【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及各类数控机床以及半导体制造设备中的滚动导轨的设计选择和精度预测的方法。具体而言，涉及一种针对滚动导轨在工况条件下受热发生摩擦热膨胀效应的精度预测方法。属于机械工程和制造。
技术介绍
1、在现代工业领域，精度是精密机床所追求的一个关键指标。滚柱直线导轨是数控机床的关键运动部件之一，其主要功能是提供准确的运动控制和支撑。然而，在工作过程中，导轨受到内外界热源的影响发生热膨胀现象，热膨胀会导致导轨外部尺寸及内部承载发生变化，进而引起导轨与其他部件之间的间隙变化，影响到系统的精度。此外，长时间的使用和摩擦力的作用会导致导轨表面的磨损，进一步影响到系统的精度。为了有效地解决直线导轨热膨胀和磨损引起的精度变化问题，需要对其机理和影响因素进行深入研究。
2、针对于滚柱直线导轨精度退化的研究如今大多数仅依靠弹性接触和磨损，对于摩擦热膨胀的研究还没有深入到滚动导轨中，且对于archard磨损模型的修正往往忽略了温度和摩擦热膨胀的影响，故目前无论是对导轨磨损的预测还是最终直线轴的精度预测与实际还有着一定的差距，精确度往往不大。
技术实现思路
1、本专利技术提出一种考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，以解决导轨在长时间工作后精度衰退程度的精确度问题。从而对滚动导轨的设计阶段、选装阶段以及后续的维护阶段提供更为有效的计划，以提高设备的寿命和性能。
2、本专利技术采用的技术方案为一种考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，包含
3、步骤1：获取导轨所在机械设备的运行工况条件；
4、包括导轨横向载荷fx、导轨纵向载荷fy、绕z轴的旋转力矩mz、初始温度的弹性模量e0、线性热膨胀系数αt、有效滚柱数量n、滚柱与水平面夹角α、初始预紧力f0、钢制导轨泊松比ν、导轨滚柱半径r、滚柱长度le、滚柱中心与导轨中心x方向距离lx、滚柱中心与导轨中心y方向距离ly。
5、步骤2：根据导轨的运行工况条件得到导轨的四列滚柱的受力。
6、施加载荷后对单个滑块进行受力分析，考虑到滚柱直线导轨副在y轴方向载荷fy，x轴方向载荷fx和绕z轴的旋转力矩mz在坐标中心点o处的力平衡以及力矩平衡。并求出各列滚柱导轨副未运行前的滚柱变形量δi(i＝1，2，3，4，)以及扭转角度θ。
7、在此引入温度影响下弹性模量变化的线性热膨胀模型公式(1)：
8、e(t)＝e0×(1+αt·δt) (1)
9、式中e(t)为弹性模量关于温度的函数。δt为温度变化量。αt为线性热膨胀系数。
10、当滚柱导轨副受到所施加的y轴载荷fy、x轴载荷fx以及绕z轴的旋转力矩mz，滚柱与滚道之间的弹性接触载荷也会发生相应的变化，设q为某列中任意一个滚柱所受的法向接触力，δi为正常工况下法向接触力q导致的滚柱与双侧滚道的综合变形量。
11、由此可以得到某列某个滚柱所受到的接触面法向载荷qi的表达式如下面公式(2)所示。
12、
13、步骤3：根据步骤2获得的各滚柱的受力和变形量获取导轨在运行至热平衡时的摩擦热膨胀效应带来的热位移以及接触压力的增量。
14、由摩擦引起的热量q，摩擦生热后得到温升公式(3)：
15、
16、式中c为导轨副材料的比热容；me为热影响区域的质量。
17、热影响区域的质量me由下列公式(4)(5)计算：
18、me＝ρeve (4)
19、
20、式中ρe为滑块材料密度；ve为梯台体积；s1为左平面面积；s2为右平面面积；h为梯台的厚度，即滚柱的长度le。
21、可求得滚柱直线导轨副在正常工况下运作过程中的径向热膨胀距离εr的计算公式(6)：
22、εr＝δt·αt·r (6)
23、式中r为径向原长，在这里r为滚柱的直径da。
24、当发生热膨胀时，滚柱与滚道之间接触面的法向方向上也会发生法向接触压力的变化，接触压力的增量δp计算如下式(7)：
25、δp＝εr·e(t)·a (7)
26、式中a为一列滚柱与滚道的接触面积。由式(8)计算：
27、
28、式中e’为当量弹性模量。b为滚柱与滚道接触面积的宽度。
