线性导引装置以及 用于设计或形成其轨道沟槽的方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于工业机器中的线性导引装置，其中尤其是通过辊压形成轨道沟槽，并涉及一种设计或形成其轨道沟槽的方法。
背景技术
公知如下的线性导引装置，其具有沿轴向延伸的导轨，并还具有以在轴向上可移动的方式跨在导轨上的滑块。在轴向上延伸的线性轨道沟槽分别形成在导轨两个侧表面部分内。分别与导轨的轨道沟槽相对的线性轨道沟槽形成在滑块的两个外套部分(sleeve portion)的内表面部分内。
同时，导轨和滑块的轨道沟槽经常是在材料通过执行拉制工艺处理之后通过执行作为修整工艺的研磨工艺来完成的。然而，研磨工艺具有加工时间长以及加工成本高的问题。
JP-A-2001-227539公开了一种形成轨道沟槽地方法，该方法作为对策通过采用辊压技术来形成线性沟槽。这种方法利用具有凸起形状的工作部分的旋转模具，该凸起形状的工作部分形成在该模具的周边部分上，从而每个凸起形状的工作部分的形状与轨道沟槽中相关一个的形状相匹配。根据这个方法，轨道沟槽通过从导轨毛坯材料的两侧压凸起形状的工作部分而形成。
然而，在通过辊压形成轨道沟槽的情况下，传递到轨道毛坯材料上的每个轨道沟槽的形状由于弹性后效而相对于要由旋转模具形成的形状存在误差。每个沟槽的形状通过热处理而进一步变化。例如，它的这种误差和变化趋于随着加工量(即，加工成本)的增大而增大。
当在轨道沟槽形状中出现它的这种误差和变化时，轨道沟槽和滚动元件之间的接触角不具有目标值。这会影响线性导引装置的负载能力，并导致其刚性降低，由此其寿命缩短。
当加工量减少时，即，轨道沟槽的深度被设定为过浅来减小误差，形成在轨道沟槽和滚动元件之间的接触部分内的接触椭圆(contact ellipse)在其中部断开，因此，接触面的压力变得局部过大，这使得设备容易损坏。
【发明内容】
于是，本发明鉴于上述情况而完成。本发明的目的是提供一种线性导引装置，在通过辊压在导引轨道和滑块内形成轨道沟槽的情况下，该线性导引装置能够确保令人满意地执行承载功能所需的加工精度，并也能够具有实际使用中足够的负载能力。并且，本发明的目的是提供一种在这种线性导引装置中设计或形成轨道沟槽的方法。
为了实现前述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种线性导引装置，其包括导轨和滑块，其中导轨在轴向上延伸并具有在轴向上延伸的第一轨道沟槽，而滑块具有与导轨的第一轨道沟槽相对的第二轨道沟槽，并由导轨以能够通过插入第一和第二轨道沟槽之间的多个滚动元件的滚动沿着轴向移动的方式支撑。导轨的第一轨道沟槽和滑块的第二轨道沟槽中的至少一个由辊压形成。将辊压形成的轨道沟槽的深度Dg被每个滚动元件的直径Dw除而获得的球径比(ball diameter ratio)(Dg/Dw)在0.26到0.45的范围内。
根据本发明另一方面，提供了一种设计线性导引装置的导轨和滑块的轨道沟槽中的至少一个的方法，该轨道沟槽通过利用具有突起形状的工作部分的旋转模具而由辊压形成，该工作部分的形状与其上滚动滚动元件的轨道沟槽的形状相匹配。根据这个方法，要辊压的轨道沟槽的深度设定为具有通过考虑辊压造成的滚导沟槽形状误差而确定的值。
根据这种方法的实施例，待辊压的轨道沟槽的深度Dg设定成通过该深度Dg被每个滚动元件的直径Dw除而得到的球径比(Dg/Dw)在0.26到0.45的范围内。
如上所述，根据本发明，在由辊压形成的轨道和滑块的轨道沟槽的情况下，假设Dg是由辊压形成的每个轨道沟槽的深度，而Dw是滚动元件的直径，则通过将沟槽深度Dg被滚动元件直径Dw除而得到的球径比在0.26到0.45的范围内。
从而，即使在辊压量较大时，沟槽的形状误差通过将沟槽的深度值设定成使得球径比等于或小于0.45而可以限制在一定范围内。另一方面，即使在轨道沟槽深度较小时，通过将沟槽的深度值设定成使得球径比等于或大于0.26而可以实现足够实际使用的负载能力。
