、低速不爬行、耐磨性好、抗咬合能力强、加工性好、耐腐蚀、吸振性好，能在无润滑条件下工作、比重小、化学稳定性高等特点。但也存在刚度低、耐热性差、导热率低、容易蠕变的缺点，只能应用于工作压强不大的环境。而镶钢导轨虽然耐磨性提高，但工艺复杂，成本较高，同时也难于改变接触面润滑条件差的问题。

中国专利文献201420473653.7公开了一种复合微织构导轨的设计方法，通过激光在基体表面加工出有序分布的微凹坑和微凸体复合织构。基体表面复合微织构形貌能一定程度抑制机床导轨的爬行现象，但由于单纯微织构间隙较大，间隙处润滑油无法充分润滑。

中国专利文献201410263779.6公开了一种WS₂/Zr软涂层微纳复合织构陶瓷刀具及其制备方法，在刀具表面加工出不同形貌及尺寸的微纳米织构，并沉积软涂层，纳织构提高了涂层与基体的结合强度，同时微织构捕捉磨屑及与软涂层的自润滑效应共同作用，从而减小刀具的磨损，提高刀具寿命，这一方法为提升导轨性能提供了新的途径。然而，本发明经过试验发现这种微纳复合织构在导轨上的运用存在很大的困难。第一，织构刀具多采用固体润滑剂，固体润滑剂会充满织构沟槽，减小了沟槽引起凹凸不平而带来的影响，而导轨多采用润滑油，需考虑流体作用的影响；第二，刀具与工件及切屑接触区域较小，而导轨面积较大，织构加工特别是纳织构加工成本较高，如何经济的进行加工值得研究；第三，刀具织构面上相对运动速度与导轨不同，需要研究织构参数据与运动的匹配关系。综上，有必要研究一种在导轨上行之有效的微纳复合织构及制备方法，以期至少解决导轨耐磨性能和润滑性能的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在于提供一种微纳复合织构导轨及其制备方法。本发明在导轨的固定导轨上加工有垂直于滑动方向的微织构沟槽，可以存贮润滑油和收集磨屑，而滑动导轨上加工有垂直于滑动方向的纳织构沟槽，利于润滑油膜的形成，以达到增强润滑、减小摩擦、提高导轨性能的作用。

本发明的目的之一是提供一种微纳复合织构导轨。

本发明的目的之二是提供一种微纳复合织构导轨的制备方法。

本发明的目的之三是提供上述微纳复合织构导轨及其制备方法的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种微纳复合织构导轨，包括固定导轨和滑动导轨，固定导轨位于滑动导轨下方，滑动导轨可以相对固定导轨往复运动，所述固定导轨与滑动导轨相接触的表面设置有若干个垂直于滑动方向的微织构沟槽，各微织构沟槽之间均匀、交错排列；相应地，在滑动导轨与固定导轨相接触的表面设置有若干个垂直于滑动方向的纳米级织构沟槽，且所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面。

进一步地，所述微织构沟槽的深度为10-50μm，宽度为20-100μm。

进一步地，所述各微织构沟槽在滑动方向上的间距为200-2000μm。

进一步地，所述固定导轨表面微织构段长度为500-5000μm，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与织构段长度比为1:1-5:1。

进一步地，所述纳米级织构槽深度为10-30nm，宽为10-50nm。

进一步地，所述各纳米级织构槽之间的间距为20-100nm。

进一步地，所述导轨材质为铸铁或淬火钢。优选地，所述铸铁包括HT150灰铸铁、HT200灰铸铁。优选地，所述淬火钢包括高频淬火45号钢。

本发明微纳复合织构导轨的特点是：首先，在固定导轨接触面上设置微织构沟槽增加了存贮润滑油和收集磨屑的空间，同时避免了润滑油的泄露，在此基础上，流体压力会在织构微凹槽处产生压变，有利于承载能力的提升，同时会在滑动速度的作用下，形成有效的动压润滑效应，有利于将润滑剂延展成为均匀的润滑油膜，降低摩擦系数，提高润滑剂油膜的承载能力。其次，本发明在滑动导轨接触面上设置纳织构沟槽增大了表面积，在此基础上，非常有利于吸附膜的产生，而吸附膜尖劈效应可以避免长久静止的两摩擦表面直接接触，因而减小启动摩擦，可以增加承载，减小爬行，能够有效提高导轨的低速性能。另外，在采用上述尺寸的微纳织构沟槽，有利于获得较低的摩擦系数，油膜承受能力高，能够同时保持较高的高速和低速性能。

