机床爬行现象问题的若干思考

关于机床爬行现象问题的若干思考

摘要：机床进给系统的运动件，当其运行速度低到一定值（如0.5mm/min）时，往往不是作连续匀速运动，而是时走时停、忽快忽慢，这种现象称之为爬行。严重影响着工作的表面质量和尺寸精度，由于引起其原因复杂，往往不易排除，所以一直被认为是机床运动中最棘手的故障之一。本文试图就这个问题加以粗浅的论证与探索。

关键词：爬行 滑动 摩擦阻力

0 引言
爬行是机床常见而不正常的运动状态，主要出现在机床各传动系统的执行部件上（如刀架系统、工作台等），且一般在低速行时出现较多。运动速度低时，润滑油被压缩，油膜变薄，油楔作用降低，部分油膜破坏，摩擦面阻力发生变化。通常情况下，轻微程度的爬行有不易察觉的振动，显著的爬行则是大距离地跳动。
进给运动中的爬行现象破坏了系统运动的均匀性，不仅使被加工件精度和表面质量下降，也会破坏液压系统工作的稳定性，使机床导轨加速磨损，甚至产生废品和事故。
1 机床爬行原因分析
引起爬行的主要原因，是摩擦因数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。机床在实际使用中，爬行现象主要是在传动系统刚性不足，驱动力与负载摩擦阻力波动变化的情况下形成。机床液压系统侵入空气，液压元件间隙增大及机械装置自身原因都可能引起爬行故障。
我们知道爬行是指机床运动部件慢速动行时的不平稳性，表现为有规律的一停一跃。这种现象的出现，以磨床居多数，会严重影响工作的表面质量和尺寸精度。产生原因可用实例来说明：假设有一原动件通过弹簧推动另一从动件，当原动件以等速向前运动，通过弹簧推动从件在平面上滑行时，当原动件启动后，首先需压缩弹簧一段距离，直到足以克服从动件的静摩擦力时，从动件才会起动，此时弹簧蓄能。当从动件起动后，由于动摩擦系数小于静摩擦系数，于是使从动件获得一个加速度，此时弹簧放能。如果移动速度很慢，弹簧的压缩量又较大，那么从动件的速度很快就会超过原动件，产生一个跳跃，直到弹簧压力和动摩擦力平衡后，从动件开始减速，但因为惯性，但因为惯性，还会再向前冲一段距离。至此，从动件因为失去了原动力就会停下来，直到原动件重新压缩弹簧到能克服从动件的静摩擦力时，又重复上述循环。
此实例和实际导轨副产生爬行的机理十分相似。从动件可以视作溜板或工作台，平面可以视作导轨。二驱动系统不可能是完全刚性的，在驱动过程中不可避免地会有弹性变形，因而可以认为是弹簧起同样作用。
2 解决对策
2.1 改善导轨摩擦特性 改善导轨摩擦特性就是降低摩擦阻力和减小静、动摩擦系数之差。为此，可采取以下措施：
2.1.1 滑动面的加工方法，从降低摩擦阻力的角度看，总的来说是磨削比刮削好。试验表明，上导轨面用碗形砂轮端面磨削，下导轨面用盘形砂轮周边磨削，可获得最好的效果；其次是下导轨面用碗形砂轮端面磨削，上导轨面刮研。当上、下导轨面都为磨削时，其接触情况应用着色检验，接触指标须满JB2278—78《金属切削机床通用技术条件》和JB2280—78《金属切削机床械加工结合面接触的检验及评定》的规定。
对刮研的导轨面，摩擦阻力和接触点数有关，点数太少说明接触面积小，比压大，不易形成油膜。但也不是接触点数越多越好，若接触点数太多，超过每25*25毫米20—25点，大多数接触点呈尖峰状，同样不利于形油膜，造成尖峰与尖峰接触，使摩擦阻力增大。对于上、下导轨面都为刮研的状况，看来以基本（满足可以稍偏少）JB2278—78规定的指标（表2）为适宜。对于上导轨面刮研，下导力面磨削的状况，只检验刮研面的接触点数，考核指标为表2的75%。
2.1.2 在上导轨表面粘贴塑料板，台聚四氟乙烯、足龙等，可使摩擦系数和静、动摩擦系数之差降低60%左右，对防止爬行有显著效果。但塑料的导热性差，在通常铸铁对铸铁滑动时，摩擦热是同时从两个滑动表面传导出去，如果一个表面是塑料，就阻碍了热的传记导。在重载和高速的情况下，大量摩擦热会使机床身温度很快上升，由此而产生的变形足以破坏机床的原始精度。
2.1.3 选用具有防爬特性的润滑油。低速运行时，导轨润滑只能是边界润滑状态（介于干摩擦和液体摩擦之间的一种状态），而一般润滑油的边界油膜都不够强固，容易出现干摩擦。因此，为排除爬行，宜采用专用的防爬导轨油，其中加入了各种添加剂，增强润滑油的吸附及楔入能力，以提高边界油膜的强度过，防止干摩擦，对降低摩擦阻力，防止爬行，有一定效果。
多润滑的粘度，从防止爬行的角度看，宜选用粘度大的润滑油。但工作台负荷分布不均时，润滑油大会使导轨的油墨厚薄不均，从而引起工作台倾斜，降低机床加工精度。
2.1.4 对新的或大修后的机床，由于导轨面上刮削或磨削的刀痕较深，以致摩擦阻力较大。可在导轨面上涂敷薄薄一层氧化铬，用手动的方法（切勿有机动）对研几个来回，对排除爬行有一定效果。
2.1.5 采用静压导轨，实现完全的液体摩擦，可以从根本上解决爬行问题。但是，成功地应用静压导轨并不是很简单的事，也不是在所有场合都可以使用，比如外圆磨床工作台很单薄的构件，由于工件往往被顶得过紧，于是工作台就产生弹性变形而拱凸起来，使静压油墨难以形成。因此，在改造老设备时，若准备采用静压导轨，应慎重，除了考虑技术上是否可能外，经济上是否合算也是必须考虑的问题。
2.2 降低驱动阻力 驱动阻力的主要组成部分是导轨副的摩擦阻力，和正压力成正

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