裴旭明，劉超鋒

(鄭州輕工業(yè)學院a.機電工程學院;b.過程裝備系，河南省表界面科學重點實驗室，河南 鄭州 450002)

在役機床導軌面失效的危害與原因分析

裴旭明a，劉超鋒b

(鄭州輕工業(yè)學院a.機電工程學院;b.過程裝備系，河南省表界面科學重點實驗室，河南 鄭州 450002)

對在役機床導軌面失效危害和失效原因進行了分析。在役機床導軌面失效不僅影響經濟效益，還影響被加工工件的加工精度。導致在役機床導軌面失效的內因是在役機床導軌面材質的選擇、在役機床導軌的結構型式;外因是潤滑因素和負荷因素。

在役機床導軌面;失效;危害;原因

0 引言

機床的支撐導軌是在機床上用來支承和引導部件沿著一定的軌跡運動或起夾緊定位作用的軌道。按照運動的形式劃分，導軌分直線運動導軌和圓周運動導軌2類。按照運動面間的摩擦性質劃分，導軌有普通滑動導軌(金屬對金屬、金屬對塑料或復合材料)、靜壓導軌(液體或氣體)和滾動導軌3大類;按機床類型分為車床導軌副、牛頭刨床導軌副、沖床導軌副、導軌磨床的橫梁導軌副、鏜床導軌副、銑床導軌副和用于鍋爐、壓力容器制造中對各類金屬鋼板焊接前的坡口加工的刨邊機導軌副等;按構成導軌副的導軌的位置分工作臺導軌和床身導軌。按導軌本身的形狀分為V型導軌、平面導軌(平導軌)和矩形導軌。普通機床多采用制造和運轉操作簡單的滑動導軌。大型機床導軌可以分段與床身整體鑄造。其導軌副的組合有V-V形、菱-菱形等多種形式。有的床身導軌還有三條或三條以上。導軌分別與工作臺或拖板接觸的各個表面中，直接起導向作用的表面稱為“基準導軌面”;與壓板或鑲條接觸，只起承受切削力作用的表面稱為“輔助導軌面”。機床導軌表面的質量狀況關系著機床的加工精度和使用壽命。機床導軌使用時間越長，導軌磨損越嚴重。普通機床的設計壽命為15～20年，一般每隔6年就要大修。機床大修中，常規(guī)損壞零件可以更換，而機床床身、橫梁、立柱、滑鞍、工作臺等導軌及大、中、小拖板的導軌面因出現(xiàn)一些長短、深淺、寬窄不一的凹坑，尤其是大型臥式車床導軌表面出現(xiàn)的大面積損傷，只能采用修復的辦法恢復其原有精度。隨著機床向高速、重載方向的發(fā)展，改善機床導軌本身的性能和工作條件以控制機床導軌副的精度日益引起關注。

1 機床導軌失效的危害

機床導軌一旦損壞，機床的拆裝校還需花費大量人力與時間，就會影響生產，對機床維修工增加了工作難度和負擔。床面一次次減薄甚至會導致報廢。如果導軌報廢將給企業(yè)造成損失。發(fā)動機廠加工缸體的多平面拉床大拉床導軌被拉傷，造成無法運行，雖采用了F4帶粘接技術修復導軌，仍然造成停機十天，直接經濟損失幾十萬元。1990年12月，某制管廠W037型鋼管倒棱機床的長25m、4節(jié)的床身上長24m、寬350mm的主導軌中部5m長范圍內磨損拉傷成密排溝槽深度超過1mm，長1m以上的溝槽就有3條，深0.3～1mm的短槽8條，深度大于0.8mm的深坑短槽9處，深度在0.2mm以內的溝槽難以計數，被安排4臺重型汽車接送兩趟送到武漢花費2個多月、6萬余元修理費(1990年價)。

