一种仿生耐磨滑动导轨及其高速铣削制造方法与流程

本发明涉及用于各种机器中的减阻、耐磨滑动导轨，特别是一种具有仿生耐磨表面的滑动导轨。

背景技术：

滑动导轨的作用是用来支承和引导运动部件按给定方向作往复运动。滑动导轨的运动件与承载件直接接触，其优点是结构简单、接触刚度大，缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速重载时易产生爬行现象。目前滑动导轨多用于机床、焊接机器等需要往复移动而且承载力和刚度需求较大的设备中。

为了减小滑动导轨的摩擦力，提高运动稳定性和延长使用寿命，目前滑动导轨精加工一般采用磨削工艺，尽可能降低导轨工作表面的粗糙度。滑动导轨工作时采用润滑油润滑，滑块与导轨之间形成一层油膜，使导轨尽量接近液体摩擦状态下工作，以减小摩擦阻力，降低驱动功率，减少导轨磨损和尽量避免在低速重载条件下发生爬行现象并减少振动。但是，滑动导轨与滑块之间存在磨粒磨损、滑动导轨与滑块之间形成的油膜不稳定，工作时一般处于边界润滑状态，导轨与滑块之间的摩擦面有部分材料直接接触。这些因素都对导轨的使用寿命和导轨的使用性能有较大的影响。因此，改善滑动导轨的耐磨、减阻、润滑性能从而提高滑动导轨的使用寿命和力学性能一直是滑动导轨设计者研究的一个主要内容而且是非常有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种可以用于提高滑动导轨工作表面耐磨减阻性能、改善滑块与滑动导轨之间润滑性能，从而提高滑动导轨的力学性能避免滑动导轨在低速重载时爬行现象的发生，同时提高使用寿命的具有仿生耐磨表面的滑动导轨。

仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为及其相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生是未来新材料设计和制造的潜在的最有效途径，利用自然界中某些生物或物体的表面非光滑形态具有的耐磨、减阻、抗粘附、润滑等特性，根据功能需要来设计结构参数并在加工过程中控制其形成，提出了仿生耐磨表面新型滑动导轨的模型。

非光滑形态是通过对生物体材料的结构和静态学、动力学性能研究提出来的仿生新思想。通过对蜣螂的研究，发现蜣螂出入于湿润的土壤中，经受摩擦，能自由行动，身体很少粘附土壤，这是因为蜣螂体表有一定的弹性，在外力作用下，体表可以吸收摩擦应力，发生弹性变形。对蜣螂表面形貌的研究发现，其头部甲壳上均匀分布着类似四边形的凹坑，其体表凹坑深度15～20μm，凹坑长度100～200μm，凹坑宽度70～100μm，凹坑的长宽比近似为2:1，含有四边形凹坑单元的体表易集留空气，可以减轻大气负压，从而降低体表与土壤之间的摩擦力。凹坑边缘的凸起部位较硬，其作用主要是承受土壤的挤压与摩擦，抵抗磨损，这种体表形貌具有减阻、耐磨、抗挤压、抗裂纹等功能。正是由于蜣螂的特殊非光滑体表结构，才使得蜣螂可以自由出入于湿润土壤。根据蜣螂体表凹坑形貌的特性，可以将其耐磨、减阻、抗裂纹的特性应用于滑动导轨以提高导轨的使用寿命和力学性能。

一般材料的磨损一般分为三个阶段，即跑合阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段。通过对仿生非光滑表面的耐磨机理研究，具有凹坑单元的仿生非光滑表面在摩擦时对摩擦副具有“平整”作用，这种仿生非光滑表面上均匀分布的凹坑如同一把把“刀具”，加速去除摩擦副表面的微小凸起物，使得摩擦面之间的磨合速度加快，缩短了跑合阶段所需的时间。具有凹坑单元的仿生非光滑表面具有“储屑”作用，非光滑表面均匀分布的凹坑单元可以储存摩擦时摩擦副表面产生的磨屑，在很大程度上避免了磨屑对摩擦面的破坏，一定程度上避免磨粒磨损的产生。具有凹坑单元的仿生非光滑表面对摩擦副表面的流体动力润滑有积极的影响，具有凹坑单元的仿生非光滑表面如同“带储油供油功能的毛刷”，在摩擦过程中，摩擦表面之间将会形成一层均匀的油膜而且油膜的厚度相比于普通滑轨形成的油膜厚一些，同时仿生非光滑表面引起的“空穴”效应能够使摩擦面之间的润滑油膜稳定存在。在工作情况下，具有凹坑单元的仿生非光滑表面的局部应力小于普通摩擦面表面的应力，有效地改善了摩擦面的应力分布，降低了滑动导轨工作时出现滑动犁伤的概率。因此，具有凹坑单元均匀分布的仿生非光滑表面的滑动导轨相比于同种基体材料的普通滑动导轨有显著的耐磨性、减阻性，提高使用寿命，并且在低速重载的工况下可以有效避免爬行现象的发生。

