CN108071676B - 一种凹凸间隔分布微织构复合导轨及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凹凸间隔分布微织构复合导轨及其制作方法，涉及机床导轨表面处理技术领域。本发明包括导轨基体、微凹坑织构阵列和微凸起织构阵，所述微凹坑织构阵列与微凸起织构阵相邻间隔排列设于实施导轨基体的导轨表面上，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。本发明进一步提升导轨工作表面润滑性能，通过降低临界爬行速度提高机床的运行稳定性，减少磨损，抑制机床/导轨爬行现象。

Description

一种凹凸间隔分布微织构复合导轨及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种机床导轨表面处理技术，经激光微加工工艺，在机床导轨表面形成微凹坑织构与微凸起织构阵列间隔分布，且沿机床运动方向分布有连通微凹坑的微沟槽形貌，导轨表面全程分布有呈三角函数形状的宏观布油槽，具体涉及一种表面微织构导轨技术在机床产业中的应用。

技术背景

随着科技的进步，复杂精密零件需求量显著增加，精密机床在机械制造业中的地位举足轻重。机床导轨是整机关键组成部分，其性能直接影响到加工精度和机床寿命。机床导轨常见缺陷包括导轨接触面积大，油膜分布不均，粘着磨损增加导轨面处于边界润滑状态，磨损加剧动压或静压导轨表面，油膜又过厚，导轨浮起过高，被加工表面粗糙度增加，精度降低润滑油中混入灰尘或切屑，造成导轨面的擦伤和磨损由于润滑油分布不均匀，摩擦力发生突变发生爬行现象。导轨表面粗糙度异常、存在的磨损颗粒、发生粘着、导轨瞬间启动等都会导致爬行，但归根结底，摩擦力的突然变化是爬行现象的主要因素。

中国专利CN104551701A公开了一种复合微织构导轨，在导轨工作表面加工有序分布的微凹坑与微凸肩构成的复合形貌。虽然微凸肩的存在降低了静摩擦系数和动、静摩擦系数差，一定程度上抑制了爬行现象，但微凸肩使得机床与导轨间存在空隙导致微凹腔内的储油难以被带出形成完整的润滑膜，不具备实际解决技术问题的意义，反而使工作表面易磨损。此外在实际加工过程中既带有凹陷又带有凸起形貌的单一织构的成品率低，加工难度大，成本高。

为解决单一织构复合形貌加工困难，微凹坑储油、供油功能难以发挥，以及润滑油流动困难的问题，本发明采用激光在静导轨工作表面加工出微凹腔与微凸起织构单一形貌间隔分布的表面形貌，并在沿机床运动方向加工有连通微凹坑织构的微沟槽形貌，促进润滑油流动更为均匀的分布在整个导轨工作表面，有效发挥微凹坑的储油、供油功能，从而改善润滑性能，抑制爬行现象。

发明内容

本发明主要针对导轨工作表面易磨损和产生爬行现象，而具有复合形貌的单一织构难加工，且部分形貌织构功能受到限制，润滑油难以流动到贫油区域的问题，提出了一种凹凸间隔分布微织构复合导轨及其制作方法。

本发明采用的技术方案是在导轨承载及相对运动表面加工分布规则的凹凸间隔分布微织构复合，所述凹凸间隔分布微织构复合为微凹坑阵列和微凸起阵列等间距彼此相间隔排列，并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。同时在导轨表面沿导轨长度方向全程分布有宏观布油槽，所述布油槽的形状为三角函数曲线。

上述方案中，所述微凹坑形貌的几何参数为：凹坑直径d=20-500um，凹坑深度h=1-50um，形貌间距k1=100-2000um，形貌面积占有率为S1=1%-40%，面积占有率为微凹坑的面积之和与微凹坑织构阵列的所占面积之比。所述微凸起织构形貌的几何参数为：微凸起直径D=20-500um，微凸起高度H=1-10um，形貌间距k2=100-2000um，形貌面积占有率为S2=8%-50%，面积占有率为微凸起的面积之与微凸起织构阵列的所占面积之比。所述微沟槽为直线型槽或弧线型槽，微沟槽形貌的几何参数为：沟槽宽度b=20-300um，沟槽深度h2<凹坑深度h。所述微凹坑阵列和微凸起阵列等间距彼此相间隔排列是指两种形貌形成的织构阵列之间距离相等，且相邻同种形貌织构阵列长度L始终小于机床动导轨的总长。所述布油槽宽度为t=1-2mm，深度为q=1mm-3mm。

实现本发明具体包括以下几个步骤：

步骤1，设计导轨表面凹凸间隔分布微织构复合，微凹坑和微凸起织构形貌间隔分布存在导轨全部行程工作表面。

步骤2， 导轨表面进行前处理磨削工艺，使导轨表面粗糙度和几何公差达到激光微造型的要求：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度Rz≤3.2um，直线度和平面度≤0.01um。

