趙美玲，關(guān)景開(kāi)

（廣東凱特精密機(jī)械有限公司，廣東江門 529100）

0 引言

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副（簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌副）具有動(dòng)摩擦系數(shù)小，定位精度高，可承受速度范圍大等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用在各種制造裝備中。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，忽略對(duì)導(dǎo)軌副的合理潤(rùn)滑的情況時(shí)有發(fā)生，使其處于乏油狀態(tài)，即潤(rùn)滑不足或無(wú)油潤(rùn)滑/干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致其工作壽命大幅降低，甚至快速磨損失效[2]。

導(dǎo)軌副工作時(shí)，滾珠從導(dǎo)軌和滑塊上的4 條經(jīng)淬火、精磨而成的圓弧溝槽構(gòu)成的滾道（圖1），進(jìn)入反向器滾道，即從承載滾道進(jìn)入卸載滾道，實(shí)現(xiàn)滾珠的無(wú)限循環(huán)運(yùn)動(dòng)和滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。其摩擦磨損過(guò)程與滾珠軸承有相似，服役失效成因主要是潤(rùn)滑不良[3-6]，即未按時(shí)按量添加生產(chǎn)廠家指定的、與工況相匹配潤(rùn)滑油/脂潤(rùn)滑，導(dǎo)致其處于乏/無(wú)油潤(rùn)滑工況所造成。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在乏油潤(rùn)滑和潤(rùn)滑油選用不當(dāng)?shù)墓r下進(jìn)行了LGS30AA 滾動(dòng)導(dǎo)軌副實(shí)驗(yàn)，對(duì)其服役周期的性能、壽命及失效機(jī)理進(jìn)行分析研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，旨在讓用戶正確使用導(dǎo)軌副，避免不必要的故障，保障其全周期服役性能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)

1 乏油潤(rùn)滑工況下導(dǎo)軌副的壽命實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康募霸u(píng)價(jià)方法

試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)試導(dǎo)軌副在乏/無(wú)油潤(rùn)滑等不合理工況下使用壽命。

評(píng)價(jià)方法：根據(jù)采集導(dǎo)軌副在運(yùn)行過(guò)程中的溫度、噪聲、拖動(dòng)力和觀察檢測(cè)導(dǎo)軌副溝槽和鋼球表面形貌特征進(jìn)行失效分析評(píng)價(jià)。

1.2 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)對(duì)象

某企業(yè)生產(chǎn)的LGS30 AA P2 1×4000 型滾動(dòng)導(dǎo)軌，如圖2所示。導(dǎo)軌與滑塊材料分別為GCr15 和20CrMoA。測(cè)試時(shí)，導(dǎo)軌副（未裝密封件）拖動(dòng)力為6 N。

圖2 LGS30 AA P21×4000 型滾動(dòng)導(dǎo)軌

圖3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副測(cè)試系統(tǒng)

（2）實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置[7]如圖3所示。噪聲信號(hào)是通過(guò)兩通道噪聲頻譜測(cè)試儀采集，測(cè)試時(shí)噪聲儀距離測(cè)試導(dǎo)軌副垂直距離500 mm，測(cè)試儀分辨率0.1 dB，測(cè)量誤差±1 dB。溫度檢測(cè)采用紅外線測(cè)溫計(jì)，測(cè)試時(shí)測(cè)溫計(jì)距離被測(cè)物表面100 mm處，分辨率為0.1 ℃，測(cè)量誤差±1 ℃。

（3）環(huán)境

室內(nèi)環(huán)境溫度為24.2 ℃，相對(duì)濕度為60%，噪聲為52 dB，試驗(yàn)前滑塊溫度為24.5 ℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)導(dǎo)軌副不施加額外負(fù)載，滑塊往復(fù)循環(huán)運(yùn)行，速度為100 m/min，行程為2 000 mm。

實(shí)驗(yàn)前導(dǎo)軌副不添加油脂，并將導(dǎo)軌、滑塊、鋼球表面擦拭干凈，該狀態(tài)下的導(dǎo)軌副可認(rèn)為是在乏油/無(wú)潤(rùn)滑的特殊狀態(tài)，考核其摩擦磨損狀況以及可能的工作壽命。試驗(yàn)時(shí)，滑塊每運(yùn)行5 km采集噪聲、溫度和拖動(dòng)力數(shù)據(jù)，并停機(jī)觀察導(dǎo)軌副溝槽表面磨損情況。圖4所示為實(shí)驗(yàn)前導(dǎo)軌溝槽表面狀況。

