CN117549134A - 一种导轨的复合润滑结构与其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导轨的复合润滑结构，包括：在导轨表面激光烧蚀数条正弦沟槽微织构、数个多边形凹坑微织构；正弦沟槽微织构延导轨宽度方向烧蚀，数条正弦沟槽微织构等间距烧蚀，波峰与波峰相对、波谷与波谷相对，正弦沟槽微织构的凹槽内填充有MoS2；多边形凹坑微织构烧蚀在相邻两条正弦沟槽微织构的波峰与波峰之间的导轨表面，和波谷与波谷之间的导轨表面，多边形凹坑微织构的凹槽内填充有MoS2。本发明采用正弦形式的微织构和多边形凹坑式的微织构进行配合使用，与光滑表面试样相比，爬行时间减少了72％，平均摩擦系数下降了44.88％；与圆形微凹坑试样相比，爬行时间减少了69.83％，平均摩擦系数下降了30.67％。
Description
技术领域
本发明涉及功能表面技术领域，具体涉及一种导轨的复合润滑结构与其制造方法。
背景技术
导轨作为机床的关键运动零部件，其精度和动态稳定性是高精密加工的前提条件，导轨的加工工作量占整机工作量的40％左右。钢制金属导轨刚度好、价格低廉、承载能力优异等特点应用广泛，但硬度低、摩擦系数高，存在一定的局限性，在低速重载工况下，产生爬行现象降低定位精度，缩短机床寿命。随着对机床定位精度要求的迅速提高，特别是对数控机床，因此提高机床导轨防的爬性能非常必要。
采用基体表面织构化技术在对磨副表面加工有序排列的微织构可以有效改善接触表面的摩擦特性，降低摩擦副之间的摩擦系数和磨损率，延长零部件的服役寿命。中国专利(申请号201711406914.8)公开了一种组合微织构导轨及其制作方法，在微凹坑间加工了微沟槽，虽然改善了润滑性能，但无法充分发挥织构收集磨屑的作用。中国专利(申请号202010474739.1)公开了一种微织构沟槽与润滑油槽复合导轨及方法，该方法采用在滑动导轨中与固定导轨接触的表面设置有润滑油槽，相邻润滑油槽之间均布设有多个微织构沟槽，但给出的微织构沟槽面密度介于5％-50％，其与润滑油槽的分布密度没有给出精确数值或范围。中国专利(申请号202111265776.2)公开了一种基于超声滚压和飞秒激光加工的微纳织构导轨及方法，该方法先利用超声滚压加工出微织构沟槽，然后利用飞秒激光在微织构沟槽内加工纳织构沟槽，实现微纳复合织构化导轨的制备，但给出的加工微织构沟槽的槽宽为50-500μm，范围跨度过大；且未给出如何保证纳米级的纳织构沟槽的加工精度的方法。中国专利(申请号201721812052.4)公开了一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，该导轨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，可以通过降低临界爬行速度提高机床的运行稳定性，但给出的微织构与布油槽的面积占有率范围较大，且没有给出最优面积组合。
发明内容
本发明提供了一种导轨的复合润滑结构与其制造方法，以解决现有技术中滑动导轨在低速重载工况下出现的爬行现象问题。
本发明提供了一种导轨的复合润滑结构，包括：在导轨表面激光烧蚀数条正弦沟槽微织构、数个多边形凹坑微织构；
正弦沟槽微织构延导轨宽度方向烧蚀，数条正弦沟槽微织构等间距烧蚀，波峰与波峰相对、波谷与波谷相对，正弦沟槽微织构的凹槽内填充有MoS2；多边形凹坑微织构烧蚀在相邻两条正弦沟槽微织构的波峰与波峰之间的导轨表面，和波谷与波谷之间的导轨表面，多边形凹坑微织构的凹槽内填充有MoS2。
