1. 導軌副摩擦磨損試驗流程

為研究滾動直線導軌副的磨損形貌和磨損機理，現(xiàn)針對不同廠家無預緊力導軌副開展跑合加載條件下的摩擦磨損試驗，樣本如表1所示。試驗檢測對象為導軌副摩擦力和滾道形貌。

表1 不同廠家產(chǎn)品型號

試驗流程如圖1所示，滾動直線導軌副跑合一定公里數(shù)后，檢測導軌副摩擦力，通過觀察試驗期間磨損最劇烈的滑塊滾道形貌，分析其與性能數(shù)據(jù)變化的關系；檢查導軌副是否跑合結束，若未結束，則繼續(xù)跑合，重復上述步驟；若跑合結束，切割導軌滾道并通過掃描電鏡(SEM)分析磨損機理；結束試驗，分析試驗結果，得出結論。

圖1 導軌副摩擦磨損試驗流程

2. 導軌副摩擦力分析

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

2.1 摩擦力檢測試驗方法

加載試驗使用導軌副可靠性試驗臺進行，如圖2所示。導軌副通過掛壁式安裝在試驗臺底板上，跑合龍門通過旋轉(zhuǎn)手輪施加載荷，由電機帶動齒輪齒條完成驅(qū)動跑合。試驗載荷為30%額定動載荷，速度為60m/min。試驗截止條件定為全壽命，經(jīng)計算，全壽命截止里程為680km，潤滑脂手動潤滑。

圖2 導軌副可靠性試驗臺

依據(jù)行業(yè)標準JB/T 13818-2020[12]，檢測導軌副跑合過程中的預緊拖動力，即摩擦力，使用導軌副預緊拖動力試驗臺檢測，如圖3所示。移動平臺由測力計推動滑塊移動檢測摩擦力大小。

圖3 導軌副預緊拖動力與精度測量試驗臺

2.2 摩擦力檢測結果

（1）導軌副摩擦力數(shù)據(jù)

A廠家導軌副摩擦力數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖可知，摩擦力從0.5~1.5N的波動增加到1~3N的波動，在試驗末期摩擦力出現(xiàn)了劇烈的波動。

圖4 A廠家導軌副試驗前后摩擦力變化

B廠家導軌副摩擦力數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖可知，摩擦力從1~2N的波動增加到0.5~2N的波動，試驗末期的摩擦力波動也有輕微加劇。相較之下，A廠家導軌副在試驗截止處的摩擦力變化更劇烈。兩廠家首末測得的摩擦力存在較大的差異，反映了兩家導軌副在耐磨性能上的不同。

圖5 B廠家導軌副試驗前后摩擦力變化

（2）導軌副摩擦力的時域分析

時域分析是利用統(tǒng)計學的方法計算相應統(tǒng)計學參數(shù)判斷運行狀態(tài)，具有對數(shù)據(jù)的評價能力。常用時域統(tǒng)計參數(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，峭度的計算公式為

摩擦力時域特征以均值和峭度值作為分析對象。均值代表了磨損對導軌副運動所受阻力的影響，變化如圖6所示。兩家導軌副正反摩擦力平均值都保持在1~2N之間，差異性不大，對磨損并不敏感。

圖6 兩廠家導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，說明滑塊運動時受到的阻礙次數(shù)越多，導軌副運行越不順暢。如圖7所示，A廠家正反向峭度值都高于B廠家，說明摩擦力跳動很大，其運動非常不順暢。A廠家導軌副在反向運動情況最為惡劣，其峭度值在整個試驗期間劇烈波動，最大值超過100。B廠家導軌副正反峭度值維持在3~4N之間，最大值僅達到21.8663，相較之下，B廠家導軌副滑塊運動沒有較大的阻礙?？芍?/span>A廠家導軌副運行流暢程度差于B廠家。

圖7 兩廠家導軌副摩擦力峭度

3. 導軌副滾道磨損形貌觀測

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

3.1 磨損形貌觀測試驗方法

滾道磨損表面觀測設備為3800萬高清光學顯微鏡設備，可將滑塊以及導軌滾道放大30~200倍進行觀察拍照。通過FEI Quanta 250 FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡，可對試驗結束后的導軌、滑塊滾道表面磨損形貌進行檢測，判別疲勞點蝕、黏著磨損、磨粒磨損的類型以及長度標定和磨斑測量。

3.2 磨損形貌觀測試驗結果

（1）滑塊磨損形貌觀測試驗結果

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

圖8 不同廠家摩擦力波動的變化

觀察處于該階段的滾道，導軌副內(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)和過渡區(qū)。在過渡區(qū)，滾珠速度突變大，對滾道的沖擊碰撞力大，容易出現(xiàn)滾道損傷。

圖9 滾動直線導軌副內(nèi)部滾道區(qū)域劃分示意圖

結合摩擦力的頻域最大幅值可知，由于內(nèi)部出現(xiàn)了滾動循環(huán)故障，導致摩擦力的波動陡增。如圖10所示，在跑合60km處，在A廠家導軌副滑塊滾道反方向過渡區(qū)表面出現(xiàn)損傷，跑合到520km時，導軌副滑塊滾道的反向過渡區(qū)發(fā)現(xiàn)滾道損傷面積增長。此損傷導致A廠家導軌副磨損較劇烈，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，反向摩擦力此時已經(jīng)發(fā)生了劇烈的波動，由于剝落導致滾動在運行時不能順暢地進入返向區(qū)形成阻礙。此階段后，摩擦力的波動沒有隨跑合而消失，反而繼續(xù)增長，這表明此處的損傷面積所帶來的影響已經(jīng)無法隨著磨合而消除，導軌副出現(xiàn)了內(nèi)部循環(huán)故障。

圖11 A廠家導軌副520km處反向摩擦力數(shù)據(jù)

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

圖12 B導軌副滑塊試驗前后滾道

（2）導軌滾道磨損形貌觀測試驗結果

滾道微觀形貌如圖13所示。A導軌上滾道加減速區(qū)和勻速區(qū)的磨損比B導軌上滾道加減速區(qū)和勻速區(qū)的磨損更加嚴重。A和B導軌表面的未跑合區(qū)微觀形貌基本一致。導軌的加減速區(qū)比勻速區(qū)磨損更加嚴重，因為該區(qū)域在動靜摩擦力的交替下，不易形成油膜。導軌勻速區(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。在穩(wěn)定磨損階段，伴隨著中度的磨粒磨損和粘著磨損，滾道表面因為犁溝和粘著撕裂，粗糙度進一步增加。

圖13 A、B導軌副磨損后導軌滾道不同區(qū)域磨損形貌

4. 結束語

本課題針對不同滾動直線導軌副產(chǎn)品摩擦磨損形貌對比分析問題，對摩擦磨損后滑塊及導軌滾道的特征形貌進行檢測，確定了其摩擦力與磨損機理的關系。

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

不同導軌副滾道磨損機理沒有顯著差別，滑塊滾道磨損以粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損為主，導軌滾道磨損以磨粒磨損和粘著磨損為主。

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