機床導軌的摩擦副表面一旦產生磨損，使導軌副間隙變大，機床系統(tǒng)剛性降低，導致機床的加工精度和生產效率降低。導軌的磨損導致導軌軸的直線精度、軸與軸之間的相互垂直度誤差遠遠超過規(guī)定。機床的幾何精度超差，橫梁、刀架、工作臺與床身的傳動精度喪失。包鋼(集團)公司機械設備制造有限公司B2153重型龍門刨床［1］用于刨削最大尺寸為1500mmm×1230mm×12000mm的機床導軌面。該刨床的床身由3節(jié)拼裝，全長25m。此機床的工作臺V型導軌、平面導軌大面積研傷;床身平面導軌、V型導軌局部研傷，最深可達2mmm，造成機床的幾何精度超差，橫梁、刀架、工作臺與床身的傳動精度喪失。

在普通車床大修中，由于床身導軌和溜板下導軌面磨損或拉傷，造成溜板下降，溜板箱絲杠孔、光杠孔、操縱桿孔也會隨之下降，使三桿孔與進給箱、托架上三桿孔不同心。同時溜板箱齒輪軸與齒條嚙合間隙增大，進給箱聯(lián)系尺寸鏈、托架聯(lián)系尺寸鏈、齒條尺寸鏈均受到影響，導致加工長軸時外徑出現(xiàn)腰鼓形，螺紋加工時螺距和深度不均，孔加工時錐形出現(xiàn)等。某廠CA6140臥式車床的大溜板下導軌面的磨損，導致床鞍和溜板箱傾斜下沉。河南英威東風機械制造有限公司CE7120型半自動仿形車床［2］床鞍導軌的主要切削負荷部位累積磨損，導軌局部凹陷，刀架床鞍運行到導軌凹陷處擺動量大，常造成“振刀”和“扎刀”現(xiàn)象。吉林省琿春市森林山木業(yè)有限公司一臺上海豪德生產的雙端銑床［3］，用于三層復合地板長度方向的槽榫加工。該機床使用三年后由于導軌側面磨損尤其是切削刀軸的位置磨損更為嚴重，造成其加工的地板成品順向拼接間隙超過0.2mm。

大型立車的上下導軌面嚴重研傷后，致使油溫嚴重過熱，甚至造成機床無法正常運轉。超大型數控機床，由于其體形龐大，而且需具備超重的載荷能力及重切削負荷能力。其導軌副一般設計成較寬的形式，必要時還要多條導軌來防止重載荷下工作臺的變形，并且可減小超重加工件對導軌的壓強。此時如果采用靜壓導軌［4］，通過液壓泵及特殊的供油方式使液壓油在導軌副中均勻形成一定的壓力，使中間的潤滑油形成剛性的油膜，起到穩(wěn)定的支撐作用，從而使導軌副的運行變?yōu)椴恢苯咏佑|。此時，導軌副之間的摩擦力實際上變成了液壓油的摩擦力，磨損率也變?yōu)榱肆隳p。部分靜壓區(qū)油壓不夠穩(wěn)定，會造成導軌整體靜壓不完全。導軌副的加工，不僅需要配備大型精密數控機床，同時需要部件導軌的相匹配性，即導軌與導軌接觸精度必須達標。我國目前的加工能力還是無法達到大型機床導軌副的裝配精度要求，必須再通過刮研工序來解決導軌副的接觸精度。將匹配導軌在涂有著色劑后進行數十次的合研，而每一次合研都需要幾十噸乃至上百噸的吊車進行起吊翻扣，工作不僅繁忙而且增加了危險性。

2 導軌失效的防范途徑

防范導軌的失效可以從內因和外因入手。

2.1 內因

車床導軌副的失效與導軌的材質和導軌結構等有關。為此，導軌必須有足夠的剛度和耐磨性。由于鑄鐵導軌具有良好的減振耐磨性、穩(wěn)定性、成本較低，是大部分機床導軌的首選材料。但鑄鐵材料存在硬度低、組織疏松、毛坯缺陷多等弱點，在承載較重的情況下，更容易磨損、拉傷。一般臥式車床，粗加工條件下，兩班制使用一年后，鑄鐵制造的前導軌(三角形)磨損量可達0.1～0.2mm。淬火鋼導軌的耐磨性比普通鑄鐵導軌的高一些，可以提高機床導軌的使用壽命。

