2017年以來，直線導(dǎo)軌副供不應(yīng)求的狀況，吸引了大量資金進(jìn)入這一資金和技術(shù)密集的小行業(yè)，可以預(yù)見2019年前后，低端直線導(dǎo)軌副將大量過剩，但由于核心技術(shù)的缺乏，中直線導(dǎo)軌副需求將在較長時(shí)間內(nèi)保持供不應(yīng)求的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)直線導(dǎo)軌副達(dá)到中水平，絕大部分企業(yè)還有大量的技術(shù)問題需要解決，即使直線導(dǎo)軌安裝孔鉆削這一大家認(rèn)為簡單的工序，合格率也不高。究其原因，一些生產(chǎn)者對(duì)產(chǎn)品技術(shù)要求沒有掌握，過度追求效率或節(jié)省成本，設(shè)備選型時(shí)就已經(jīng)決定了產(chǎn)品質(zhì)量合格率低。
　　直線導(dǎo)軌安裝孔不合格內(nèi)容除了沉孔深度不一致、沉孔直徑尺寸超差和沉孔孔口倒角不均勻外，還有更為嚴(yán)重的直線導(dǎo)軌安裝孔距的累積誤差超差，直接影響直線導(dǎo)軌安裝精度，沉孔尺寸超差還影響螺母密封效果。
　　直線導(dǎo)軌安裝孔距的累積誤差是指1根直線導(dǎo)軌有多個(gè)孔（比如4m的25mm規(guī)格直線導(dǎo)軌有67個(gè)孔），機(jī)床一般通過鉆削頭與直線導(dǎo)軌進(jìn)行多次相對(duì)移動(dòng)完成鉆孔，這樣前面和后面的孔距會(huì)積累誤差，行業(yè)俗稱“累積誤差”。累積誤差產(chǎn)生的原因有導(dǎo)軌材質(zhì)不均勻?qū)е裸@孔時(shí)伸長或縮短沒有規(guī)律、機(jī)床自身定位精度不足、鉆孔速度超過主軸精度或剛性允許范圍及機(jī)床設(shè)計(jì)方案不合理的系統(tǒng)性誤差等。
　　直線導(dǎo)軌安裝孔的加工要求
　　如圖1所示，直線導(dǎo)軌安裝孔沉孔、孔口倒角、底孔的尺寸和中心距有一定精度要求，底孔倒角精度要求低。其中，中心距精度關(guān)鍵，相鄰孔距精度無須像有的企業(yè)要求的±0.05mm以內(nèi)那么高，但累積誤差必須要控制好。以25mm規(guī)格導(dǎo)軌為例，德國某品牌直線導(dǎo)軌安裝孔中心距公差圖樣要求只是±0.3mm，但包含了累積誤差。本文建議直線導(dǎo)軌任意兩孔的中心距公差標(biāo)準(zhǔn)按±0.2mm控制。　　一般的直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)方案分析
　?。?）采用導(dǎo)軌移動(dòng)、鉆削頭固定的直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)。這種鉆孔機(jī)占地面積很大，一般采用4個(gè)動(dòng)力頭分別從導(dǎo)軌兩側(cè)鉆孔，導(dǎo)軌臥式，逐個(gè)孔依次移動(dòng)完成所有孔的鉆削。
　　這種鉆孔機(jī)對(duì)導(dǎo)軌移動(dòng)又有兩種驅(qū)動(dòng)方案。一是伺服機(jī)構(gòu)整體拖動(dòng)直線導(dǎo)軌全長范圍連續(xù)移動(dòng)（下稱“導(dǎo)軌全行程伺服驅(qū)動(dòng)移動(dòng)四主軸加工”方案），此方案鉆孔精度可達(dá)到要求，但換型號(hào)不方便；二是在行程很短的伺服滑臺(tái)上安裝可以移動(dòng)的液壓虎鉗、配合固定虎鉗交換夾緊和松開直線導(dǎo)軌，每次移動(dòng)一個(gè)孔位，完成直線導(dǎo)軌全部孔的加工（下稱“導(dǎo)軌液壓夾緊交換驅(qū)動(dòng)四主軸加工”方案），這種方案孔距累積誤差難以做到合格，比如，相鄰孔距偏差即使只有0.01mm，60多個(gè)孔，累計(jì)偏差就超過了0.6mm，由于導(dǎo)軌鉆孔時(shí)伸長或縮短重復(fù)性差，即使通過數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償滑臺(tái)誤差，累積誤差也難以穩(wěn)定解決。
　?。?）單主軸移動(dòng)、分工步加工方案。即采用1個(gè)傳統(tǒng)的單頭動(dòng)柱鉆孔機(jī)，先鉆完所有底孔，再回去從個(gè)孔開始逐一鉆沉孔、沉孔孔口倒角，各工步分次鉆削，采用這一方案的國產(chǎn)機(jī)床成本比較低，但效率也很低。
　?。?）單主軸移動(dòng)、成型復(fù)合刀加工方案。采用復(fù)合鉆頭1次鉆削底孔、沉孔和孔口倒角，刀具成本很高，對(duì)機(jī)床剛性要求非常高。
　　（4）雙主軸單驅(qū)加工方案。此方案是在傳統(tǒng)動(dòng)柱鉆孔機(jī)的Z軸滑板上固定安裝兩個(gè)主軸，配合完成底孔、沉孔和孔口倒角。方案與“單主軸移動(dòng)、成型復(fù)合刀加工方案”相比，效率相當(dāng)，但刀具費(fèi)用有所降低，沉孔還是必須用成型刀锪孔，刀具消耗成本仍然比較高。