进一步地，正弦沟槽微织构的槽宽范围为：0.1mm～0.2mm；相邻正弦沟槽微织构的间距范围为：1mm～2mm；正弦沟槽微织构的正弦周期范围为：1mm～3mm，多边形凹坑微织构的对角长度范围为：0.1mm～0.3mm。
进一步地，正弦沟槽微织构的槽宽为：0.15mm；相邻正弦沟槽微织构的间距为：1.5mm；正弦沟槽微织构的正弦周期为：2mm；正弦沟槽微织构的槽深为：100μm。
进一步地，相邻多边形凹坑微织构的间距为：1mm；多边形凹坑微织构与正弦沟槽微织构的间距范围为：0.33mm；多边形凹坑微织构的对角长度范围为：0.2mm；多边形凹坑微织构的槽深为：100μm。
进一步地，多边形凹坑微织构为正六边形。
本发明还提供了一种导轨的复合润滑结构的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：用800～2000目的砂纸打磨导轨表面，抛光至粗糙度Ra≤0.8μm，用99％无水乙醇超声清洗，于空气中自然干燥；
步骤2：使用纳秒激光器在导轨表面烧蚀出正弦沟槽微织构和多边形凹坑微织构，烧蚀后用2000目砂纸清除导轨表面的熔渣，用99％无水乙醇超声清洗；
步骤3：将MoS2与32#摩润克优质导轨油混合制成混合膏状物，均匀涂抹在微织构的沟槽中；
步骤4：用镶嵌机对微织构沟槽中的混合膏状物进行固化，打磨后完成制造过程。
进一步地，所述步骤2中，纳秒激光器为FB50-1纳秒激光器。
进一步地，所述步骤2中，纳秒激光器的工作参数为：输出功率为10W，重复频率60kHz，烧蚀次数10次。
进一步地，所述步骤3中MoS2与32#摩润克优质导轨油的混合比为1：2。
本发明的有益效果：
本发明采用正弦形式的微织构和多边形凹坑式的微织构进行配合使用，与光滑表面试样相比，爬行时间减少了72％，平均摩擦系数下降了44.88％；与圆形微凹坑试样相比，爬行时间减少了69.83％，平均摩擦系数下降了30.67％。
本发明多边形凹坑微织构采用正六边形的样式，可以因弹性形变产生较好的“吸盘”效果，同时会因高的接触压力和低的滑动速度在表面产生更好的“陷阱效应”。
本发明的制造过程采用激光加工、镶嵌MoS2的效率提高，成本低廉。
本发明的制造过程中加工热量小，导轨无热变形的危险。
本发明的制造过程是采用非接触式加工，不会对材料产生机械挤压或机械应力。
本发明采用MoS2与32#摩润克优质导轨油为1：2的混合比例为最优的质量配比，既保证了润滑剂的黏性，又保证了混合油在导轨表面涂抹的效果。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施例的立体视图；
图2为本发明具体实施例的主视图；
图3为本发明具体实施例中制造工艺示意图；
图4为不同微造型试样爬行时间的变化曲线；
图5为不同微造型试样平均摩擦系数的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明实施例提供一种导轨的复合润滑结构，包括：在导轨3表面激光烧蚀数条正弦沟槽微织构1、数个正六边形凹坑微织构2；
正弦沟槽微织构1延导轨3宽度方向烧蚀，正弦沟槽型微织构1的阵列方向与导轨3的运动方向垂直，数条正弦沟槽微织构1等间距烧蚀，波峰与波峰相对、波谷与波谷相对，正弦沟槽微织构1的凹槽内填充有MoS2；正六边形凹坑微织构2烧蚀在相邻两条正弦沟槽微织构1的波峰与波峰之间的导轨3表面，和波谷与波谷之间的导轨3表面，正六边形凹坑微织构2的凹槽内填充有MoS2。
正弦沟槽微织构1的槽宽b范围为：0.1mm～0.2mm；相邻正弦沟槽微织构1的间距c范围为：1mm～2mm；正弦沟槽微织构1的正弦周期e范围为：1mm～3mm。