步骤3，导轨清洁，用干棉布擦拭直到光亮无尘，去除表面灰尘及油污。

步骤4，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面加工微凹坑及微沟槽，采用混合式步进电机控制控制载有导轨的工作台线位移和角位移，保持激光束不动的加工方式制备相间分布的阵列微凹坑织构以及与沿机床运动方向倾斜、连通微凹坑的微沟槽，具体的激光加工参数激光波长532nm，离焦量0mm，脉冲宽度0.1-1.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为10-500 J/cm²，电流为10-25A，空气氛围。

步骤5，在导轨表面进行抛光处理，经由抛光去除激光加工微凹坑和微沟槽时产生的少量熔渣，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度为1200-1500#的软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。

步骤6，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面加工微凸起，采用混合式步进电机控制控制载有导轨的工作台线位移和角位移，保持激光束不动的加工方式制备与微凹坑相间分布的阵列微凸起，具体的激光加工参数激光波长1064nm，离焦量0mm，脉冲宽度0.1-1.0ms，脉冲频率300-500KHz，激光能量密度为200-500 J/cm²，电流为15-20A，单脉冲加工1~3次，空气氛围。

步骤7，采用数控铣床在导轨表面加工三角函数状的宏观布油槽，具体的加工参数为：主轴转速200-600mm/s，进给量10-100mm，切削深度1-3mm。

本发明的优势在于：（1）在机床导轨表面加工相间分布的微凹坑和微凸起形貌，主要解决了复合形貌单一织构加工困难，凹凸复合形貌中微凹坑储油、供油功能难以发挥的问题。（2）在沿机床运动方向加工连通相邻微凹坑的微沟槽主要解决了润滑油无法流动，不能及时向贫油区域补充润滑油的问题，进一步提升导轨工作表面润滑性能，通过降低临界爬行速度提高机床的运行稳定性，减少磨损，抑制机床/导轨爬行现象。经实验测试爬行的临界速度与未加工微形貌的光滑导轨相比降低了50%以上。（3）在导轨表面全程加工有弧形宏观布油槽，可以起到大面积润滑效果。（4）非接触式加工，不会对材料产生机械挤压或机械应力。（5）加工热量小，导轨无热变形。（5）激光加工效率高，成本低廉。

附图说明：

图1为单个微凸起形貌剖面图。

图2为单个微凹坑形貌剖面图。

图3为单条微沟槽形貌剖面图。

图4为一种带有凹凸间隔分布微织构复合形貌的滑动导轨表面示意图。

图5为一种带有凹凸间隔分布微织构复合形貌的矩形导轨图。

图6为一种带有凹凸间隔分布微织构复合形貌的三角形导轨图。

图7为一种带有凹凸间隔分布微织构复合形貌的燕尾形导轨图。

图8为一种带有凹凸间隔分布微织构复合形貌的滑动导轨表面的俯视图。

图中：1，导轨表面；2，微凹坑；3，微凸起；4，微沟槽；5，布油槽；6，矩形导轨的动导轨；7，矩形导轨的静导轨；8，三角形导轨的动导轨；9，三角形导轨的静导轨；10，燕尾形导轨的动导轨；11，燕尾形导轨的静导轨。

具体实施方式

下面以CA6140普通车床导轨为例对本发明的具体实施进行说明。

激光加工设备选用二极管泵浦激光器。CA6140普通车床导轨，导轨材料为45号钢，导轨类型为矩形滑动导轨，导轨总长1350mm。

实施例1。本发明实施例提供CA6140普通车床凹凸间隔分布微织构复合导轨制备方法，步骤为：

步骤1，CA6140普通车床，导轨类型为矩形滑动导轨，微凹坑2形貌具体几何参数为：微凹坑直径d=65um，微凹坑深度h1=5um，形貌间距k1=225um，形貌面积占有率S1=5%。微凸起3形貌具体几何参数：微凸起直径D=107mm，微凸起高度H=2um，形貌间距k2=200um，形貌面积占有率S2=22.5%。微沟槽4形貌具体几何参数：沟槽长度a=100mm，沟槽宽度b=45um，沟槽深度h2=5um，沟槽间距c=k1=225um。布油槽5形貌具体几何参数：长度w=2000mm，宽度t=1mm，深度q=2mm。

步骤2，导轨表面1进行激光微加工之前需要经过前处理工艺，前处理工艺采用磨削加工，使导轨表面1精度达到激光微加工的要求，表面粗糙度：参数轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度Rz≤3.2um，几何公差：直线度和平面度均要求≤0.01um。

步骤3，导轨清洁，用干棉布擦拭直到光亮无尘，去除表面灰尘及油污。

步骤4，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面激光加工微凹坑2织构，具体的激光加工参数激光波长为532nm，离焦量为0mm，单脉冲能量为1.6mJ，功率为2.56w，脉冲频率1.6KHz，激光能量密度为113.23J/cm²，电流为17A，单脉冲同点间隔重复加工2次，空气氛围。

步骤5，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面激光加工与沿机床运动方向倾斜、连通微凹坑2的直线型微沟槽4，具体的激光加工参数激光波长为532nm，离焦量为0mm，单脉冲能量为0.7mJ，功率为1.12w，脉冲频率1.6KHz，激光能量密度为49.54J/cm²，电流为14.4A，单脉冲同点间隔重复加工2次，空气氛围。