　?。?）三主軸單驅(qū)加工方案。此方案是在傳統(tǒng)動(dòng)柱鉆孔機(jī)的Z軸滑板上固定安裝3個(gè)主軸，配合完成底孔、沉孔和孔口倒角。方案與“雙主軸移動(dòng)、主軸單驅(qū)加工方案”相比效率有所提升，刀具費(fèi)用降低，但3個(gè)頭固定，鉆頭更換時(shí)調(diào)整麻煩，加工效率與沉孔深度和倒角均勻性質(zhì)量難以兼顧，工人往往會(huì)犧牲加工質(zhì)量。
　　（6）三主軸三驅(qū)加工方案。此方案是在動(dòng)柱鉆孔機(jī)的立柱上安裝3個(gè)滑臺(tái)，每個(gè)滑臺(tái)上安裝一個(gè)鉆削頭，每個(gè)鉆削頭獨(dú)立通過伺服驅(qū)動(dòng)鉆孔。3個(gè)主軸可以獨(dú)立控制深度，配合完成底孔、沉孔和孔口倒角。方案與“三主軸移動(dòng)、主軸單驅(qū)加工方案”相比效率明顯提升，刀具費(fèi)用降低。本機(jī)優(yōu)點(diǎn)是效率較高，質(zhì)量合格率高。缺點(diǎn)是機(jī)床成本較高。
　?。?）三主軸三驅(qū)加工方案加底面倒角。此方案是在“三主軸移動(dòng)、主軸三驅(qū)加工方案”的基礎(chǔ)上，底面加1個(gè)倒角動(dòng)力頭，1次裝夾完成導(dǎo)軌所有孔的加工。本機(jī)優(yōu)點(diǎn)是效率高、質(zhì)量合格率高。缺點(diǎn)是機(jī)床成本高。
　　本文研發(fā)的直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)
　　方案如圖2所示，方案說明：　?。?）本文方案是在主軸三驅(qū)加工方案的基礎(chǔ)上，將單排的三主軸更改為三組雙聯(lián)銑削主軸，研發(fā)設(shè)計(jì)出一種新型的“雙排三主軸三驅(qū)加工方案”的直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)，同時(shí)鉆削兩根導(dǎo)軌，成倍地提高了加工效率。
　?。?）本文直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)的三組雙聯(lián)銑削主軸。如圖3所示，為本文自主研發(fā)設(shè)計(jì)的雙聯(lián)精密銑削主軸，采用高剛性精密主軸軸承組合，控制主軸軸向圓跳動(dòng)和徑向圓跳動(dòng)精度都在0.01mm以內(nèi)，這樣的主軸可以用于自銑直線導(dǎo)軌安裝定位面、保證兩條導(dǎo)軌定位基準(zhǔn)面與兩排主軸的同步平行度，鉆孔時(shí)定位精度較高，無須中心鉆定位即可滿足鉆孔定位精度的要求。　　（3）雙排三主軸三驅(qū)加工方案高質(zhì)量高效率工作的原理。如圖4所示，每排的3個(gè)主軸配合對(duì)應(yīng)1根直線導(dǎo)軌，1次成型加工兩根導(dǎo)軌的底孔、沉孔和孔口倒角。每排個(gè)主軸安裝略小于沉孔的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭定位、鉆沉孔，留少量余量；第二個(gè)主軸以個(gè)主軸所鉆孔自動(dòng)定心鉆削余下部分厚度，同心度控制好；第三個(gè)主軸安裝帶導(dǎo)柱的成型锪孔刀，锪沉孔少量的余量和倒角，切削量小，表面質(zhì)量好。由于沉孔的大部分切削工作量由成本更低、鉆孔效率更高的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭代替、大幅度降低了昂貴的成型锪孔刀的消耗。　　本方案可快捷地優(yōu)化3組鉆頭配合分擔(dān)鉆削量，讓3組鉆頭工作時(shí)間更加平均，節(jié)省鉆削時(shí)間。
　　另外，底孔倒角可在機(jī)床自動(dòng)鉆孔時(shí)間范圍內(nèi)，由工人用普通設(shè)備手動(dòng)完成，或者用另行配套的、很低成本的全自動(dòng)氣動(dòng)倒角機(jī)完成，不影響整體鉆孔效率和質(zhì)量水平。
　?。?）本文方案的機(jī)床主軸布局分析。本文方案鉆孔范圍包括了滾珠導(dǎo)軌和滾柱導(dǎo)軌從15mm到65mm的全部規(guī)格，相鄰孔距有30mm、40mm、52.5mm、60mm、80mm、105mm、120mm等尺寸，采用覆蓋上述孔距的最小公倍數(shù)方案，并考慮調(diào)整效率、機(jī)床成本及加工效率等因素，將上述3組主軸兩兩之間中心距分240mm（參考圖4）和315mm兩種距離布局，只需調(diào)整1次就可以滿足上述所有孔距的加工要求，本文設(shè)計(jì)了快速定位調(diào)整裝置，調(diào)整非常方便快捷。
