1. 導(dǎo)軌副摩擦磨損試驗(yàn)流程

為研究滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的磨損形貌和磨損機(jī)理，現(xiàn)針對(duì)不同廠家無(wú)預(yù)緊力導(dǎo)軌副開(kāi)展跑合加載條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，樣本如表1所示。試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象為導(dǎo)軌副摩擦力和滾道形貌。

表1 不同廠家產(chǎn)品型號(hào)

試驗(yàn)流程如圖1所示，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副跑合一定公里數(shù)后，檢測(cè)導(dǎo)軌副摩擦力，通過(guò)觀察試驗(yàn)期間磨損最劇烈的滑塊滾道形貌，分析其與性能數(shù)據(jù)變化的關(guān)系；檢查導(dǎo)軌副是否跑合結(jié)束，若未結(jié)束，則繼續(xù)跑合，重復(fù)上述步驟；若跑合結(jié)束，切割導(dǎo)軌滾道并通過(guò)掃描電鏡(SEM)分析磨損機(jī)理；結(jié)束試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

圖1 導(dǎo)軌副摩擦磨損試驗(yàn)流程

2. 導(dǎo)軌副摩擦力分析

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦力產(chǎn)生的原因是多方面的，主要有滾動(dòng)體與滾道之間的摩擦、滾動(dòng)體進(jìn)出反向器而產(chǎn)生的阻力以及滾動(dòng)體自旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦。摩擦力又稱作預(yù)緊拖動(dòng)力，摩擦力不均勻或者摩擦力數(shù)值特別大都會(huì)影響導(dǎo)軌副的運(yùn)行精度、裝配精度和預(yù)緊力，所以要對(duì)摩擦力進(jìn)行檢測(cè)，以此評(píng)價(jià)導(dǎo)軌副性能的好壞。另外，跑合時(shí)摩擦力的波動(dòng)趨勢(shì)，可以反映滾動(dòng)體與滾道接觸的均勻性以及磨損的快慢，判斷導(dǎo)軌副是否有破損或故障、鋼球卡滯的現(xiàn)象。

2.1 摩擦力檢測(cè)試驗(yàn)方法

加載試驗(yàn)使用導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，如圖2所示。導(dǎo)軌副通過(guò)掛壁式安裝在試驗(yàn)臺(tái)底板上，跑合龍門通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪施加載荷，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條完成驅(qū)動(dòng)跑合。試驗(yàn)載荷為30%額定動(dòng)載荷，速度為60m/min。試驗(yàn)截止條件定為全壽命，經(jīng)計(jì)算，全壽命截止里程為680km，潤(rùn)滑脂手動(dòng)潤(rùn)滑。

圖2 導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)臺(tái)

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 13818-2020[12]，檢測(cè)導(dǎo)軌副跑合過(guò)程中的預(yù)緊拖動(dòng)力，即摩擦力，使用導(dǎo)軌副預(yù)緊拖動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)，如圖3所示。移動(dòng)平臺(tái)由測(cè)力計(jì)推動(dòng)滑塊移動(dòng)檢測(cè)摩擦力大小。

圖3 導(dǎo)軌副預(yù)緊拖動(dòng)力與精度測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)

2.2 摩擦力檢測(cè)結(jié)果

（1）導(dǎo)軌副摩擦力數(shù)據(jù)

A廠家導(dǎo)軌副摩擦力數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖可知，摩擦力從0.5~1.5N的波動(dòng)增加到1~3N的波動(dòng)，在試驗(yàn)?zāi)┢谀Σ亮Τ霈F(xiàn)了劇烈的波動(dòng)。

圖4 A廠家導(dǎo)軌副試驗(yàn)前后摩擦力變化

B廠家導(dǎo)軌副摩擦力數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖可知，摩擦力從1~2N的波動(dòng)增加到0.5~2N的波動(dòng)，試驗(yàn)?zāi)┢诘哪Σ亮Σ▌?dòng)也有輕微加劇。相較之下，A廠家導(dǎo)軌副在試驗(yàn)截止處的摩擦力變化更劇烈。兩廠家首末測(cè)得的摩擦力存在較大的差異，反映了兩家導(dǎo)軌副在耐磨性能上的不同。

圖5 B廠家導(dǎo)軌副試驗(yàn)前后摩擦力變化

（2）導(dǎo)軌副摩擦力的時(shí)域分析

時(shí)域分析是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算相應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)判斷運(yùn)行狀態(tài)，具有對(duì)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)能力。常用時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)有均值、峭度等，均值表現(xiàn)了數(shù)據(jù)總體的平均大小，峭度反映數(shù)據(jù)整體發(fā)生突變的程度。其中，峭度的計(jì)算公式為

