普通车床导轨表面的摩擦磨损机理分析及预防措施研究

普通车床导轨表面的摩擦磨损机理分析及预防措施研究

摘要：在考虑普通车床加工工件时的切削力、导轨润滑状态、工作温度、刀架在导轨上的滑动速度、导轨材料、导轨和刀架所形成的摩擦副、载荷条件等因素的基础上，对普通车床导轨表面的摩擦磨损机理进行分析讨论，并结合分析结果给出减小摩擦磨损的相关措施，为车床导轨的加工制造及使用维护过程提供理论依据。

关键词：普通车床；导轨；摩擦磨损；预防措施

1引言

普通车床导轨对运动部件起导向和支承作用，是车床最基本而又最关键的组成部分。导轨的制造精度及精度保持度，直接决定着着车床的整体精度；导轨的寿命又直接影响整台机床的寿命[1]。因此，导轨的磨损程度直接决定了车床整体精度和使用寿命。

普通车床导轨由于滑动速度小，且一般经常处于正反向启动和停止工作状态下，工作循环极其频繁，在动静摩擦交替作用下工作，不易形成油膜，对于导轨副的磨损是总所周知的事实。据统计，车床摩擦副磨损基本包含两种，磨粒磨损和黏着磨损，前者占80%~85%，后者占15%~20%，磨损较前者严重[2]。因此剖析其机理，减缓甚至避免设备的摩擦磨损，探求提高耐磨性的途径，对节约能源及延长工件寿命十分重要。

2普通车床导轨的工作环境分析

在普通车床的使用运行过程中，其工作环境及使用条件较复杂，只有合理的使用车床，才能最大程度的发挥其实际性能。但往往因为工作环境的问题和使用不当更加剧了车床尤其车床导轨的磨损，影响较大的有车床生产环境和温度等。

2.1 车床位置环境影响

普通车床的位置选择应远离振源、避免阳光直射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。但往往因车间整天工作环境复杂和条件相对不允许等因素，车床附近有振源，或者没及时在车床四周设置防振沟。直接加剧了车床的磨损，影响车床的加工精度及稳定性。

2.2 温湿条件

普通车床对工作的温湿环境均有一定的要求。过高的温度将导致控制系统元件寿命降低，影响机床运行的稳定性。过高的温度也会引起导轨轻微变形，对导轨想形状和位置精度尤其对导轨的直线度等有一定影响。另一方面，较差的湿度环境易影响导轨工作状态的柔顺性，更严重的会加剧导轨的腐蚀磨损。

2.3 积屑和浮尘影响

在车床的工作过程中会产生磨屑、切屑、铁粉等，虽然有经验的工作人员都会进行清理和维护，但是仍不能完全清理干净，极其微小的切屑颗粒仍会存在于导轨表面，另一方面由于导轨长期的循环工作，导轨表面产生一定的磁性，更易存留微小的铁屑颗粒。

同时，由于车间的工作环境整体因素影响，空气中会有很多的颗粒和浮尘，这些颗粒和浮尘同样会依附到导轨表面。这些铁屑和浮尘颗粒在导轨的后续运作过程中会加重导轨的摩擦磨损，随着导轨在役时间的增加，这种影响会越来越凸显。

3导轨表面的摩擦磨损分析

床身导轨作为衡量机床精度的基准件，不但要求有较高的尺寸精度，还要有高的形状精度，即要求有良好的直线度、表面粗糙度、相对机床主轴的平行度等。由于床身导轨暴露在外面，防尘、防屑条件较差，长期使用后必然会产生磨损。造成

床身导轨磨损的原因是多方面的。

3.1 磨损过程分析

磨损是车床导轨在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象，导轨的磨损量或磨损率在规定使用期内不超过允许值，就可以认为是一种允许的正常磨损现象。其一般的磨损过程[3]如图1所示。

图1 机械零件的一般磨损过程

磨合阶段出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减慢。

稳定磨损阶段出现在摩擦副的正常运行阶段。经过磨合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图1所示，磨损量随时间增大缓慢增大。

剧烈磨损阶段的产生是由于摩擦条件发生较大的变化(如温度的急剧增高，金属组织的变化等)，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。此阶段在正常工作的车床上一般不会发生，必要的维护和保养会延长机械的稳定磨损阶段，推迟事故磨损阶段是到来，且可以进行相关的修复来避免事故阶段的过早产生。

图2 摩擦磨损过程图

作为关键部件，普通车床导轨一般经常处于正反向启动和停止工作状态下，工作循环极其频繁，虽然良好的润滑条件可以有助于减少摩擦磨损，但是在动静摩擦交替作用下工作，导轨摩擦副表面不易形成油膜。另外，车床在长时间高负荷的工作条件下，刀具和加工件以及导轨本身会有明显的温度增加，改变配对摩擦副的配对状态，温度升高引起的变形和膨胀会增大摩擦磨损。导轨的摩擦磨损过程中，各

种因素的相互关系及其复杂，在摩擦表面的相互作用下，表面层将发生机械性质、组织结构、物理和化学变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素综合影响造成的，其基本影响过程如图2所示。

3.2 磨粒磨损

磨粒磨损指外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象[3]。在切削加工过程中产生的切屑、润滑时油中存在的杂质颗粒、黏附到导轨上的微尘颗粒、导轨材料本身的硬质点、粗糙峰以及导轨本身磨损产生的颗粒等都会分布在导轨面间，当导轨来回给进的过程中，这些颗粒切刮导轨面在导轨摩擦面间产生划痕和沟槽，对导轨表面层产生影响。

外界磨粒移动于两导轨摩擦表面之间，类似于研磨作用，属于三体磨粒磨损。通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳，而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。