圖4 導(dǎo)軌試驗(yàn)前溝槽表面

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察并記錄了被測(cè)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在不同實(shí)驗(yàn)里程的噪聲、溫度和拖動(dòng)力數(shù)據(jù)以及表面摩擦磨損狀況，如圖5～8和表1所示。

圖5 LGS30 AA P2 1×4 000型滾動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及導(dǎo)軌溝槽磨損情況

圖6 導(dǎo)軌溝槽表面（運(yùn)行10 km后）

圖7 導(dǎo)軌溝槽表面開(kāi)始變紅（運(yùn)行25 km后）

圖8 實(shí)驗(yàn)里程70 km后磨損狀況

由圖8可看出，乏油潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)里程70 km后密封件完全失效，圖9所示為實(shí)驗(yàn)后導(dǎo)軌和滑塊溝槽表面以及鋼球表面出現(xiàn)磨損和剝落物，其壽命快速喪失，而導(dǎo)軌副正常工作壽命為100 000 km。

圖9 實(shí)驗(yàn)里程70 km前后滾珠

2 選用不同型號(hào)潤(rùn)滑油的磨損試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件與1.2節(jié)所述相同，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為同一批次同一型號(hào)的LGS30AA的兩根導(dǎo)軌副。實(shí)驗(yàn)時(shí)，滑塊上施加了4 600 N垂直向下負(fù)荷，往復(fù)運(yùn)行速度為10 m/min、行程1 200 mm。不同型號(hào)潤(rùn)滑油分別為32 號(hào)和68 號(hào)油，由定量分配器以0.3 cm3/h 速度進(jìn)行供油，確保油量充分，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。使用32 號(hào)油潤(rùn)滑的導(dǎo)軌副運(yùn)行12 h（實(shí)驗(yàn)里程7.2 km）后，發(fā)現(xiàn)油變紅，滑塊與導(dǎo)軌表面粘有紅色粘附物如圖10所示；使用68號(hào)油潤(rùn)滑導(dǎo)軌副運(yùn)行450 h（實(shí)驗(yàn)里程270 km）后，滑塊與導(dǎo)軌表面對(duì)比實(shí)驗(yàn)前的初始狀況無(wú)明顯變化，如圖11所示。

表2 使用32號(hào)、68號(hào)潤(rùn)滑油導(dǎo)軌溝槽磨損情況

圖10 32號(hào)潤(rùn)滑油，實(shí)驗(yàn)里程7.2 km后

圖11 68號(hào)潤(rùn)滑油，實(shí)驗(yàn)里程270 km后

本次試驗(yàn)是低速重載條件下對(duì)油品的潤(rùn)滑效果試驗(yàn)。在這樣的低速重載條件下運(yùn)行，32 號(hào)潤(rùn)滑油黏度低，油膜厚度不夠，不能充分把摩擦面隔開(kāi)，造成潤(rùn)滑不足，摩擦加劇，導(dǎo)致局部溫度升高，加速潤(rùn)滑油氧化變質(zhì)。油氧化變質(zhì)又引起潤(rùn)滑不良、形成氧化副產(chǎn)物如紅色油泥等，嚴(yán)重影響導(dǎo)軌壽命。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)摩擦磨損的基本原理[8-10]，分析圖3～5和表1，可將導(dǎo)軌副磨損大致分為磨合、穩(wěn)定磨損和急劇磨損3 階段，乏/無(wú)油潤(rùn)滑和充分潤(rùn)滑磨損狀況對(duì)比如圖12 所示。對(duì)3 個(gè)階段摩擦磨損分析如下。

