基于ANSYS滚动直线导轨副钢球制造误差的研究.pdf

第8期
机械设计与制造
2010年8月
Machinery Design Manufacture
205
文章编号:1001-3997(2010)08-0205-02
基于 ANSYS滚动直线导轨副钢球制造误差的研究
孙俊兰姜大志
(盐城工学院机械工程学院,盐城224009)
Study of steel balls manufacture error for linear motion ball quide on ANSYS
SUN Jun-lan, JIANG Da-zhi
(Yancheng Institute of Technology, School of Mechanical Engineering, Yancheng 224009, China)
摘要】滚动直线导轨副中的钢球制造误差大小直接影响了它的整体性能,这篇文章从滚动直线
导轨副其结杓特点和工作过程中的受载特性,来研究和分析钢球制造过程中的允许误差,以及钢球制造
误差与预加栽荷、外部栽荷之间的変化关系。该项研究是依据弹性力学及有限元方法,并通过 ANSYS较
件进行简化、建模实现数值计算的。
关键词:滚动直线导轨副;制造误差;预加载荷
[ Abtract] Steel bal s manufacture eror affect perfrmance of I MG. Steel ball s manufcture low j
E error is studied. It is studied that the error associate with LMG s construct and Loading character. It is ana-
E lyzed that the error change with preloading and work loading It according to elastic mechanics and finite el- i
4 ement method, Its model is established and numerical commutation is executed by ANSYS
Key words: Linear motion ball guide; Manufacture error; Preloading
中图分类号:H16文献标识码:A
1前
2研究思路
滚动直线导轨副作为精密直线导向运动部件,已经越来越多
该项研究是针对滚动直线导轨副的具体结构和在实际工作
地被各种数控机械、自动化装备等所应用。随着直线导轨副应用载荷状况的条件下,通过弹性力学中的弹性体受载和变形协调关
的范围日益扩大,技术提升和对产品性能要求越来越高已经成为系,借助于有限元的数值方法,求解和判断滚动直线导轨副中的
必然趋势,目前国内产品在结构上大多参考国外的同类产品,但钢球的允许制造误差的范固。具体的研究思路,如图1所示。
同样产品在质量精度和寿命等多项性能方面与国外产品仍有较3结构简化及有限元建模
大差距。因此研究滚动直线导轨副各元件的制造误差对提高产品
滚动直线导轨副的结构,如图2所示。
性能是很必要的。
端盖
关于滚珠尺寸的制造误差对滚动直线导轨性能的影响,还没
滑块
有见到相关的研究和报导。事实上,钢球制造误差的大小将对整
个滚动直线导轨副的性能将产生很大的影响,它不但是导轨刚度
导轨
油嘴
和載承能力的重要影响因素之一,而且还与导轨的运动精度、摩
擦力、导轨的磨损、驱动力、振动、寿命等有着直接的关系,该项目
保持器
刚球
是针对滚动直线导轨副工作过程中的受力特点来研究钢球可能
图2滚动直线导轨副的结构
的允许制造误差范围。
具体研究对象选择具有代表性的THK公司的HSR-25H型
研究对象的确定
导轨,其结构组成,其包括滚珠、挡板、滑块、密封垫片、保持器、端
(包括产品类型和结构参数)
盖以及轨道等,为了便于建模,需对导轨副进行合理的模型简化
滚动直线导轨的结构简化和有限元模型建
所以在建模时仅考虑滑块、滚珠和轨道这三部分,如图3中的1、
(包括结构简化建模、单元类型选择、材料性能确定、网格
划分接触对类型、边界条件、求解器选择等)
2、3所示,并把这三部分都看成弹性体。
载荷特性选择与确定
(包栝预加载荷特性、外载荷大
偏离理想尽寸极限约束条件的确定
(包括最小条件、最大实体极限约束条件的确定)
?结果分析、我规律
图1研究思路图
图3结构简化图及相关尺寸
大来稿日期:2009-10-20
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孙俊兰等:基于 ANSYS滚动直线导轨副钢球制造误差的研究
第8期
在单元的选择方面,轨道和滑块选用 Solidi86单元,钢球选和3.982mme
用 Solid185单元。导轨模型材料选用的是:弹性模量E为2.07E+
经 ANSYS软件计算,L=6的导轨模型,当中间钢球误差值达
5,泊松比O3,密度为7800Kgym3的高碳铬轴承钢CCrl5。直线导到2,95um时,其等效应力场分布中的最大应力值为1240MPa,
轨的基本结构参数为:D=3.97mm,1-=4,Z=14。现将=1,4,7,8,接触应力为1649MPa,接触应力值非常接近材料的抗床屈服极限
11,14的钢球的直径减小5,也即这六个钢球相比标准的钢球直1671814MP,其导轨接触应力な图,如图7所示。
径有5μm的制造误差。其最终建立的有限元模型,如图4所示。
,空
图4滚动直线导轨及钢珠的有限元模型
图7滚动直线导轨的接触应力云图
4钢球直径尺寸允许极限偏差约束条在这种条件下,钢球的误差上限不能超过295m,也即钢球
件及偏差量计算
的误差上限不能超过钢球直径的7.42%c。
4.1最小实体极限约束条件及偏差量计算
用同样的方法,算得滚动直线导轨在受外载荷F=4000N的
最小实体极限约束条件是指钢球的最小直径不应小于某
作用,预紧量分别为ル=0和=12um时,钢球的误差上限分别为
确定值,即保证在一定的工作条件下,所有承载钢球都能保持不
42um和2.I8um,其误差上限分别为钢球直径的8.61%c和
脱离接触状态。工作条件主要是指预紧力状态和外载荷大小。
5.478o其钢球允许偏差上限和直径的比与预紧量的关系,如图8
这里选择外载荷-4000须紧量分別为x=0、u=-6和v=(2,所示。
的工作状态,这三种预紧量的理想钢球直径值分别为397mm、
最大实体极限
3.976mm和3.982mm。经 ANSYS软件计算,对应模型的中间钢球
1.0E-03
8.00E.-04
误差分别超过(-1.145m、(-1.495)pm和(-1,947ルm时,将会
600E-04
密4.00E-04
出现不承受任何载荷而脱离接触,钢球受力云图,如图5所示。所
IT
以在这种条件下,钢球的误差下限分别为(-1.145um、(-1.495)
0.00E+00
02468101214
m和(-1.947)um,其误差下限分别为钢球直径的2.88%c、3.76%e
预紧量(um)
和4.89%m,其钢球误差下限和直径的比与预紧量的关系,如图6