相邻正六边形凹坑微织构2的间距tx范围、正六边形凹坑微织构2与正弦沟槽微织构1的间距ty随正弦沟槽微织构1的变化而变化，保证正六边形凹坑处于正弦沟槽的正中间横向排布即可；正六边形凹坑微织构2的对角长度d范围为：0.1mm～0.3mm。
如图3所示，本发明还提供了一种导轨的复合润滑结构的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：用800～2000目的砂纸打磨导轨表面，抛光至粗糙度Ra≤0.8μm，用99％无水乙醇超声清洗5min，于空气中自然干燥；
步骤2：使用FB50-1纳秒激光器：重复精度≤10urad、激光波长1064nm、雕刻线速度≤7000mm/s、重复频率20-80KHz、功率调节范围10-100％、最大输出功率50W，在导轨表面烧蚀出正弦沟槽微织构和正六边形凹坑微织构，纳秒激光器的工作参数为：输出功率为10W，重复频率60kHz，烧蚀次数10次，烧蚀后用2000目砂纸清除导轨表面的熔渣，用99％无水乙醇超声清洗15min；
步骤3：将MoS2与32#摩润克优质导轨油混合制成混合膏状物，MoS2与32#摩润克优质导轨油的混合比为1：2，均匀涂抹在导轨表面；
复合微织构中镶嵌的MoS2能够在往复摩擦的过程中，在较大的载荷下，应力集中效应促进了微织构中的MoS2沉淀到磨损轨迹表面，并且扩散到上下试样表面和润滑油中，由于MoS2在金属表面有很强的吸附作用，在摩擦界面形成一层固体润滑转移薄膜；
导轨油过多(MoS2过少)无法保证固体润滑剂的黏性，容易导致摩擦过程中固体润滑剂的快速流失，进而无法持续保持摩擦界面润滑减磨的效果；导轨油过少(MoS2过多)虽然增强黏性防止摩擦过程中快速流失，但同时也导致膏状物粘稠，MoS2与导轨油混合不充分，影响表面涂抹，从而影响镶嵌效果。
步骤4：用XQ-2B镶嵌机：额定电压220V，额定功率650W，温度调节范围100-180℃，对微织构沟槽中的混合膏状物进行固化，加压后在100℃中保温10min。静置冷却后，使用2000目的砂纸去除表面硬块后，完成制造过程。
以下为本发明具体实施例进行低速重载工况的摩擦试验的对比数据，具体如下：
下试样SS为：光滑表面的导轨；
下试样SR为：表面只有多边形凹坑微织构(不填充MoS2)的导轨；
下试样SN为：表面只有正弦沟槽微织构(不填充MoS2)的导轨；
下试样SF为：表面只有正弦沟槽微织构(填充MoS2)的导轨；
下试样SP为：表面只有正弦沟槽微织构(间隔填充MoS2)的导轨；
下试样SF-1为：表面有多边形凹坑微织构和正弦沟槽微织构(不填充MoS2)的导轨；
下试样SF-2为：表面有多边形凹坑微织构(不填充MoS2)和正弦沟槽微织构(填充MoS2)的导轨；
下试样SF-3有为本发明结构的导轨：正弦沟槽微织构的槽宽为：0.15mm；相邻正弦沟槽微织构的间距为：1.5mm；一个周期正弦织构长度为：2mm；正弦沟槽微织构的槽深为：100μm，相邻正六边形凹坑微织构的间距为：1mm；正六边形凹坑微织构与正弦沟槽微织构的间距为：0.34mm；正六边形凹坑微织构的对角长度为：0.2mm；正六边形凹坑微织构的槽深为：100μm。
上试样为：直径6mm、长15mm、材料为45#钢的圆柱销进行低速重载工况的摩擦试验。
实验过程为：往复摩擦试验的低速重载的等效工况：载荷30N，行程6mm，往复频率1Hz，时间30min。摩擦接触方式为销-滑块式往复摩擦，环境温度为20℃。润滑油为32#摩润克优质导轨油，在油池中加注至超过试样表面3mm。每组试验重复3次，取3次测试数据的平均值。