圖12 導(dǎo)軌副磨損狀態(tài)示意圖

3.1 乏油潤(rùn)滑磨損階段（0～20 km）

由于試驗(yàn)前導(dǎo)軌副不添加油脂，且將導(dǎo)軌、滑塊、鋼球表面擦拭干凈，但仍有油膜粘附在各零件的表面，該狀態(tài)并不是完全理想的干摩擦，而是一種乏油潤(rùn)滑狀態(tài)。運(yùn)行10 km后的導(dǎo)軌溝槽，與實(shí)驗(yàn)前的導(dǎo)軌溝槽進(jìn)行對(duì)比可知表面無(wú)明顯變化。

該段主要為黏著磨損，又稱咬合磨損，接觸面有潤(rùn)滑，但滑塊、導(dǎo)軌的溝槽部位存在微刀痕，磨損較快，有少量微粒脫落。如果在該階段有良好的循環(huán)潤(rùn)滑帶走脫落微粒，則下一段則進(jìn)入穩(wěn)定的、正常磨損階段，可保證運(yùn)行到正常工作壽命。該階段后期（實(shí)驗(yàn)里程15～20 km），粘附在摩擦副表面的油膜已基本耗盡，摩擦副開(kāi)始進(jìn)入無(wú)油潤(rùn)滑/干摩擦狀態(tài)，摩擦副表面局部溫度升高，開(kāi)始剝落出少量金屬顆粒，暴露在空氣中形成紅褐色的氧化鐵顆粒，由滑塊推移到導(dǎo)軌的兩端，如圖7所示。該里程段溫度、噪聲持續(xù)升高，拖動(dòng)力持續(xù)下降，如圖5（c） 所示。

3.2 無(wú)油潤(rùn)滑/干摩擦階段 （20～45 km）

該階段基本處于無(wú)油潤(rùn)滑/干摩擦工況，隨著黏著磨損的加劇，滾珠與滑塊、導(dǎo)軌溝槽的表面會(huì)產(chǎn)生金屬顆粒剝落，隨著顆粒的增多，磨料磨損現(xiàn)象逐漸增加，摩擦副兩表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，剝落的硬質(zhì)顆粒或表面凸起部分造成摩擦表面的脫落，稱為磨料磨損。此階段是二體磨損轉(zhuǎn)化為三體磨損的過(guò)程，即開(kāi)始在摩擦副表面之間加入了外來(lái)物，或由摩擦副自身產(chǎn)生的磨粒，三體磨損主要為磨料磨損。隨著磨料磨損增加，溫度升高，剝落的金屬顆粒增多，并暴露在空氣中形成紅褐色的氧化鐵顆粒，由滑塊推移到導(dǎo)軌的兩端，如圖8所示。此階段特點(diǎn)是：前段以黏著磨損和磨料磨損共存，后段基本是磨料磨損。對(duì)導(dǎo)軌副的綜合性能而言，這個(gè)階段已是失效。

3.3 急劇磨損→失效運(yùn)行階段（45～70 km）

由于該階段基本處于無(wú)油潤(rùn)滑/干摩擦工況，該階段特點(diǎn)是：導(dǎo)軌副的摩擦磨損進(jìn)入惡性循環(huán)，即磨損加劇、脫落顆粒增多→預(yù)緊力消失/導(dǎo)軌副間隙產(chǎn)生→運(yùn)動(dòng)的滑塊產(chǎn)生振動(dòng)→產(chǎn)生尖銳噪聲。實(shí)際滾動(dòng)導(dǎo)軌副在乏油/無(wú)油潤(rùn)滑（干摩擦）使用時(shí)，以上分析的幾個(gè)過(guò)程并無(wú)明顯界限。

3.4 現(xiàn)象的分析與討論

（1） 導(dǎo)軌副溝槽亮帶與滾珠表面形貌

導(dǎo)軌副在理論上處于點(diǎn)接觸的純滾動(dòng)狀態(tài)，具有動(dòng)摩擦系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，接觸區(qū)仍存在微滑動(dòng)（差動(dòng)滑動(dòng)），產(chǎn)生摩擦熱量和功率損失使導(dǎo)軌副溫度升高，在乏/無(wú)油潤(rùn)滑工況下，硬性顆粒在導(dǎo)軌/滑塊溝槽的表面滑動(dòng)，產(chǎn)生磨料磨損和機(jī)械損傷，形貌特征為無(wú)方向性的線狀光亮帶[11]。后期產(chǎn)生局部剝落受損，形貌上呈現(xiàn)麻點(diǎn)和淺凹坑等，如圖8（b）所示。同時(shí)密封件嚴(yán)重磨損，導(dǎo)軌副徹底失效。