【附图说明】
图1是示出作为本发明实施例的线性导引装置的结构的透视图；
图2是示出线性导引装置的滑块的结构的分解透视图；
图3是沿着图1所示的箭头A-A方向取得的线性导引装置的剖面图；
图4A是示出导轨轨道沟槽的辊压设备的主要部分的示意性侧视图；
图4B是示出导轨轨道沟槽的辊压设备的主要部分的示意性正视图；
图5是用于描述通过辊压形成的轨道沟槽的深度的视图；
图6是示出球径比和接触角误差之间的关系的特征曲线；以及
图7是示出球径比和最大接触表面压力之间的关系的特征曲线。
【具体实施方式】
下面，将参照附图详细描述本发明的实施例。
图1是示出作为本发明实施例的线性导引装置的结构的透视图，图2是示出线性导引装置的滑块的结构的分解透视图，图3是线性导引装置沿着图1所示的箭头A-A的方向截取的剖面图。
线性导引装置具有在轴向上延伸的导轨1、以及以能够在轴向上滑动的方式跨在导轨1上的滑块20。
导轨l为杆状元件，具有近乎方形截面。在轴向上延伸的线性轨道沟槽3分别形成在导轨1的两个侧表面部分内。顺便提及，轨道沟槽3由辊压形成。每个轨道沟槽3的深度具有如下的值，即，该值选择成使得球径比在0.26到0.45的范围内。这将在后面详细论述。
另一方面，滑块20具有滑块体20A和分别固定到滑块体20A两个端面上的端盖(即，滚动元件循环部件)50。
滑块体20A具有近乎U形的截面。分别与轨道沟槽3相对的线性轨道沟槽25形成在这个滑块体20A的外套部分21的内表面部分中。螺纹孔22分别形成在滑块体20A的外套部分21的两个端面部分上。
顺便提及，这个滑块体20A的轨道沟槽25和导轨1的轨道沟槽3构成沟槽，其上滚动作为滚动元件的滚珠B。滚珠B和滑块体25的轨道沟槽25以及导轨1的轨道沟槽3之间的接触角α设定为45°，以便其分别对应于四个方向，即附图中向上、向下、向右和向左方向的负载能力的值彼此相等。从而，每个轨道沟槽25和3以具有V形截面方式形成，即形成像哥特尖拱的截面。例如，轨道沟槽25通过进行能够研磨加工修整。
在滑块体内形成在轴向穿过滑块体20A的顶面部分23的沟槽部分23。沟槽部分的底面是平的水平表面。设置在底面和沟槽部分23的两个内侧面之间的部分的截面具有与滚珠B的球形的斜切部分的形状相匹配的形状。作用为方形截面的细长元件的分离器30几乎设置在沟槽部分23的中部。螺纹孔32例如分别在分离器30两个端面部分内同轴形成。
通过将这种分离器30几乎设置在沟槽部分23的中部上，对应于轨道沟槽3和25的两排滚动元件通道24形成在沟槽部分23上的分离器30的两侧上。
每个端盖50具有几乎U形的截面，类似于滑块体20A。在每个端盖50中，分别将轨道沟槽3和25中的相应一个与滚动元件通道24中的相应一个相连接的滚动元件循环部分60以弯曲形式上、下延伸地形成。此外，在每个端盖50中，螺钉插入孔51形成在分别对应于分离器30的螺纹孔和滑块体20A的螺纹孔22的位置处。
这种端盖50设置在滑块体20A的两个端部处，并通过紧固螺钉12固定到滑块体20A的两个端面上，该紧固螺钉12从端盖50的螺钉插入孔51插入到螺纹孔22和32中。
在端盖50固定到滑块体20A的两个端面上之后，滑块体20A的沟槽部分23(由此，滚动元件通道24)由盖(即，防脱开元件)40覆盖。盖40成形为几乎像矩形，并以稍微长于滑块20的轴向长度的方式形成。盖的两个端部向下折叠大约90°。两个固定孔41形成在每个折叠部分中。固定孔41配装到端盖50的每个外表面对应于固定孔41形成的突起53上。于是，盖40可拆卸地固定到滑块20的顶面上。
经由在导轨1上设置这种滑块20以便彼此相对而构成的轨道构成通过滑块体20A的滚动元件通道24和端盖50的滚动元件循环部分60彼此连接。从而，构成环形的循环轨道路径。很多滚珠B以能够在这个环形循环轨道路径上滚动的方式装载到其中。于是，滑块20能够通过滚珠B的滚动而沿着轴向在导轨1上移动。