其次，本发明提供一种微纳复合织构导轨的制备方法，包括以下步骤：

(1)对固定导轨和滑动导轨相互接触的表面进行磨削加工，以获得合适的粗糙度；

(2)通过激光器在固定导轨和滑动导轨相互接触的表面分别加工出微纳织构沟槽，具体为：在固定导轨表面设置垂直于滑动方向的若干微织构沟槽，所述微织构沟槽之间均匀、交错排列；在滑动导轨表面设置垂直于滑动方向的若干纳米级织构沟槽，且所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面；

(3)对导轨表面进行抛光、清洗，即得。

进一步地，步骤(1)中，所述导轨材质为铸铁或淬火钢，优选地，所述铸铁包括HT150灰铸铁、HT200灰铸铁。优选地，所述淬火钢包括高频淬火45号钢。

进一步地，步骤(1)中，所述粗糙度为：固定导轨表面粗糙度Ra≤0.4μm，滑动导轨表面粗糙度Ra≤0.8μm。

进一步地，步骤(2)中，所述微织构沟槽的深度为10-50μm，宽度为20-100μm。

进一步地，步骤(2)中，所述相邻微织构沟槽在滑动方向上的间距为200-2000μm。

进一步地，步骤(2)中，所述固定导轨表面微织构段长度为500-5000μm，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与织构段长度比为1:1-5:1。

进一步地，步骤(2)中，所述纳米级织构槽深度为10-30nm，宽为10-50nm。

进一步地，步骤(2)中，所述相邻纳米级织构槽之间的间距为20-100nm。

进一步地，步骤(3)中，采用丙酮或酒精等有机溶剂对导轨表面进行清洗。

最后，本发明公开了上述微纳复合织构导轨在机床中的应用，以及上述微纳复合织构导轨的制备方法在机床制造中的应用。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)相对于背景技术中的微纳复合织构，本发明进行了如下的改进：第一，改进微织构形状，以更好地发挥存贮润滑油和收集磨屑的作用，避免了直线型微织构会导致润滑油的流失，而凹坑状的织构收集磨屑效率较低的缺点。第二，采用较大的织构间距，降低了微织构加工热影响区较大，对导轨的损伤，同时由于导轨滑动压力与温度相对较小，织构槽不易堵塞，与运动特点相匹配。第三，将纳织构与微织构分离，微织构加工在固定导轨上，利用重力作用存贮润滑油和收集磨屑，而纳织构加工在面积较小的滑动导轨上，通过吸附与流体负压作用与润滑油结合，在实现作用同时有效降低成本。

(2)相比现有技术，本发明不仅在固定导轨表面设置了微织构沟槽，而且这种微织构沟槽采用交错分布线段沟槽构造，这样设置能够显著提高润滑剂与磨屑承载空间，防止导轨重工加载的情况下润滑油被挤出，有利于进一步改善凹槽表面的润滑性能。

(3)相比现有技术，本发明不仅在滑动导轨表面设置了纳织构沟槽，这样设置有利于润滑剂吸附膜的形成，使导轨在低速条件下增加承载，减小爬行，能够有效提高导轨的低速性能。

(4)本发明基于导轨应用目的、承载需求以及运行的特点，调整了微沟槽段宽度、长度、深度和间距，以获得相适应的导轨，是到过获得较低的摩擦系数，油膜承受能力高，从而能够同时保持较高的高速和低速性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明微纳复合织构导轨的结构示意图。

附图中标记分别代表：1-固定导轨，2-滑动导轨，3-微织构沟槽，4-纳织构沟槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，微纳复合织构在导轨上的运用存在刀具与工件及切屑接触区域较小，而导轨面积较大，织构加工特别是纳织构加工成本较高，刀具织构面上相对运动速度与导轨不同，需要研究织构参数据与运动的匹配关系等一系列。为此，本发明提出了一种微纳复合织构导轨及其制备方法；现结合附图及具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