有益效果。

本发明的仿生耐磨滑动导轨可以显著提高滑动导轨工作表面的耐磨性同时降低滑动导轨工作时的摩擦力，改善滑块与滑动导轨之间的润滑性能，使其使用寿命和力学性能与具有相同基体材料的光滑导轨相比有显著提高，同时减少低速重载工况下爬行现象的发生。

本发明的仿生耐磨滑动导轨的仿生非光滑工作表面采用球头铣刀高速铣削成形，不仅具有规则凹坑状的表面形貌，且形貌单元的结构尺寸与激光加工的仿生非光滑表面相比，通过改变切削条件可以加工的表面形貌单元尺寸的范围更大，而且加工效率高，加工经济性好。

附图说明。

图1为仿生耐磨滑动导轨示意图。

图2为蜣螂体表凹坑形貌。

图3为仿生耐磨滑动导轨的仿生非光滑表面示意图。

图4为用matlab仿真生成的仿生非光滑表面。

图5为用球头铣刀高速铣削形成的仿生非光滑表面。

图6为本发明滑动导轨模型图。

具体实施方式。

采用球头铣刀高速铣削，铣刀与滑动导轨工作表面的倾角在20°～30°范围内，铣刀背吃刀量在0.1～0.25mm之间，加工行距与铣刀每齿进给量关系为2:1，铣刀每齿进给量在0.1～0.5mm/z之间，铣刀的进给方向与导轨工作时滑块的滑动方向平行。通过调整铣削参数可以在滑动导轨工作表面上加工出有规则的四边形凹坑状的表面形貌，且四边形凹坑分布均匀。通过实验验证，当滑动导轨的工作表面均匀分布深度为0.05mm，长度为0.706mm，宽度为0.351mm的四边形凹坑时，在相同的实验条件下，这种具有仿生非光滑表面的滑动导轨的使用寿命是同等基体材料的光滑表面滑动导轨的1.4倍左右，摩擦力是同等基体材料的光滑表面滑动导轨的0.7倍左右，处理仿生非光滑表面的成本仅提高7%左右。

技术特征：

1.一种仿生耐磨滑动导轨，其特征是滑动导轨工作表面上分布长宽比为2:1的四边形凹坑，凹坑深度在0.01～0.1mm之间。

2.根据权利要求1所述的仿生耐磨滑动导轨，其特征在于所述的凹坑单元体在导轨工作表面呈均匀分布，凹坑单元的长度在0.5～1mm之间。

3.根据权利要求1所述的仿生耐磨滑动导轨，其特征在于所述滑动导轨工作表面上均匀分布的凹坑单元形状和尺寸大致相同，有良好的表面完整性。

4.根据权利要求1所述的仿生耐磨滑动导轨，其特征在于滑动导轨的仿生耐磨工作表面采用球头铣刀高速铣削成形，球头铣刀进给方向与滑块相对于滑动导轨滑动方向平行，且整个铣削过程中进给方向相同，铣削行距与每齿进给量的关系为2:1。

5.根据权利要求4所述的滑动导轨的仿生耐磨工作表面采用球头铣刀高速铣削成形，球头铣刀与仿生耐磨滑动导轨的工作表面之间的倾角在25°左右，每行刀齿初始相位差为0。

技术总结
本发明涉及用于各种机器中的减阻、耐磨滑动导轨，特别是一种具有仿生耐磨表面的滑动导轨，其特征是滑动导轨工作表面上分布长宽比为2:1的四边形凹坑，凹坑的深度在0.01～0.1mm之间。本发明滑动导轨由于具有类似蜣螂头部表面凹坑形貌，可以显著提高滑动导轨工作表面的耐磨性同时降低滑动导轨工作时的摩擦力，改善滑块与滑动导轨之间的润滑性能，使其使用寿命和力学性能与具有相同基体材料的光滑导轨相比有显著提高，同时减少低速重载工况下爬行现象的发生。本发明滑动导轨工作区域仿生耐磨表面采用球头铣刀高速铣削成形，通过改变背吃刀量、进给量、行距、每行刀齿初始相位差控制加工表面的形貌和尺寸，加工效率高，经济性好。

技术研发人员：张为;孙永雷;崔有正
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2019.11.04
技术公布日：2020.12.04