接着，下面描述通过辊压形成导轨1的轨道沟槽3。
图4A和4B是通过辊压形成导轨的轨道沟槽3的辊压设备的示意图。图4A是示出轨道沟槽的辊压设备的侧视图，图4B是其正视图。用于辊压的两个旋转模具110以彼此面对的方式并以夹住作为导轨1的毛坯材料的工件W的方式设置。
每个旋转模具110是盘状圆形模具，并设置成其旋转轴的轴向垂直于工件W的轴向。每个模具的外周面(即，沟槽加工表面)的形状为与要辊压的导轨1的每个轨道沟槽3的形状相匹配的凸形。具体地说，每个模具成形为像凸起的哥特尖拱，并构成突起形状的工作部分T。
作用为驱动装置的模具旋转电机111合并到每个旋转模具110上。每个旋转模具110由这个电机111通过传动带112驱动而旋转(即，旋转模具110为主动模具)。该设备具有移动加压机构(未示出)，用于通过沿图中所示的箭头B的方向将旋转模具110与电机111一起向工件W移动来将旋转模具110推到工件W上。
由移动加压机构馈进到加压位置的旋转模具110适于通过抵靠挡块(未示出)或者通过具有公知的液压NC或BS驱动型定位和馈进机构而进行定位。
该设备还具有定位和支撑装置113，其例如是液压或固定类型的，该装置113从工件W的两侧将工件W固定在加工位置，并抵压和支撑工件W，以便在形成沟槽的过程中稳定工件W在箭头X方向上(即，该方向为通过将模具彼此相对的方向移相90°而获得的方向)的位置。
这种辊压设备如下所述形成导轨的轨道沟槽3。
在加工之前，工件W预先退火，以便具有HRC20或更低的硬度。由于在工件W表面上存在薄的脱碳层，当工件W在不去除脱碳层而进行辊压时，在工件W热处理之后，不能够获得足够的工件表面淬火硬度。因此，在工件W辊压之前，设置在工件W上的脱碳层事先从其上刮掉大约0.5mm。
然后，移动加压机构(未示出)将相对并成对的旋转模具110的每一个馈进到加压位置。于是，通过使相对并成对的旋转模具110抵靠挡块来进行相对并成对的旋转模具110的定位。从而，两个模具之间的距离L预先设置成与设置在工件W两侧上的轨道沟槽之间的公知距离L1相一致。
然后，在旋转模具110旋转过程中，工件W插入到旋转模具110之间。随后，在通过定位和支撑装置13固定在精确加工位置的过程中，工件W沿箭头C的方向馈进，然后穿过旋转模具110之间。从而，在工件W侧表面上辊压出导轨的轨道沟槽3。
顺便提及，存在两种将工件W修整为最终形状的情况。一种是通过将工件W再次穿过旋转模具110来将工件W修整为最终形状；另一种是通过将工件W多次穿过旋转模具之间并同时改变其间的距离来将工件W修整为最终形状。将工件W从其中穿过的次数根据工件W的毛坯材料的种类和沟槽的加工精度和形状来确定。
从而，导轨1的轨道沟槽3通过辊压形成。此时，通过确定每个沟槽的深度以便球径比在0.26到0.45范围内来设计轨道沟槽的结构。这在下面描述。
顺便提及，如图5所示，球径比定义为通过将由Dg标识的沟槽的深度被由Dw标识的滚动元件的直径除所获得的值(Dg/Dw)。
首先，下面将描述将每个沟槽3的深度确定成使得球径比的上限设定在0.45的原因。
在通过辊压形成轨道沟槽的情况下，随着加工量(即，每个沟槽的深度)的增大，每个实际形成的沟槽的形状与要由旋转模具形成的目标形状之间的由弹性后效造成的误差及其变化增大。顺便提及，球径比和接触角的误差(图5中示出)之间的关系如图6所示那样获得。
同时，作用在轴承(bearing)上的向上或向下的外部负载F、接触角α、以及沿法向作用在滚动元件(即钢珠)和每个轨道沟槽之间的接触部分上的负载(即，滚珠负载(ball load))由下面的方程式(1)给出：
Q＝F/sinα (1)
在相对于45°接触角具有5°误差的情况下，在恒定外部负载下根据这个方程式获得的滚珠负载如下列出：
表1 接触角α[度] 相对滚珠负载 (在45°接触角下的 滚珠负载假设为1) 40 1.10 45 1 50 0.92