　　（5）X軸動(dòng)柱驅(qū)動(dòng)方案分析。本文采用自身已經(jīng)成熟應(yīng)用到型材加工中心的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方案，并選用高精度磁柵尺作閉環(huán)控制，以保證精度的穩(wěn)定性。本文在床身設(shè)計(jì)上也預(yù)留了動(dòng)螺母滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方案，供更加信任滾珠絲杠傳動(dòng)方案的用戶選擇。
　?。?）夾具設(shè)計(jì)與夾緊方案分析。集中控制的壓緊機(jī)構(gòu)，保證定位夾緊可靠?？烧{(diào)整壓緊頭，能適應(yīng)不同型號(hào)導(dǎo)軌快速換型調(diào)整。由于導(dǎo)軌形狀差異很大，有的側(cè)面上下等寬，有的不等寬，因此，除15mm型號(hào)采用兩邊抱住夾緊外，其余型號(hào)都只壓緊導(dǎo)軌下側(cè)面，而在頂面的另一側(cè)設(shè)置防止導(dǎo)軌翻轉(zhuǎn)的限位蓋（見圖5）。　　排屑排水方便：機(jī)床設(shè)計(jì)成多個(gè)型號(hào)共用1套夾具，在夾具上設(shè)計(jì)有導(dǎo)軌鉆孔避空孔位，這些孔位具有排水功能，同時(shí)，在夾具支撐強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，在每兩個(gè)壓緊頭之間設(shè)計(jì)了排屑槽，鉆屑可直接掉入下面的自動(dòng)卷屑槽，清掃非常方便。
　　本文設(shè)計(jì)的直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)鉆孔能力解析
　　本文設(shè)計(jì)采用1個(gè)主軸電動(dòng)機(jī)，通過3∶1減速比的減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)1組兩個(gè)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了主軸強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，允許主軸不間斷地長時(shí)間工作。
　?。?）最小鉆孔能力評(píng)估。制約最小鉆孔能力的是主軸轉(zhuǎn)速，如果采用硬質(zhì)合金鉆頭，需要的轉(zhuǎn)速約3000r/min，本文采用10000～12000r/min的伺服主軸電動(dòng)機(jī)，可以滿足用戶要求。
　?。?）鉆孔能力評(píng)估。制約鉆孔能力的是主軸輸出轉(zhuǎn)矩，45mm規(guī)格直線導(dǎo)軌沉孔直徑為20mm，65mm規(guī)格直線導(dǎo)軌沉孔直徑為26mm，選用7.5kW/47.7N·m主軸電動(dòng)機(jī)，主軸輸出轉(zhuǎn)矩超過170N·m，可以滿足所有孔的加工。如果用戶僅僅加工35mm以下導(dǎo)軌，可以選5.5kW/34.7N·m的主軸電動(dòng)機(jī)。
　　（3）影響機(jī)床鉆孔能力的其他因素。機(jī)床各軸驅(qū)動(dòng)力、機(jī)床各軸導(dǎo)軌的剛性、各軸滾珠絲杠及絲杠支撐軸承的承載能力等因素都會(huì)影響到機(jī)床的鉆孔能力，本文設(shè)計(jì)統(tǒng)一以鉆直徑26mm孔的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配，以滿足各型號(hào)直線導(dǎo)軌的鉆孔要求。
　?。?）各種數(shù)控直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)方案對(duì)比分析（其中，A鉆孔時(shí)間為1根4m25mm規(guī)格導(dǎo)軌用時(shí)）如附表所示。
各種數(shù)控直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)方案對(duì)比分析表
　　結(jié)語
　　本文研發(fā)的新型直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)，設(shè)計(jì)了由三個(gè)獨(dú)立伺服軸驅(qū)動(dòng)的三組雙聯(lián)減速精密主軸，已經(jīng)生產(chǎn)的樣機(jī)加工100根4m25mm規(guī)格的直線導(dǎo)軌樣品經(jīng)過檢測，任意兩孔孔距誤差全部在±0.2mm以內(nèi)，絕大部分孔距誤差實(shí)測在±0.1mm以內(nèi)、孔徑在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)、倒角均勻，加工質(zhì)量合格。每兩根導(dǎo)軌加工時(shí)間可控制在10min之內(nèi)（平均每根5min），加工效率是其他直線導(dǎo)軌鉆孔機(jī)的2～12倍，達(dá)到了高質(zhì)量高效率的研發(fā)設(shè)計(jì)目標(biāo)。