如图1所示，一种微纳复合织构导轨，其制备方法包括如下步骤：

(1)固定导轨1材料采用高频淬火45号钢，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.4μm；采用激光打标机在固定导轨1上表面加工出微米级织构3，所述织构沟槽段长度为4000μm，垂直滑动方向呈一定间隔均匀分布，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与织构段长度比为4:1，深度为40μm，宽度为100μm，相邻微织构沟槽在滑动方向上的间距为2000μm，且相邻微米级织构3之间均匀、交错排列；

(2)滑动导轨2材料采用高频淬火HT200灰铸铁，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8μm；采用飞秒激光在在滑动导轨上加工垂直于滑动方向的纳米级织构，织构槽宽为10nm，深度为10nm，相邻纳米级织构槽之间的间距为20nm，所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面；

(3)对步骤(1)和(2)的固定导轨、滑动导轨的表面进行抛光处理，除去导轨表面熔渣、飞边；然后用酒精对导轨表面进行清洗，完成后进行配副，即得微纳复合织构导轨。

实施例2

如图1所示，一种微纳复合织构导轨，其制备方法包括如下步骤：

(1)固定导轨1材料采用高频淬火HT200灰铸铁，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.4μm；采用激光打标机在固定导轨1上表面加工出微米级织构，所述织构沟槽段长度为500μm，垂直滑动方向呈一定间隔均匀分布，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与织构段长度比为2:1，深度为10μm，宽度为20μm，相邻微织构沟槽在滑动方向上的间距为200μm，且相邻微织构沟槽之间均匀、交错排列；

(2)滑动导轨2材料采用高频淬火HT150灰铸铁，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8μm；采用飞秒激光在在滑动导轨上加工垂直于滑动方向的纳米级织构，所述织构槽宽为20nm，深度为30nm，相邻纳米级织构槽之间的间距为100nm，所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面；

(3)对步骤(1)和(2)的固定导轨、滑动导轨的表面进行抛光处理，除去导轨表面熔渣、飞边；然后用丙酮对导轨表面进行清洗，完成后进行配副，即得微纳复合织构导轨。

实施例3

如图1所示，一种微纳复合织构导轨，其制备方法包括如下步骤：

(1)固定导轨1材料采用高频淬火45号钢，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.4μm；采用激光打标机在固定导轨1上表面加工出微米级织构3，所述织构沟槽段长度为5000μm，垂直滑动方向呈一定间隔均匀分布，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与织构段长度比为5:1，深度为50μm，宽度为80μm，相邻微织构沟槽在滑动方向上的间距为1500μm，且相邻微米级织构3之间均匀、交错排列；

(2)滑动导轨2材料采用高频淬火45号钢，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8μm；采用飞秒激光在在滑动导轨上加工垂直于滑动方向的纳米级织构，织构槽宽为50nm，深度为20nm，相邻纳米级织构槽之间的间距为80nm，所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面；

(3)对步骤(1)和(2)的固定导轨、滑动导轨的表面进行抛光处理，除去导轨表面熔渣、飞边；然后用丙酮对导轨表面进行清洗，完成后进行配副，即得微纳复合织构导轨。

实施例4

如图1所示，一种微纳复合织构导轨，其制备方法包括如下步骤：

(1)固定导轨1材料采用高频淬火HT200灰铸铁，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.4μm；采用激光打标机在固定导轨1上表面加工出微米级织构，所述织构沟槽段长度为2000μm，垂直滑动方向呈一定间隔均匀分布，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与织构段长度比为1:1，深度为30μm，宽度为60μm，相邻微织构沟槽在滑动方向上的间距为800μm，且相邻微织构沟槽之间均匀、交错排列；

(2)滑动导轨2材料采用高频淬火HT150灰铸铁，磨削加工后达到的表面粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8μm；采用飞秒激光在在滑动导轨上加工垂直于滑动方向的纳米级织构，所述织构槽宽为35nm，深度为15nm，相邻纳米级织构槽之间的间距为300nm，所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面；

