摘要：以一种光学设备滑架部件为例，分析了滑架轴承和滑杆相对运动时滑杆存在的严重磨损问题。通过对现有滑动结构失效的分析，对滑动结构进行了多方面优化研究，得出滑动结构的优化设计方案，并设计了新的滑动结构。对新结构的实际使用寿命进行实践验证，结果表明新的滑动结构可有效减少滑杆的磨损。
关键词：“滑架；行程轴承；磨损；优化设计
引言
从上世纪八十年代以来，全球光电科学技术发展与进步迅猛，我国光学加工设备研发，在引进消化吸收的基础上，也快速发展起来。光学产品的精度要求越来越高，加工光学产品的加工机床精度也必然要得到提高，这就涉及到此类机床设备的关键零部件的加工和装配精度的问题。滑架是抛光精磨机的关键部位，滑架的滑动运转是否灵活以及使用寿命长短、维修难度在很大程度上制约整个精磨机的加工难度、使用寿命和生产效率。光学行业所用的加工机床中，抛光精磨机滑架的主要组成部件———轴承和滑杆，要求运转时既要有灵活性、还要使他们之间的间隙最小，并且使用寿命尽可能的延长。目前存在的主要问题是，滑杆在使用过程中磨损严重，磨损快，影响玻璃加工的质量和生产效率。本文通过对现有的滑杆和轴承的加工选型进行介绍和对比，针对对光学精磨抛光机滑架在加工、装配、维修过程中，所出现的问题，以及如何保证滑架的精度和使用寿命等相关的问题，进行探讨和研究。以期得到更经济、精度更高、使用寿命更长的优化设计方案。
1现有滑架部件设计结构
滑架部件设计结构，如图1所示。左边部分为摆轴偏心结构，偏心尺寸可调(0mm～26mm)，是滑架运动的动力的输入端。右边部分为铁笔结构，是该设备加工工件的最终执行端。中间部分又分上、中、下三部分，上面为气缸压紧结构，提供铁笔工作的压力;中间为转动部分，传递偏心盘的旋转运动———转动;下面是整个滑架的滑动部分，传递偏心盘旋转运动———移动，同时，也是整体滑架的基础件，起支撑作用。整个滑架部件的运动，由摆轴带动偏心盘做圆周运动，再带动滑架运动(滑架转动和移动的合成运动)，最后，带动铁笔的旋转。铁笔运动轨迹是不规则的封闭曲线，此曲线有两段圆弧组成，上下对称，左右不对称，也可简称之为类椭圆轨迹，如图2。光学零件加工表面质量的提高，要求铁笔运动轨迹的重复性和规律性，这主要靠滑架中间部分运动的灵活性，而此运动灵活性的关键，是由两条滑杆和它配合滑动的直线轴承决定的。
2现有滑架部件严重磨损问题提出
近20年来，滑架部件滑块中的轴承一直沿用LM30UU型直线轴承，这里直线轴承主要起相对移动时的导向作用，轴承支撑点是固定不变的，铁笔运动轨迹如图2所示。两条滑杆分别和配套的直线轴承LM30UU做相对滑动，1年～3年的磨损情况如图3所示。磨损后滑杆和轴承的配合间隙会急剧变大，导致执行端铁笔运转不到位、不稳，加工的工件的精度大大降低，废品率升高。直线轴承LM30UU是外购的常用件，滑杆是自制件，直径Φ30mm，淬火硬度要求48HＲC～52HＲC，加工时，工件(光学玻璃)的材质、直径和铁笔压力大小不一样，造成滑杆受力情况不同，设备每天开机时间的长短，与滑架的保养等因素，都会造成图3中的严重磨损情况。在设备使用过程中，根据客户反映和跟踪调查，如图3的磨损现象，时间短的1年，长的2年～3年。滑架部件磨损时间短，维修费工费时，耽误生产，增加生产成本。到目前为止，这种比较严重的磨损情况一直不对称，也可简称之为类椭圆轨迹，如图2。光学零件加工表面质量的提高，要求铁笔运动轨迹的重复性和规律性，这主要靠滑架中间部分运动的灵活性，而此运动灵活性的关键，是由两条滑杆和它配合滑动的直线轴承决定的。没有大的、本质的改变。
3滑架磨损问题解决方法分析
为解决此磨损问题，目前共有三种解决方法。一是增大轴承内孔和滑杆轴的直径5mm，增大一个等级，用国内正规大厂生产的轴承，或选用进口直线轴承，来提高其强度和承载能力，以最大限度延缓磨损。二是改变滑杆材质，提高淬火硬度和表面质量，以增加滑杆的强度，但实际使用效果不明显。三是用铜套替代直线轴承，可增大接触面积，以减小磨损。但受加工精度、装配、滑动时的阻力和润滑等问题影响，实际使用效果不理想，被迫放弃。因此，从发现问题到现在10多年来，滑架部件一直沿用原来的结构。客户通常要做的是，注意平时对滑架磨损部位经常保养和定期维护。