（2） 噪聲的產(chǎn)生[12]

如圖1 所示，導(dǎo)軌副工作時(shí)，滾珠從導(dǎo)軌和滑塊構(gòu)成的圓弧溝槽進(jìn)入反向器的滾道，即從承載滾道進(jìn)入卸載滾道，實(shí)現(xiàn)滾珠的無(wú)限循環(huán)運(yùn)動(dòng)和滑塊的往復(fù)快速直線運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的根源。潤(rùn)滑良好時(shí)，理論上滾珠與溝槽表面存在油膜，無(wú)直接接觸，噪聲可控制小于65 dB。在無(wú)潤(rùn)滑、高速或?qū)к壐鳖A(yù)緊力消失（甚至出現(xiàn)間隙）的工況下運(yùn)行，滾珠直接與溝槽和反向器滾道發(fā)生摩擦、沖擊碰撞，導(dǎo)致滑塊明顯振動(dòng)，并伴隨產(chǎn)生尖銳噪聲，其值增至88～90 dB，如表1所示。

（3）磨粒分析

在乏油油潤(rùn)滑的工況下，導(dǎo)軌副運(yùn)行60 km后，滑塊與導(dǎo)軌的溝槽、鋼球均磨損嚴(yán)重，拖動(dòng)力下降為零。密封端蓋磨損嚴(yán)重，溝槽位置破損嚴(yán)重。圖8（d）所示的堆積在導(dǎo)軌的兩端的顆粒，結(jié)果表明，摩擦副早期的黏著磨損是其承載面上產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，初期顆粒較小，如發(fā)生更嚴(yán)重黏著滑動(dòng)，磨粒呈撕扯條狀，摩擦副表面有平行劃痕亮帶。黏著磨損再進(jìn)一步發(fā)展，磨粒局部乃至整體呈紅褐色。是承載面潤(rùn)滑油膜破裂或無(wú)潤(rùn)滑油，導(dǎo)致金屬表面微凸體直接摩擦接觸、形成局部過(guò)熱引起的[9-10]。

磨料磨損產(chǎn)生的顆粒是摩擦副異常磨損的標(biāo)志，嚴(yán)重破壞摩擦副表面。該磨損主要是由于摩擦副工作過(guò)程中表面脫落硬質(zhì)固體顆粒以及外來(lái)異物導(dǎo)致的。本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的紅褐色切削磨損顆粒，如圖8（d）所示，符合上述分析，屬于導(dǎo)軌、滑塊溝槽和鋼球表面脫落硬質(zhì)固體顆粒。

4 結(jié)束語(yǔ)

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是精密的直線導(dǎo)向功能部件，廣泛應(yīng)用各種制造裝備，對(duì)導(dǎo)軌副合理潤(rùn)滑直接影響其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、精度、磨損、噪聲、振動(dòng)等。本文通過(guò)對(duì)LGS30AA滾動(dòng)導(dǎo)軌副磨損實(shí)驗(yàn)與分析，得出以下結(jié)論。

（1）在乏油/無(wú)潤(rùn)滑的工況下，滾動(dòng)導(dǎo)軌副磨損主要為磨料磨損，其實(shí)驗(yàn)里程不超過(guò)60 km，遠(yuǎn)小于正常工作壽命。

（2）在充分潤(rùn)滑的前提下，不同工況下正確使用潤(rùn)滑油直接關(guān)系到滾動(dòng)導(dǎo)軌副的壽命。在本文低速重載試驗(yàn)中的采用32 號(hào)潤(rùn)滑油時(shí)，實(shí)驗(yàn)里程在7.2 km 時(shí)，潤(rùn)滑油就開(kāi)始變紅，滑塊與導(dǎo)軌表面粘有紅色粘附物；而68號(hào)潤(rùn)滑油能滿足使用要求。

總之，導(dǎo)軌副的滑潤(rùn)要根據(jù)其使用過(guò)程的工作速度，承載情況以及環(huán)境等因素綜合做出選定。