適用于載荷大且導向精度要求不高的機床上的矩形導軌［5］的中M面起支承兼導向作用。但是，一旦起主要導向作用的N面磨損后不能自動補償間隙，使機床加工精度降得更低。

鞍鋼重型機械有限責任公司的德國WALDRICH-COBURG公司動梁式數控龍門銑床［6］的滑枕導軌和托板Z軸導軌各面均有磨損。其中，滑枕導軌，由于結構特點所限，在經過長時間使用后其磨損要比其他運動軸導軌要嚴重得多，尤其是兩側靠近端部存在較大面積嚴重拉傷，使進行平面和側面加工時接刀出臺兒現(xiàn)象明顯，不能用于精加工。

某公司床身長6m、工作臺長3m的B2152龍門刨床導軌副磨損變形嚴重，床身導軌中部凹陷0.5mm以上，導軌副水平方向也有很大彎曲。BQ2010型龍門刨床工作臺導軌長3000mm，軌距800mm，導軌兩側靠近端部存在較大面積嚴重拉傷。

車床床身的棱形導軌比平導軌的磨損量要大，溜板的導軌前端比后端磨損嚴重。所加工的零件最大重量為25t，最大切削力為10t，工作臺的變速范圍為0.7～28r/m的四米立車［7］環(huán)形導軌有時磨損深度達1～2.5mm，以240mm寬軌面最為嚴重，沿圓錐母線方向形成凸凹不平的傷痕。車床大拖板經常在床身導軌上滑動而磨損。由于拖板箱位于床身的前側，重心偏向前側，使拖板前側的棱形導軌比后側的平導軌磨損嚴重，拖板傾斜下沉。修理平導軌和棱形導軌由于采用相同的磨削深度，導致磨損嚴重的多磨，磨損輕的少磨，這樣就加劇了拖板傾斜下沉的程度。拖板是保證車床刀架直線運動的關鍵，拖板的傾斜下沉使刀架橫向走刀軌跡與車床導軌面不平行，就無法保障工件制造的加工粗糙度。某公司CB7620型車床每班千余次的往返進刀，加之車工段工作現(xiàn)場毛坯件的灰塵顆粒大、碎鐵屑多，機床導軌潤滑油液供應不上，刀架的導軌就會嚴重磨損，為此將整個下滑板(含導軌)拆掉，改成對稱式鑲嵌活導軌。改造前，一個下滑板導軌最大限度可配磨三次，而鑲嵌式活導軌可以根據其刀架磨損程度，可以互換或配磨5次。陜西新黃工機械有限責任公司車床［8］床身的棱形導軌比平導軌的磨損量要大，溜板的導軌前端比后端磨損嚴重，使溜板傾斜下沉，造成縱走刀小齒輪與齒條之不能正確嚙合，影響加工零件表面粗糙度。

直線滾動導軌在承受一定的工作載荷下運行，即使沒有粉塵和切屑的侵入，潤滑條件良好，行走一段距離后也會因為滾動疲勞而產生表面剝落，從而導致破損失效。數控機床中廣泛應用的精密滾動直線導軌副所采用的滾動體有滾柱式和滾珠式兩種主要類型。一般情況下，滾柱式的滾動直線導軌副由于是線接觸，承載能力高于滾珠式，而且安裝到位，機床能獲得較好的剛性。