摩擦力時(shí)域特征以均值和峭度值作為分析對(duì)象。均值代表了磨損對(duì)導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)所受阻力的影響，變化如圖6所示。兩家導(dǎo)軌副正反摩擦力平均值都保持在1~2N之間，差異性不大，對(duì)磨損并不敏感。

圖6 兩廠家導(dǎo)軌副摩擦力正反均值

摩擦力峭度越大，代表包含的非規(guī)律大幅值越多，說(shuō)明滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻礙次數(shù)越多，導(dǎo)軌副運(yùn)行越不順暢。如圖7所示，A廠家正反向峭度值都高于B廠家，說(shuō)明摩擦力跳動(dòng)很大，其運(yùn)動(dòng)非常不順暢。A廠家導(dǎo)軌副在反向運(yùn)動(dòng)情況最為惡劣，其峭度值在整個(gè)試驗(yàn)期間劇烈波動(dòng)，最大值超過(guò)100。B廠家導(dǎo)軌副正反峭度值維持在3~4N之間，最大值僅達(dá)到21.8663，相較之下，B廠家導(dǎo)軌副滑塊運(yùn)動(dòng)沒(méi)有較大的阻礙?？芍?/span>A廠家導(dǎo)軌副運(yùn)行流暢程度差于B廠家。

圖7 兩廠家導(dǎo)軌副摩擦力峭度

3. 導(dǎo)軌副滾道磨損形貌觀測(cè)

表面形貌是機(jī)械磨損機(jī)理最直接和最主要的判別依據(jù)，不同的磨損過(guò)程對(duì)表面形貌的損傷形式差別較大。導(dǎo)軌副滾道的表面形貌包括滑塊滾道和導(dǎo)軌滾道的表面形貌。導(dǎo)軌副在運(yùn)行期間產(chǎn)生的磨損會(huì)反映在滾道的表面形貌上，對(duì)其進(jìn)行觀察有利于判斷磨損機(jī)理并研究磨損對(duì)于性能退化的影響。

3.1 磨損形貌觀測(cè)試驗(yàn)方法

滾道磨損表面觀測(cè)設(shè)備為3800萬(wàn)高清光學(xué)顯微鏡設(shè)備，可將滑塊以及導(dǎo)軌滾道放大30~200倍進(jìn)行觀察拍照。通過(guò)FEI Quanta 250 FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡，可對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后的導(dǎo)軌、滑塊滾道表面磨損形貌進(jìn)行檢測(cè)，判別疲勞點(diǎn)蝕、黏著磨損、磨粒磨損的類型以及長(zhǎng)度標(biāo)定和磨斑測(cè)量。

3.2 磨損形貌觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

（1）滑塊磨損形貌觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

按照min-max歸一化方法求解無(wú)量綱指標(biāo)作為摩擦力波動(dòng)指標(biāo)，以此比較不同廠家導(dǎo)軌副磨損對(duì)摩擦力整體波動(dòng)的影響。觀察摩擦力波動(dòng)指標(biāo)，其變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖可知，A廠家導(dǎo)軌副在60km處和520km處的反向摩擦力發(fā)生了較大的波動(dòng)，在60km后導(dǎo)軌副摩擦力的波動(dòng)恢復(fù)正常，緩慢增長(zhǎng)，而在520km后導(dǎo)軌副摩擦力的波動(dòng)程度急劇增長(zhǎng)。

圖8 不同廠家摩擦力波動(dòng)的變化

觀察處于該階段的滾道，導(dǎo)軌副內(nèi)部滾道區(qū)域如圖9所示，滑塊滾道按位置分為承載區(qū)和過(guò)渡區(qū)。在過(guò)渡區(qū)，滾珠速度突變大，對(duì)滾道的沖擊碰撞力大，容易出現(xiàn)滾道損傷。

圖9 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副內(nèi)部滾道區(qū)域劃分示意圖

結(jié)合摩擦力的頻域最大幅值可知，由于內(nèi)部出現(xiàn)了滾動(dòng)循環(huán)故障，導(dǎo)致摩擦力的波動(dòng)陡增。如圖10所示，在跑合60km處，在A廠家導(dǎo)軌副滑塊滾道反方向過(guò)渡區(qū)表面出現(xiàn)損傷，跑合到520km時(shí)，導(dǎo)軌副滑塊滾道的反向過(guò)渡區(qū)發(fā)現(xiàn)滾道損傷面積增長(zhǎng)。此損傷導(dǎo)致A廠家導(dǎo)軌副磨損較劇烈，滑塊滾道表面磨損痕跡明顯。

