机床导轨爬行现象的产生机理研究

机床导轨爬行现象的产生机理研究

摘要：机床导轨爬行现象直接影响着这个机床系统的加工质量，危害很大。该文通过对机床导轨系统的简易模型研究出发，通过对振动方程的分析，研究机床导轨系统振动机理，讨论导致机床导轨爬行现场产生的原因。同时，针对爬行问题的解决，提出一系列的防治措施和对策。

关键词：机床爬行现象摩擦自激振动

1 机床导轨爬行的产生机理

1.1 机床导轨给进系统的模型

关于机床导轨给进系统的简化运动模型如图1所示。机床的驱动系统一个弹性系统，机床导轨在进行运行的时候，传送带驱动体以速度v向左进行匀速的运动。在移动开始的短时间内，因为摩擦阻力的因素影响，质体M是静止的。驱动弹性系统的弹簧开始压缩。驱动体移动弹簧压缩，当移动达到一定距离x0的时候，弹簧的弹性势能K大于静摩擦力F的时候，质体M移动。移动后摩擦力发生变化，由静摩擦力F向动摩擦力F转化。由摩擦力的特性可推断出F<K。弹簧势能到一定程度后给释放给质体M以加速度作用，弹簧势能减弱到与动摩擦力相等时，理论上来讲质体M的运动应该是匀速的。但是因为惯性的影响，质体M依然存在加速度向前跳跃，弹簧的弹性势能减小到低于摩擦力，摩擦力在缺乏降低特性的条件下发挥作

用，因此不会产生导轨爬行的现象。但是，因为存在阻力，质体M 逐渐减速。如果惯性较大，弹性势能不足以保持质体M的运动而使其停顿。这种运动过程的连续重复出现的结果就显示成为机床导轨的爬行现象。

1.2 机床导轨系统爬行运动的微分方程

从方程（1）中可见，质体M爬行现象的产生受其本身质量m，弹簧刚度k及其阻尼系统c1的影响，同时跟随着滑动速度变化的摩擦力变化f也有关系。但是要确定导轨与质体间的摩擦特性是存在一定的难度的，所以现今对导轨系统的爬行机理也只是以描述不同方式的使用来加以实现。通过对系统的研究分析发现，在速度变化不明显的情况下，摩擦力在偏离静态的瞬时变化与速度变化成正比例关系。以C2来代表瞬时摩擦力，进行推理计算可得出结论方程式，来判断导轨系统是否稳定。结论方程式为：

2 机床导轨爬行问题的防治措施

2.1 改善摩擦特性，减少动静摩擦系数之差

2.1.1 导轨材料的选择

导轨材料可选择采用摩擦系数较好的非金属材料。摩擦特性和材料本身有很大的关系，材料不同，摩擦特性也不同。非金属材料具有摩擦系统低，防爬性好，动摩擦系数接近的特点。同时化学稳定性和可加工性也比其它材料有优势，而且其工艺简单，成本也不高。现在导轨材料的选择中，塑料材质越来越受到青睐。以这种非金属材质做成的导轨已经在各类车、铣、磨、铇、镗床上成功的应用，其表现出来的防爬效果良好，受到广泛的认可。

2.1.2 采用静压导轨或者滚动导轨

因为静压导轨的压力油的供给是靠供油系统来完成的。支撑油箱中的压力通过节油系统进行调节，同外载压力保持压力的平衡性。这种导轨系统使支撑处在一种纯液体摩擦的状态下，在任何相对速度下都能够保持持续的运转。就算是速度极低甚至停止的状态下仍然能够保持完全的液体状态，因其摩擦系统无论是动态还是静态都很小，所以在速度极低的情况下也不会有爬行现象产生，运动表现非常平稳。同时还具有精度高和抗震性好的优势。现今，静压导轨已经被采用于老机床的改造任务当中，具有很大的推广潜力。滚动导轨的运动是依靠滚动体来实现的，动静摩擦系统也很小，在低速度的运行下也不会

产生爬行，但是同静压导轨相比，此种导轨成本较高，结构更加复杂，多被应用于高精度要求的机床中。

2.2 提高传动系统刚性，增大阻尼系数

系统的刚性增强可使机床导轨在速度较低的情况下也能够稳定的运动。可从机床导轨的机械传动系统和液压传动系统两方面来进行传动系统的刚性的提高。通过缩短传动链或者选择使用刚度高的传动部件。同时注意在系统中安装有排气阀，以便于系统中空气的排出，提高系统的刚性。对液压部件进行性能修复，来消除爬行现象。另外可在传动系统中安装设置阻尼器，增大系统振动的阻尼系数，达到防治导轨爬行产生的目的。

3 结语

机床导轨出现爬行现象，其影响的因素是多方面的。机床导轨运行的环境，工作的各种参数等等都可能引起导轨爬行现象的产生。爬行发生的情况程度各不相同，引起的原因也不同，必须针对爬行发生的具体原因，进行仔细的研究考察，以根据不同的原因，采用相对应的防治维修措施，使防爬行的工作获得良好的效果，从而使机床稳定持续的安全运行，获得最大的工作效益。

参考文献

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