圓導軌副一般由回轉部分(工作臺)和固定部分(床身底座)組成。經過長期回轉運動，通?；剞D部件的磨損量是比較均勻的，而固定部件的磨損由于受加工切削力的作用，或在回轉軸水平配置時受零件重力的作用，使其導軌面及中央定位孔產生不均勻性磨損。通過軸承軸向定位的砂輪軸裝在套筒里，，周向旋轉即為磨削運動。某公司MY7650雙端面磨床的左右磨頭上下導軌磨損嚴重。原因是:套筒沿圓周方向120度夾角均勻分布三個導軌面，在套筒座的V型導軌面上作軸向運動，兩導軌面之間有滾針，使砂輪軸便可以隨著套筒在套筒座的V型導軌與滑座之間做進給運動。滾針與導軌面是線接觸，接觸面積少、應力大，日積月累，滾針將導軌面擠壓出深坑。

2.2 外因

機床導軌表面的失效是個相當復雜的隨機過程。其影響因素很多，如機床的潤滑因素、負荷因素。

導軌摩擦副磨損的潤滑因素主要有:外露導軌上因為沒有設置刮屑板及導軌防護罩進行保護而落下的切屑和灰塵沙、磨料、氧化鐵皮、乳化液等污染，尤其是機床上精度高的滾動導軌［9］比滑動導軌對臟物更敏感。某廠的8米龍門刨因鑄鐵粉末飛入灰口鑄鐵橫梁導軌與滑枕的接觸面之間，造成導軌研傷總面積:2000×60毫米2;連片的長短與大小不一，深淺不等的溝槽和凹坑，溝槽深0.5～2毫米、寬l～5毫米。潤滑不良或潤滑不足或在潤滑系統(tǒng)中沒有過濾器而潤滑油帶入硬顆粒;低速運動時，缺乏形成具有足夠承載能力的油控條件。導軌面滑動運動的精確度很高，但在高負荷低速時容易產生爬行現(xiàn)象，從而影響加工的正常進行;高速時容易產生浮起現(xiàn)象，須采用油性、黏度適宜的潤滑油。在礦物基礎油中加入脂肪酸類、脂肪酸皂類和硫化動植物油，能在一定程度上改善爬行的危害，但對于高精度的加工仍不能達到預期效果。與其它潤滑油相比，價格高一些的改性納米金剛石液壓導軌油可使滑軌油膜承載能力提高，防爬行能力增強，從而提高加工精度。某單位的1臺B2012A型龍門刨床［21］由于潤滑不良，造成整個V形導軌咬傷長1500mm，寬70mm，深平均3.5mm。寶雞金山電子設備廠由于一次潤滑系統(tǒng)缺油事故，導致B1016A單臂刨床［10］V形導軌副一側在全長范圍內嚴重研傷，另一側局部研傷，其中床身V形導軌劃傷面積超過40%，劃痕沿導軌全長呈現(xiàn)斷續(xù)或連續(xù)間隔槽狀，槽寬在58mm，數量4～6條不等，槽深0.3～lmm，有的地方接近1.5mm，槽與槽之間導軌面基本完好。工作臺V形導軌面由于未淬火，劃傷面積超過50%，多處出現(xiàn)整片損傷，深度一般在0.8～1.5mm。首鋼長治鋼鐵有限公司機修廠采用自動強力潤滑的T6112鏜床由于在使用過程中，潤滑系統(tǒng)［11］出現(xiàn)故障，造成主基座——自重約為5000kg的床身導軌面拉傷面積約110mm×1000mm，且有凹槽深達3mm左右，長度約為1000mm。某廠M131外圓磨床各種磨床的灰鑄鐵導軌副1983年因油路故障拉傷長度2.5m，深度0.5～3mm，拉傷面積達60%以上。青海華鼎重型機床有限責任公司的加工范圍為2m×10m的床身、溜板、刀板、五級齒條等零件用的30-15 S4040型導軌磨床是德國WALDRICH COBURG公司生產的，2007年因為帶防護罩的全長23000mm的三節(jié)床身導軌的潤滑油路精過濾器堵塞而監(jiān)控精濾芯堵塞的壓差發(fā)訊器報警線路封掉，造成床身導軌無潤滑油［12］使機床工作臺不能開動，110°V形主導軌內側貼塑板部分嚴重研傷寬約90mm，最深處2mm，長約3000mm，其余拉毛。某公司B6090牛頭刨床由于R13-1型柱塞式油泵柱塞磨損造成刨床導軌發(fā)生研磨事故。導軌面覆蓋著氧化膜及氣體或液體的吸附膜，當導軌局部壓強或剪力過高而排除這些膜時，裸露的金屬表面因原子力作用而吸附在一起，導致出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象，當導軌面相對移動時，自然會出現(xiàn)咬裂現(xiàn)象。嚴重的粘著磨損容易使2個導軌面無法運動。含腐蝕性成分的潤滑劑、切削液等潤滑和冷卻的導軌面還會出現(xiàn)腐蝕磨損。