圖10 A廠家導(dǎo)軌副滑塊內(nèi)部損傷面積變化

其摩擦力如圖11所示，反向摩擦力此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，由于剝落導(dǎo)致滾動(dòng)在運(yùn)行時(shí)不能順暢地進(jìn)入返向區(qū)形成阻礙。此階段后，摩擦力的波動(dòng)沒(méi)有隨跑合而消失，反而繼續(xù)增長(zhǎng)，這表明此處的損傷面積所帶來(lái)的影響已經(jīng)無(wú)法隨著磨合而消除，導(dǎo)軌副出現(xiàn)了內(nèi)部循環(huán)故障。

圖11 A廠家導(dǎo)軌副520km處反向摩擦力數(shù)據(jù)

B廠家導(dǎo)軌副在跑合過(guò)程中表現(xiàn)穩(wěn)定，滾道的前后對(duì)比如圖12所示，在理論壽命處B導(dǎo)軌副滾道面僅僅出現(xiàn)了輕微的條狀磨損痕跡，并無(wú)破損現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖12 B導(dǎo)軌副滑塊試驗(yàn)前后滾道

（2）導(dǎo)軌滾道磨損形貌觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

滾道微觀形貌如圖13所示。A導(dǎo)軌上滾道加減速區(qū)和勻速區(qū)的磨損比B導(dǎo)軌上滾道加減速區(qū)和勻速區(qū)的磨損更加嚴(yán)重。A和B導(dǎo)軌表面的未跑合區(qū)微觀形貌基本一致。導(dǎo)軌的加減速區(qū)比勻速區(qū)磨損更加嚴(yán)重，因?yàn)樵搮^(qū)域在動(dòng)靜摩擦力的交替下，不易形成油膜。導(dǎo)軌勻速區(qū)可以看到明顯的沿跑合方向的犁溝和典型的粘著撕裂，存在塑變皺褶和撕裂坑，是磨粒磨損和粘著磨損造成的。相比未跑合區(qū)密集的條紋，跑合區(qū)的犁溝條紋變得分散，可以理解為一開(kāi)始滾道表面高低不平，存在一些雜質(zhì)顆粒，跑合階段伴隨著輕微的磨粒磨損和粘著磨損，犁溝條紋逐漸變寬且出現(xiàn)粘著斑點(diǎn)。在穩(wěn)定磨損階段，伴隨著中度的磨粒磨損和粘著磨損，滾道表面因?yàn)槔鐪虾驼持毫?，粗糙度進(jìn)一步增加。

圖13 A、B導(dǎo)軌副磨損后導(dǎo)軌滾道不同區(qū)域磨損形貌

4. 結(jié)束語(yǔ)

本課題針對(duì)不同滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品摩擦磨損形貌對(duì)比分析問(wèn)題，對(duì)摩擦磨損后滑塊及導(dǎo)軌滾道的特征形貌進(jìn)行檢測(cè)，確定了其摩擦力與磨損機(jī)理的關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)，不同廠家導(dǎo)軌副摩擦力在波動(dòng)、時(shí)域峭度值方面有著較大的差異。A廠家導(dǎo)軌副摩擦力從跑合前的0.5~1.5N波動(dòng)增加到跑和后的1~3N波動(dòng)，在跑合結(jié)束時(shí)波動(dòng)更劇烈。B廠家則從1~2N的波動(dòng)增加到0.5~2N的波動(dòng)，優(yōu)于A廠家導(dǎo)軌副。A廠家反向摩擦力峭度值波動(dòng)劇烈，最大值超過(guò)100。而B廠家導(dǎo)軌副正反峭度值則維持在3~4之間，最大值僅達(dá)到21.9，優(yōu)于A廠家。

不同導(dǎo)軌副滾道磨損機(jī)理沒(méi)有顯著差別，滑塊滾道磨損以粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損為主，導(dǎo)軌滾道磨損以磨粒磨損和粘著磨損為主。

A導(dǎo)軌副的摩擦力有突變，滑塊滾道過(guò)渡區(qū)磨損表面有明顯的嚴(yán)重磨損。在跑合60km處，A廠家導(dǎo)軌副滑塊滾道反方向過(guò)渡區(qū)表面出現(xiàn)損傷，跑合到520km時(shí)，滑塊滾道的反向過(guò)渡區(qū)發(fā)現(xiàn)滾道損傷面積擴(kuò)大。此損傷導(dǎo)致了A廠家導(dǎo)軌副磨損較劇烈，摩擦力產(chǎn)生突變。