29、步骤4：根据步骤2以及步骤3获得的数据，对导轨运行长时间后滚柱的磨损进行预测。
30、由上文可知qi考虑了预紧力f0所带来的影响，并且在热膨胀效应的作用下，滚柱与滚道的接触面法向载荷产生增量δp，故在导轨正常运行过程中，滚柱承受接触面法向总载荷q公式(9)为：
31、q＝qi+δp (9)
32、根据archard理论，可得到滚柱在接触法向载荷q作用下的体积磨损量wv的计算公式(10)：
33、
34、式中ka为粘着磨损系数；l为滚柱在滚道中的滑动距离；h为较软材料的硬度。
35、由于弹性蠕滑现象的出现，滚柱直线导轨副的滚柱在滚道中的实际滚动距离要比纯滚动中的距离短。在实际工程中，由于滑块滚道硬度较低，故滚柱直线导轨的磨损主要发生在这个区域。而滚柱在滑块滚道中的滑动距离l可以通过弹性蠕滑率μe和滑块所运行的里程s计算，式(11)如下：
36、l＝μe·s (11)
37、弹性蠕滑率μe可以釆用如下式(12)计算得到：
38、
39、式中vs为导轨副运动速度；w为滚柱角速度；r0为滚道到滚柱中心的距离。其中:v＝wr,
40、代入archard理论后可得在导轨升温时间t1内的磨损体积wv1公式(13)为：
41、
42、式中：s1为升温时间的路程。
43、则升温时间t1第i列法向磨损深度hi1如下公式(14)：
44、
45、当导轨副达到热稳态，即运行时间为t1，接触压力的增量δp不再变化，则t1之后的磨损体积wv2公式(15)为：
46、
47、式中：s2为达到热稳态之后的路程。δpt1为t1时刻的接触压力增量。
48、则处于热稳态的时间t2第i列法向磨损深度hi2如下式(16)：
49、
50、步骤5：根据步骤4获得四列滚柱的磨损，结合摩擦热膨胀效应的热位移，完成对导轨整体x方向以及y方向和偏转角度的计算，从而获得精度在一定时间内的衰退预测。
51、基于叠加原理，将第i列滚柱在经历预紧、外加载荷、热力耦合变形以及粘着磨损综合作用下的x方向和y方向的最终弹性变形δxt、δyt用滚柱受载弹性变形δi，热膨胀εr、升温过程中的磨损深度hi1和达到热稳态后的磨损深度hi2关联的方程式表示，如下式(17)(18)：
52、
53、
54、由上式可得出整个滑块在载荷的作用下的x方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于：具体包括如下步骤，
2.如权利要求1所述的考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于，所述步骤二中的导轨的滚柱受力、变形和滑块偏移量的求解包括：
3.如权利要求1所述的考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于，所述步骤三中的导轨的热位移以及接触压力的增量求解包括：
4.如权利要求1所述的考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于，所述步骤四中的导轨运行长时间后滚柱的磨损进行求解包括：
5.如权利要求1所述的考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于，所述步骤五中的导导轨整体X方向以及Y方向和偏转角度的求解包括：
【技术特征摘要】
1.一种考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于：具体包括如下步骤，
2.如权利要求1所述的考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于，所述步骤二中的导轨的滚柱受力、变形和滑块偏移量的求解包括：
3.如权利要求1所述的考虑摩擦热膨胀效应的多随机参数下滚动导轨精度衰退的预测方法，其特征在于，所述步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：程强，张鸿驿，张涛，李迎，许静静，刘志峰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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