(3)对步骤(1)和(2)的固定导轨、滑动导轨的表面进行抛光处理，除去导轨表面熔渣、飞边；然后用丙酮对导轨表面进行清洗，完成后进行配副，即得微纳复合织构导轨。

性能测试：

在相同的测试条件下通过计算摩擦系数对实施例1-4的条件下制备的微纳复合织构导轨的摩擦性能进行测试，结果如表1所示；其中，对比例1为没有进行任何处理的导轨，其材质同实施例1；对比例2为仅仅利用实施例2中的方法在固定导轨上制备了微米级织构，其材质同

实施例2；对比例3为仅仅利用实施例3中的方法在滑动导轨上制备了纳米级织构，其材质同实施例3；对比例4为利用实施例4的方法在固定导轨上制备了微米级织构，同时在滑动导轨上制备了与固定导轨一样的微米级织构，其材质同实施例4，以便于验证织构尺寸在同一数量级上时，对固定导轨和滑动导轨之间的减摩性的改善。

试验组	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4
									摩擦系数	0.096	0.091	0.093	0.089	0.202	0.173	0.167	0.156

可以看出，相对于4组对比例得到的摩擦系数，采用本发明方法制备的导轨减摩性的改善更为明显，这在固定导轨接触面上设置微织构沟槽增加了存贮润滑油和收集磨屑的空间之外，还与流体压力会在织构微凹槽处产生压变，有利于将润滑剂延展成为均匀的润滑油膜，降低摩擦系数，以及，本发明在滑动导轨接触面上设置纳织构沟槽增产生的吸附膜的尖劈效应等有很大的关系。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种微纳复合织构导轨，包括固定导轨和滑动导轨，固定导轨位于滑动导轨下方，滑动导轨可以相对固定导轨往复运动，其特征在于：所述固定导轨与滑动导轨相接触的表面设置有若干个垂直于滑动方向的微织构沟槽，各微织构沟槽之间均匀、交错排列；相应地，在滑动导轨与固定导轨相接触的表面设置有若干个垂直于滑动方向的纳米级织构沟槽，且所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面。

2.如权利要求1所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述微织构沟槽的深度为10-50μm，宽度为20-100μm。

3.如权利要求1所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述各微织构沟槽在滑动方向上的间距为200-2000μm。

4.如权利要求1所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述固定导轨表面微织构段长度为500-5000μm，所述垂直滑动方向均匀分布的微织构之间的间隔间距与微织构段长度比为1:1-5:1。

5.如权利要求1所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述纳米级织构沟槽深度为10-30nm，宽为10-50nm。

6.如权利要求1所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述各纳米级织构槽之间的间距为20-100nm。

7.如权利要求1所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述导轨材质为铸铁或淬火钢。

8.如权利要求7所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述铸铁包括HT150灰铸铁、HT200灰铸铁。

9.如权利要求7所述的微纳复合织构导轨，其特征在于：所述淬火钢包括高频淬火45号钢。

10.如权利要求1-9任一项所述的微纳复合织构导轨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对固定导轨和滑动导轨相互接触的表面进行磨削加工，以获得合适的粗糙度；

(2)通过激光器在固定导轨和滑动导轨相互接触的表面分别加工出微纳织构沟槽，具体为：在固定导轨表面设置垂直于滑动方向的若干微织构沟槽，所述微织构沟槽之间均匀、交错排列；在滑动导轨表面设置垂直于滑动方向的若干纳米级织构沟槽，且所述纳米级织构沟槽贯穿滑动导轨表面；

(3)对导轨表面进行抛光、清洗，即得。

11.如权利要求10所述的微纳复合织构导轨的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述粗糙度为：固定导轨表面粗糙度Ra≤0.4μm，滑动导轨表面粗糙度Ra≤0.8μm。

12.如权利要求10所述的微纳复合织构导轨的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，采用有机溶剂丙酮或酒精对导轨表面进行清洗。

13.如权利要求1-9任一项所述的微纳复合织构导轨在机床中的应用。

14.如权利要求11或12所述的微纳复合织构导轨的制备方法在机床制造中的应用。