如这个表中所述，当接触角α从45°变化5°到40°时，滚珠负载增加10％。从而，加在每个轨道沟槽上的负担增加。在向上或向下的负载作用在轴承上的情况下，当接触角α从45°变化5°到50°时，滚珠负载减小。然而，在横向负载施加到轴承上的情况下，这对应于40°接触角时的滚珠负载。即，滚珠负载增大10％。
因此，当目标为将滚珠负载的误差限制到10％或更小时，接触角的误差应该为5％或更小。如从图6所示的关系中理解到的，沟槽的适当深度在球径比等于或小于0.45的情况下获得。
另一方面，当每个沟槽的深度减小时，形成在轨道沟槽和滚动元件之间的接触部分内的接触椭圆在大负载作用下在其中部断开。因此，接触表面压力变得局部过大。这导致设备早期损坏。因此，需要确保每个沟槽的一定深度。从而，0.45被选择为球径比的上限值。
顺便提及，接触椭圆是由轨道沟槽和滚动元件之间的接触部分构成的区域，如图5所示。
接着，下面将描述确定每个沟槽3的深度以便将球径比的下限值设定为0.26的原因。
当沟槽的深度减小时，每个实际形成的沟槽的形状与目标形状之间的误差减小。相反，当每个沟槽的深度过份减小时，在大负载下，形成于轨道沟槽和滚动元件之间的接触部分内的接触椭圆易于断开。然而，当接触椭圆在其中部断开时，接触表面压力变得局部非常大。这导致设备早期损坏。因此，优选的是，沟槽的深度较小。然而，理想的是沟槽深度小到接触椭圆甚至在大负载下都不断开的程度。
同时，静态额定负载被设置为线性导引装置的最大可允许负载。从而，可以考虑在线性导引装置承受静态额定负载的条件下确定每个沟槽的深度以使得接触椭圆不断开，该静态额定负载是作用在接触部分上的负载的上限。
顺便提及，球径比和最大接触表面压力之间的关系如图7所示那样获得。另外，通常由轨道沟槽的半径Rg被滚动元件的直径Dw除而获得的沟槽半径比(groove radius ratio)设定在从51％到56％的范围内。存在如下的趋势：这个沟槽半径比越大，则表面压力越大。从而，应考虑图7所示的关系在从51％到56％的沟槽半径比的范围内的56％的沟槽半径比下获得的情况，在56％的沟槽半径比下，表面压力达到最大值。
通常，在将与静态额定负载相等的负载施加到轴承上的情况下，轨道沟槽和滚动元件之间的接触部分的最大表面压力大约为4000MPa。从而，对应于最大接触表面压力的负载设定为作用在接触部分上的负载的上限，以使接触椭圆不断开。如从图7所示的关系中理解到的，0.26的球径比设定为对应于每个沟槽深度的球径比的下限值，在该情况下相关的最大接触压力为4000MPa。
出于前述原因，在设计线性导引装置的轨道沟槽时，由辊压形成的导轨1的每个轨道沟槽3的深度确定成相关的球径比在0.26到0.45的范围内。
于是，本发明可以提供如下的线性导引装置，它能够减少辊压轨道沟槽所需的加工时间，能够减少成本，能够确保令人满意地执行装置的功能所需的加工精度，并能够获得每个轨道沟槽3的深度值，该深度值确定为使得相关的球径比在0.26到0.45的范围内，由此在实际使用中具有足够的负载能力。
顺便提及，在实施例的前面的描述中，已经描述了轨道沟槽由辊压形成的情况。然而，滑块20(更具体地说，滑块体20A)的轨道沟槽可以由辊压形成。在这种情况下，由辊压在滑块20内形成的轨道沟槽的深度确定成使得球径比(Dg/Dw)在从0.26到0.45的范围内。不必说，辊压设备的结构和设置适于在滑块20内形成轨道沟槽。
虽然线性导引装置的结构和辊压设备在本实施例的前面描述中得以具体说明，但是本发明不局限于此。不必说，本发明可以应用到具有其他结构的线性导引装置和辊压设备上。
如上所述，根据本发明，轨道沟槽通过辊压形成在导轨或滑块中，此外，轨道沟槽的深度设定成使得球径比(Dg/Dw)在从0.26到0.45的范围内。于是，本发明可以提供一种如下的线性导引装置，该装置能够减少加工时间和成本、能够确保满意地执行装置功能所需的加工精度、并且能够具有足够实际使用的负载能力。