在車床床身導軌承受較大的切削載荷時，導軌表面發(fā)生粘著之后又被剪斷的磨損即屬于粘著磨損。中國第一重型機械集團公司維修分公司的1670車床［13］是前蘇聯(lián)20世紀50年代生產的機床，刀架下滑板原設計為鑲裝夾布膠木板。該機床承擔著軋輥的加工，多年的超負荷運轉，造成刀架下滑板鑲裝的夾布膠木板嚴重磨損，使下滑板快速和進給運行阻力大，低速爬行嚴重。在機床工作過程中，導軌承受的運動部件及工件的重量和切削力等載荷與速度變化范圍較廣，由于載荷分布不均勻，可能造成局部過載。長期使用的機床，由于基礎與床身水平度有變化，使導軌局部單位面積負荷過大而研傷。長期加工短工件或承受過分集中的負荷，也會使導軌局部磨損嚴重。某學院數控系CA6140車床長期使用后，出現(xiàn)了導軌前端局部磨損，而中段和尾部導軌狀況較好。原因是:其加工的工件是用于學生訓練的短件，前端導軌使用頻率最高。某廠生產閥門過程中，由于機床切削負荷重，因此置于床身的導軌之上的溜板V形導軌及平導軌常用部位的磨損尤為嚴重，經常發(fā)生溜板下沉的故障。

3 建議

機床的用戶和制造商應該關注機床導軌的新材料。例如福建南安三井機械廠有限公司將花崗石［14］材料經加工裝嵌在機床上作為機床導軌使用可望比傳統(tǒng)的金屬導軌大大提高機床導軌的壽命、剛性和精度，用于各種類型的精密機床。機床導軌的結構設計對其使用壽命有很大的影響，建議消化吸收國外在大型精密機床導軌結構技術。機床的用戶應嚴格按照機床企業(yè)制定的說明書操作機床，尤其是機床導軌面的潤滑劑。此外，合適的修復技術也可以延長機床導軌的使用壽命。

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(編輯 趙蓉)

Analysis about Hazards and Reasons to the Failure of Guideway for in-service Machine Tool

PEIXu-minga，LIU Chao-fengb
(a.Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry;b.Department of Process Equipment of Zhengzhou University of Light Industry，Henan Provincial Key Laboratory of Surface＆ Interface Science，Zhengzhou Henan 450002，China)

Analysis about hazards and reasons to the failure of guideway for in-service machine tool were analysized.The failure ofguideway for in-servicemachine tool not only affect the economic result,but also to affect themachining accuracy ofworkpiece.Internal reasons resulting in the failure ofguideway for in-servicemachine tool were material,the structure type;external factors were the load factor and the lubrication.

surface of in-servicemachine tool guideway;failure;hazards;reasons

TG502

A

1001－2265(2011)06－0037－04

2010－03－17;

2011－04－11

裴旭明(1962—)，女，河南南陽人，鄭州輕工業(yè)學院副教授，碩士，主要從事機械制造與材料加工工藝研究，(E－mail)pxm@zzuli.edu.cn。