摘 要：滚动直线导轨副中滚子与导轨之间的结合部形式是点或线接触，工作中容易引起振动。为改善滚动直线导轨副的抗振性能，给出了一种滚动直线导轨副用阻尼器的结构模型、油膜减振原理、试验设计和功能验证。通过试验表明了阻尼器能够有效改善滚动直线导轨副的抗振性能。此外，阻尼器在机床上进行了功能验证，即当机床导轨副配备阻尼器时，可以提高工件加工表面质量、降低刀具损耗，由此反映了阻尼器可有效减小刀具加工时产生的自激振动幅值。
关键词：滚动直线导轨；减振；阻尼器；油膜阻尼
滚动直线导轨副是当今数控机床中使用非常广泛的功能部件，由其组成的滑台传动装置，对机床的加工精度会产生重要的影响。滚动直线导轨副具有动、静摩擦系数小、承载能力大、刚性好、使用寿命长的优点，且加工方便，装配容易，可达到很高的进给速度和导向精度。然而，在实际工作中它是通过导轨与滚子间有限的点或线接触而实现的，与传统的滑动导轨相比，具有抗振性能差的特点。为改善滚动直线导轨副的抗振性能，过去的做法是增加预载荷，但效果并不理想，反而因此增加了滚动单元的变形，使接触面磨损加快，严重影响导轨副的工作寿命。研究表明[1-3]，采用挤压油膜阻尼技术可以有效改善滚动直线导轨副的抗振性能。本文给出了一种滚动直线导轨副用阻尼器的结构、原理、试验和应用案例。
1 阻尼器结构模型
高新凯特公司专门设计一种滚动直线导轨副阻尼器与特制的LGR滚柱导轨副配套使用，同时为保证阻尼滑块与导轨间形成油膜，导轨需安装铜螺孔帽，典型结构如图1所示。
阻尼器钢制主体上有安装孔和注油孔，内表面覆盖一层贴塑层，贴塑层形状与导轨外形相一致，与相对应的导轨表面形成均匀的间隙。当润滑油充满后，阻尼滑块与导轨间会形成0.01～0.03 mm的油膜。当滚动直线导轨副在受到外界交变载荷时，油膜会在反复的挤压和吸入中得到保持。因此，阻尼器在工作时具有良好的油膜自弥补能力，端部泄漏量极小，而无需压力供油，定时在阻尼滑块的注油孔中滴入润滑油即可。
2 阻尼器油膜减振机理
充满流体的两板以一定的频率承受交变载荷时，会受到间隙内流体的压强而产生阻力，形成挤压油膜阻尼。流体阻尼系统是通过挤压油膜来消耗振动能量，减小振动幅值[4]。
Wang等[5]通过试验给出了机床滚动导轨系统挤压油膜阻尼模型：
(1)
式中：C为挤压油膜阻尼系数；η为润滑油的动力粘度；h为油膜厚度；b和L分别为挤压油膜表面的宽度和长度；β为与长宽比L/b有关的修正系数。
江早等[2]从理论的角度给出了考虑交变载荷的角振型下的挤压油膜阻尼模型：
Cφ
(2)
式中：Cφ为角阻尼系数，g(R)为与长宽比R=L/b有关的修正系数。
从上述理论可以看出，影响阻尼器减振性能的参数主要是油膜厚度和阻尼器长度，且在一定范围内减小油膜厚度和增加阻尼器长度可以改善阻尼器的减振性能。而阻尼滑块的挤压油膜面的宽度由滚动直线导轨副所决定，在这里看成是常参量。
3 试验研究
为测试滚动直线导轨副用阻尼器的减振效果，进行了试验设计。图2为滚动直线导轨副用阻尼器振动性能试验台。激振器通过弹簧悬挂支撑，且左右、上下可以调节，可改变激振器的不同激振位置。通过数据采集和信号处理系统，可以测试有阻尼器和无阻尼器两种情况下的减振效果。如图3给出了有阻尼器和无阻尼器下滚动直线导轨副系统的动柔度-频率曲线。从图中可以看出，无阻尼器情况下的滚柱直线导轨副在共振频率f =212 Hz时的动柔度值为31.7 μm/kN，而对应有阻尼情况时的动柔度值为7.6 μm/kN，幅值减小了约76%。因此，阻尼器可以显著改善滚柱直线导轨副的振动性能。
4 验证分析
本公司研制的滚动直线导轨副用阻尼器已应用在部分主机厂家(如图4，图5)，如河南新乡日升公司。新乡日升公司专业从事轴承套圈滚动体数控装备的研发生产和销售，是目前国内轴承套圈和滚动体数控装备品种最为齐全的制造商。现阻尼器应用在该公司数控球面镗床上，用于加工外球面轴承座。由于此类工件加工为内球面镗削，且为断续切削，加工过程中冲击振动带来的表面质量差、加工精度不稳定及刀具损耗快等问题，长期以来一直困扰着该类工件的加工行业。
现以该机床加工典型工件P208外球面轴承座的加工为例，来说明机床滚动直线导轨副在有阻尼器和无阻尼器两种情况下对加工工件的质量进行分析说明。加工参数对比如表1所示。图6和图7分别给出了机床滚动直线导轨副在有阻尼器和无阻尼器两种情况下所加工的工件效果。
表1 P208外球面轴承座加工参数对比
根据表1的对比数据可以得出：在其他各项指标相同的情况下，与没有使用阻尼器的机床对比，精镗内球面孔的粗糙度值由Ra 1.6μm减小到Ra 1.25 μm，减小了约20%；连续加工100件尺寸差由0.015 mm减小到0.012 mm，精度稳定性提高了约20%；单片精镗刀片的耐用度由加工4 000件提高到加工5 000件，刀具消耗节约了约20%。总的来看，在断续镗削加工的工况中，机床导轨副配备阻尼器，可有效减小刀具加工时产生的自激振动幅值，反映到加工效果上表现为：表面质量提升、刀具损耗降低及由此带来的尺寸稳定性提高。最终给客户带来的经济效益还是比较明显的。
尽管验证机床加工典型工件的工况取样具有一定的偶然性，但是滚动直线导轨副用阻尼器对机床减小有害振动带来的正面效果是完全可以肯定的。下一步我们将和新乡日升公司进一步合作，逐步展开在精密铣削、以车代磨、镜面研磨等工序机床配备阻尼器的验证分析工作。
5 结语
本文介绍了一种滚动直线导轨副用阻尼器的产品，给出了试验验证，结果表明，和不加阻尼器相比，滚动直线导轨副在共振频率f =212 Hz时的动柔度降低了约76%。为验证阻尼器在机床导轨副上的实际减振效果，本文给出了加工典型工件的结果对比：精镗内球面孔的粗糙度值减小了约20%；连续重复加工100件的精度稳定性提高了约20%；单片精镗刀片的耐用度由加工4 000件提高到加工5 000件，刀具消耗节约了约20%。由此说明，滚动直线导轨副用阻尼器可有效减小刀具加工时产生的自激振动幅值。