4滑架部件结构改进
改变以往的思路和方法，本文从与滑杆接触的轴承和滑杆本身入手分析，首先提高滑杆的表面硬度提高其耐磨性，其次从轴承与滑杆的接触点分析，增加其接触的支撑点数量，并保证其滑动时的灵活性，改进方法如下:首先，设计定做直径Φ30直线轴承，增加周向的钢球列数，来提高滑杆接触的支撑点数。因受其钢球往复运动的结构限制，不可能增加太多，如把原来的6列增加到8～9列，支撑点数可提高到原来的1.5倍，但定做成本比较高，且没通用性，但也不失为一种思路和方法。其次，设计使用有更多支撑点的行程轴承ST304565UU。行程轴承ST304565UU，其外形及结构形式如图4a。针对直线轴承和行程轴承的运行情况，为提高其强度和寿命，找到理论上依据和支撑，建立以下的模型进行定性和定量分析。具体研究分析如下。
4.1轴承结构、运动支撑方面
［1］289-290行程轴承ST304565UU，如图4b所示。钢球的保持架宽19mm，共有三圈钢球，每圈16个，共计16个×3=48个，实物图显示，钢球的交错对称均匀分布，这样既减小了保持架的宽度，增加其轴线行程距离，同时也可增加其单位面积的承重载荷。轴向钢球最大中心距为12mm，也就是说，在12mm宽的圆周面接触范围内，接触点有48个。因考虑到是两根滑杆和轴承的运动配合，滑动受力时，存在一定的配合间隙，所以接触点可按整周的2/3接触计算，共有48×2/3=32个钢球，在和滑杆在滑动过程中实际接触。行程轴承滚动体的自由行40mm～42mm，是钢球保持架宽度19mm的2.16倍～2.27倍，以保持架在轴承中间位置计算，行程前后均可达20mm～21mm，可接近偏心盘的最大偏心距26mm;钢球在球保持器中被分隔，使其运动均具有极低的摩擦因数(0.0006～0.0012)。以上可保证滑架轴承和滑杆支撑点变化的多样性，轴承滚动体轴向滑动和周向旋转运动的灵活性，从而最终保证滑架前后运动的灵活性。现用的直线轴承LM30UU，实际测量结果，在圆周方向上，共有6列钢球均布，见图5b;轴线方向，图5a，在40mm长的有效接触范围，接触点是10个。根据整周的2/3接触计算分析，根据装配的不同情况，工作时接触滑杆轴的钢球列数只可能是3列～4列，数量是30个～40个;再按照行程轴承ST304565的钢球接触宽度12mm比对计算，要乘以系数0.3(12/40=0.3)，钢球的接触数量，约为9～12个，也就是说工作过程中，单个轴承有9～12个钢球同滑杆轴滚动接触。钢珠与滑杆轴的点接触运行，形成很低摩擦，有低阻力高精度的运行效果。但是钢球在滚道滚动时，没有保持器的间隔效果，钢球一个挨一个，同向运动，前一个钢球和下一个钢球转动有干涉的影响，除非钢球之间都能保持有一定的距离间隙，比如保持器类的结构，实际上直线轴承没有这种装置。直线轴承冲击载荷能力较差，且承载能力也较差，主要起轴向导向的作用。由手册查得，其动、静载荷分别是1560N、2740N，内孔公差，上偏差+0.011，下偏差-0.001，从这些数值便可得到验证。按上面建立的模型分析结果计算，行程轴承ST304565所承受的载荷是直线轴承LM30UU承受载荷的约2.67倍～3.56倍。
4.2轴承动静载荷方面
［1］289-290根据两种轴承的技术参数查得，行程轴承ST304565动、静载荷分别是4120N、9310N;直线轴承LM30UU动、静载荷分别是1560N、2740N。通过动静载荷的数值计算，轻负荷用ST30UU型行程轴承，所承受的载荷，是同等型号的LM30UU型直线轴承承受动、静载荷的2.6倍、3.4倍左右，这和前面对两种轴承建立的模型分析计算结果2.67～3.56比较接近，也从另一侧面证明所建立的分析模型的正确性。若是换为中负荷用行程轴承ST30UUB型，所承受的载荷，可以再增加2倍。
4.3滑杆表面质量方面