步骤6，在导轨表面进行抛光处理，经由抛光去除激光加工微凹坑2和微沟槽4时产生的少量熔渣，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度1500#的软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s。

步骤7，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面与微凹坑2相间区域激光加工微凸起3织构，具体的激光加工参数激光波长为1064nm，离焦量为0mm，脉冲宽度0.6ms，脉冲频率500KHz，激光能量密度为200J/cm²，电流为16A，单脉冲加工1次，空气氛围。

步骤8，采用数控铣床在导轨表面加工三角函数状的宏观布油槽5，具体的加工参数为：主轴转速500mm/s，进给量100mm，切削深度1mm。

实施例2，如图6所示，本发明的凹凸间隔分布微织构复合形貌应用于三角形导轨的静导轨9上，对应的是三角形导轨的动导轨8。

实施例3，如图7所示，本发明的凹凸间隔分布微织构复合应用于燕尾形导轨的静导轨11上，对应的是燕尾形导轨的动导轨10。

对经加工出的导轨测试，微凹坑形貌列阵面积占有率S1=6-16%，微凸起形貌列阵面积占有率S2=16-28%抑制爬行效果最佳，爬行的临界速度与未加工微形貌的光滑导轨相比降低了51.9%-54.2%。

上述实例只是为了说明本发明，而不是对本发明进行限制，对本发明所作的修改和改变，都应在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，包括导轨基体、微凹坑织构阵列和微凸起织构阵列，所述微凹坑织构阵列与微凸起织构阵列相邻间隔排列设于实施导轨基体的导轨表面上，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；相邻的所述微凹坑织构阵列或微凸起织构阵列间隔排列的同种形貌织构阵列的间距小于动轨的长度，相邻所述同种形貌织构阵列的间距相等；所述微凹坑形貌的几何参数为：凹坑直径d＝20-500um，凹坑深度h＝1-50um，形貌间距k1＝100-2000um，微凹坑形貌阵列的形貌面积占有率为S1＝1％-40％；所述微凸起织构形貌的几何参数为：微凸起直径D＝20-500um，微凸起高度H＝1-10um，形貌间距k2＝100-2000um，微凸起织构形貌阵列的形貌面积占有率为S2＝8％-50％；所述微凹坑形貌阵列和所述微凸起织构形貌阵列都大于2

行。

2.根据权利要求1所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述微沟槽形貌的几何参数为：沟槽宽度b＝20-300um，沟槽深度h2<微凹坑深度。

3.根据权利要求1所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述微凹坑形貌阵列的形貌面积占有率为S1＝6-16％。

4.根据权利要求1所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述微凸起织构形貌阵列的形貌面积占有率为S2＝16-28％。

5.根据权利要求1或2所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，在导轨表面沿导轨长度方向全程设有布油槽。

6.根据权利要求5所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述布油槽的形状为三角函数曲线。

7.根据权利要求6所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨，其特征在于，所述布油槽宽度为t＝1-2mm，深度为q＝1mm-3mm。

8.根据权利要求1—7中任一项所述的一种凹凸间隔分布微织构复合导轨的制作方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1，设计导轨表面凹凸间隔分布微织构复合，微凹坑和微凸起织构形貌间隔分布存在导轨全部行程工作表面；

步骤2，导轨清洁，用干棉布擦拭直到光亮无尘，去除表面灰尘及油污；

步骤3，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面加工微凹坑及微沟槽，采用混合式步进电机控制控制载有导轨的工作台线位移和角位移，保持激光束不动的加工方式制备相间分布的阵列微凹坑织构以及与沿机床运动方向倾斜、连通微凹坑的微沟槽，具体的激光加工参数激光波长532nm，离焦量0mm，脉冲宽度0.1-1.5ms，脉冲频率1-10KHz，激光能量密度为10-500J/cm2，电流为10-25A，空气氛围；之后，在导轨表面进行抛光处理，去除激光加工微凹坑时产生的熔渣，抛光工艺的参数为：结合剂为树脂，材质绿色碳化，粒度1500#的软砂条，压力0.8-1.0MPa，时间10-25s；

步骤4，采用二级管泵浦YAG激光器在导轨表面加工微凸起，采用混合式步进电机控制控制载有导轨的工作台线位移和角位移，保持激光束不动的加工方式制备与微凹坑相间分布的阵列微凸起，具体的激光加工参数激光波长1064nm，离焦量0mm，脉冲宽度0.1-1.0ms，脉冲频率300-500KHz，激光能量密度为200-500J/cm2，电流为15-20A，单脉冲加工1～3次，空气氛围。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述步骤4)之后，采用数控铣床在导轨表面加工三角函数状的布油槽，具体的加工参数为：主轴转速200-600mm/s，进给量10-100mm，切削深度1-3mm。

10.根据权利要求8或9所述的制作方法，其特征在于，所述步骤1)激光微造型的要求为：轮廓的算术平均偏差Ra≤0.8um，轮廓的最大高度Rz≤3.2um，直线度和平面度

≤0.01um。