如图4所示，下试样SS的爬行时间最长，其爬行时间约为125s；下试样SF-3的爬行时间最短，其爬行时间约为35s。下试样SF-3相比下试样SS下降了72％；相比下试样SR下降了69.83％。
如图5所示，下试样SS的摩擦系数最大，其平均摩擦系数为0.205；下试样SF-3的摩擦系数最小，其平均摩擦系数为0.113。下试样SF-3相比下试样SS下降了44.88％；相比下试样SR下降了30.67％。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种导轨的复合润滑结构，其特征在于，包括：在导轨表面激光烧蚀数条正弦沟槽微织构、数个多边形凹坑微织构；
正弦沟槽微织构延导轨宽度方向烧蚀，数条正弦沟槽微织构等间距烧蚀，波峰与波峰相对、波谷与波谷相对，正弦沟槽微织构的凹槽内填充有MoS2；多边形凹坑微织构烧蚀在相邻两条正弦沟槽微织构的波峰与波峰之间的导轨表面，和波谷与波谷之间的导轨表面，多边形凹坑微织构的凹槽内填充有MoS2。
2.如权利要求1所述的导轨的复合润滑结构，其特征在于，正弦沟槽微织构的槽宽范围为：0.1mm～0.2mm；相邻正弦沟槽微织构的间距范围为：1mm～2mm；正弦沟槽微织构的正弦周期范围为：1mm～3mm，多边形凹坑微织构的对角长度范围为：0.1mm～0.3mm。
3.如权利要求2所述的导轨的复合润滑结构，其特征在于，正弦沟槽微织构的槽宽为：0.15mm；相邻正弦沟槽微织构的间距为：1.5mm；正弦沟槽微织构的正弦周期为：2mm；正弦沟槽微织构的槽深为：100μm。
4.如权利要求2或3所述的导轨的复合润滑结构，其特征在于，相邻多边形凹坑微织构的间距为：1mm；多边形凹坑微织构与正弦沟槽微织构的间距范围为：0.33mm；多边形凹坑微织构的对角长度范围为：0.2mm；多边形凹坑微织构的槽深为：100μm。
5.如权利要求1所述的导轨的复合润滑结构，其特征在于，多边形凹坑微织构为正六边形。
6.一种导轨的复合润滑结构的制造方法，适用于如权利要求1-5中任一所述的导轨的复合润滑结构，其特征在于，所述导轨的复合润滑结构的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：用800～2000目的砂纸打磨导轨表面，抛光至粗糙度Ra≤0.8μm，用99％无水乙醇超声清洗，于空气中自然干燥；
步骤2：使用纳秒激光器在导轨表面烧蚀出正弦沟槽微织构和多边形凹坑微织构，烧蚀后用2000目砂纸清除导轨表面的熔渣，用99％无水乙醇超声清洗；
步骤3：将MoS2与32#摩润克优质导轨油混合制成混合膏状物，均匀涂抹在微织构的沟槽中；
步骤4：用镶嵌机对微织构沟槽中的混合膏状物进行固化，打磨后完成制造过程。
7.如权利要求6所述的导轨的复合润滑结构的制造方法，其特征在于，所述步骤2中，纳秒激光器为FB50-1纳秒激光器。
8.如权利要求6或7所述的导轨的复合润滑结构的制造方法，其特征在于，所述步骤2中，纳秒激光器的工作参数为：输出功率为10W，重复频率60kHz，烧蚀次数10次。
9.如权利要求6所述的导轨的复合润滑结构的制造方法，其特征在于，所述步骤3中MoS2与32#摩润克优质导轨油的混合比为1：2。
10.如权利要求6所述的导轨的复合润滑结构的制造方法，其特征在于，所述步骤4中，镶嵌机为XQ-2B镶嵌机。
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