［2］考虑到两支滑杆长度255mm，直径30mm，把原来的通身淬火变为1.5mm～2.5mm深的表面淬火，硬度由原来48HＲC-52HＲC提高到60HＲC～64HＲC，既不影响滑杆强度，又可以增加其表面的硬度，达到提高其耐磨性的效果。同时，还可以进一步提高滑杆的表面粗糙度，以减少运动的摩擦，最大限度减少磨损。
4.4滑动润滑方
［3-4］轴承在用油脂润滑时，先用煤油或有机溶济清除防蚀油，风干后再添加润滑脂，建议使用黏性标记为N0.2的锂皂润滑脂油润滑。若用油润滑时不必清除防蚀油，根据温度变化，可选用ISO黏度等级VG15-100的润滑油。由于密封圈会刮掉润滑油，油润滑不适用无孔的带密封圈轴承。
4.5优化设计后成本方面
查20年来此型号轴承售价，15年前，国外进口行程轴承ST304065UU，根据批量大小和汇率的变化，价格在170元～210元;国内当时不生产该类轴承，正规大厂生产的直线轴承LM30UU，价格在100元～130元。近5～7年，行程轴承国内已有不少厂家生产，价格比同级别的直线轴承价格低30%～35%。有采购渠道，成本可降低1/3，具备实施新方案有利的前提条件。滑杆淬火硬度技术要求的变化，只是淬火方式不一样，成本基本不变。综合以上分析，可得出如下结论。1)两种轴承所承受的载荷，行轴承ST30UU是直线轴承LM30UU强度的2.7～3.6倍，磨损失效的时间也随之延长2.7～3.6倍。2)滑架和滑杆相对运动时，行程轴承ST30UU的支撑点既可做轴向直线运动和周向旋转运动，还可变得更自由、更灵活;而直线轴承LM30UU的支撑点只能做轴向直线运动。另外，行程轴承的滚动摩擦系数更小。这都使得行程轴承比直线轴承有更大的运动支撑优势。3)直线轴承的支撑点不变，而行程轴承支撑点的自由行程，可以达到支撑点有效宽度的2倍以上，滑架的滑动更灵活自如，有利于减小滑杆的磨损，提高其使用寿命。4)行程轴承两端都有注油孔，方便加油润滑;两端有密封圈，会最大限度的阻止外界灰尘等杂质颗粒的进入，保护减小滑杆的磨损。而直线轴承不但都没有两端的注油孔，而且部分还没有两端的密封圈。5)提高滑杆表面的硬度，在不影响其强度的情况下，耐磨性提高，滑动磨损降低。6)该行程轴承采购渠道方便，成本可降低近1/3，滑杆成本不变，优化设计后的成本整体可降低20～25%。根据以上分析，首先把现有滑架部件用直线轴承LM30UU更换为行程轴承ST30UU;其次提高滑杆的表面质量和硬度;最后使两者之间做到充分润滑。
5优化后的滑架结构使用效果
根据以上改进方案，把现有设备进行改造，投入使用，跟踪的使用情况是:一共投入技改设备6台，精磨、抛光设备各3台，精磨机每台4套滑架，抛光机每台8套滑架，共计试验数量为32套滑动单元。根据事先设定的时间，对每套滑动单元进行检测，使用时间2年～3年，没有磨损现象;4年～5年后，也没有磨损的痕迹;用到6年～7年时，仍然没发现滑杆有磨损。由此可见，此改进后的滑架结构能够解决滑架部件的严重磨损问题。从目前实际试验情况分析推测，滑动单元的使用寿命，保守估计可达10年～12年，是原结构使用寿命的5倍以上。以抛光设备为例，每台设备8套滑动单元，每套轴承和滑杆的成本在150～170元，共计约1300元，另一台一次维修工费和停机的误工费，按200元计算，共计1500元，4次的更换成本就是6000元以上。若用新结构，考虑轴承的费用还有1/3节约空间，总体成本不超过1100元，还不用因维修停机，耽误生产，每台可节省费用约5000元。迄今为止，在国内光学行业，该类设备的市场保有量，保守估计在3～4万台以上，且不包含国内正在大量生产的该类设备，每年新增数量3000～5000台。换用现在的设计方案，可以节约费用1.5亿元以上，同时，又可省去大量的人力、物力和财力，给社会节约大量财富。
6结论
通过以上分析、对比和实践验证，优化设计后的结构，使用寿命更长，磨损更小，使用效果也非常明显。实践证明，寿命的提高预计在5倍以上，达到并远远超过设计的预期目标。该新结构可以用于现有新设备的生产和大量旧设备的改造，并在国内光学行业进行大面积的推广，以提高光学设备的使用性能，并产生更高的经济效益。
作者：刘旸 刘吉彪 单位：河南工业职业技术学院