图3 磨粒磨损模型

车床导轨磨粒磨损的影响因素主要有：

（1）导轨材料的硬度

在一般情况下，金属材料的硬度或金属的含碳量越高，其耐磨性也越高[4]。尤其是长期在低应力下工作的零件，宜选用硬度较高的钢。而在高应力或冲击作用下工作的零件，则应选用韧性好、冷作硬化的钢。零件工作表面的磨损性能往往比原设计的硬度还要高。例如，当工作应力高到足以在表面形成冷硬层时，锰钢的耐磨性反而比工作应力低时为更高。所以，应当考虑到导轨磨损时产生的实际最大硬度，而不仅是零件工作表面原有的硬度。

如图4(a)所示，对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比[5]。图4(b)是正常淬火后，不同温度回火的几种钢的磨粒磨损试验结果。淬火回火钢的耐磨性随着硬度的增加而增大，但是与退火钢相比，耐磨性的增大速度缓慢些，即淬火回火可以提高钢的硬度和耐磨性，但效果微弱。由此得出：金属的耐磨性不仅取决于其硬度，还取决于它的成分和组织结构。

因此，在车床导轨的材料选择上，应综合考虑硬度、成分、组织结构等因素。

图4 一些金属及合金的耐磨性和硬度的关系

（2）相对硬度影响

磨粒磨损取决于磨料硬度H0与试件材料硬度H比值[6]，如图所示的三种不同的磨损状态：当磨料硬度低于试件材料硬度, 即H0≤0.7H时，轻微磨损阶段；当磨料硬度超过试件材料硬度后，即0.7H < H0< 1.3H，磨损量随磨料硬度迅速增大，过渡磨损阶段；若磨料硬度远高于材料硬度，即H0 ≥ 1.3H，将产生严重磨损，磨损量不再随磨料硬度而变化。

图5 磨损量与相对硬度的关系图6 磨料平均尺寸和磨损量之间的关系由此可知，为了降低磨粒磨损，材料硬度H大约为磨料硬度H0的1.4倍，即H0 ≈0.7H时最佳，不必要求金属硬度太高，因为H太高并不能带来耐磨性的明显提高。

（3）磨粒尺寸的影响

通常，金属的磨粒磨损会随磨粒尺寸的增大而加剧。这可能是由于磨粒的微切削作用深度增大所致。但磨粒尺寸达到一个临界值以后，磨损量即保持不变。可以认为，此时磨粒尺寸增大使接触应力下降（当法向载荷保持不变时），因而微切削深度不再增加。钢磨损量与磨料尺寸关系如图6所示。各种材料磨料临界尺寸是不相同的，磨料的临界尺寸还与工作零件的结构和精度有关。

（4）载荷的影响

车床的运行载荷显著地影响导轨的磨粒磨损[7]。如图7所示，线磨损度与表面压力成正比。当压力达到转折值Pc 时，线磨损度随着压力的增加变得平缓，这是由于磨粒磨损形式转变的结果，各种材料的转折压力值不同。

图7 线磨损度与表面压力成正比图8 单个微凸体黏着磨损模型

此外，车床导轨的磨粒磨损还和导轨的加工硬化、显微组织等密切相关。

3.3 黏着磨损

当摩擦副相对滑动时，由于黏着效应所形成的结点发生剪切断裂，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为黏着磨损[3]。微观角度的导轨表面实质是凸凹不平的，导轨面覆盖着氧化膜及气体或液体的吸附膜，当局部压强过大或剪力过高时会破坏导轨表面的油膜和氧化膜，两个导轨表面的相互接触实际是表面的凸峰相接触（图8所示），这时金属表面因原子力相吸附，咬合在一起。当导轨相对运动时导轨面间有很大切向力和法向力，材料软的导轨会被撕脱，形成沟槽，即是黏着磨损。一般情况下,磨粒磨损是产生黏着磨损的原因,黏着磨损反过来又会加剧磨粒磨损。

当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷作用下，微凸体的局部压力就可能超过材料的屈服压力而发生塑性变形，继而使两摩擦表面产生黏着；此后，在相对滑动过程中，如果黏着点的剪切发生在界面，则磨损轻微；如果剪切发生在界面以下，则材料就会从一个表面转移到另一表面，继续滑动，一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒。接触—塑性变形—黏着—剪断黏着点—材料转移—再黏着，循环不断进行，构成黏着磨损过程。

根据黏着点的强度和破坏位置不同，黏着磨损有跑合、涂抹、擦伤、划伤、咬合、咬死等六种不同的形式，从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损。它们的磨损形

式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同的特征是:出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。

黏着磨损的体积磨损率与法向载荷N (或正压力p)成正比，体积磨损率随着黏着磨损的磨损系数的增大而增大[8]，而后者主要取决于摩擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地黏着的趋向。车床导轨黏着磨损的主要影响因素有：

（1）导轨摩擦副材料

相同金属或冶金相溶性大的材料摩擦副(相同金属或晶格类型、电子密度、电化学性能相似的金属)易发生黏着磨损。异种金属或冶金相溶性小的材料摩擦副抗黏着磨损能力较高。金属与非金属摩擦副抗黏着磨损能力高于异种金属摩擦副。

应避免使用同种金属或冶金相溶性大的金属组成摩擦副。

金属的组织结构对黏着磨损也有影响，多相金属比单相金属的抗黏着磨损能力高[9]；金属中化合物相比单相固溶体的黏着倾向小。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少黏着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗黏着磨损的能力。

硬度高的金属比硬度低的金属抗黏着能力强，因为表面接触应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的黏着磨损。

（2）载荷的影响

黏着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，如图9所示，K/H 的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系[10]。当载荷值超过材料硬度值的1/3时，磨损急剧增加，严重时咬死。因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。

图9 载荷对黏着磨损的影响图10 磨损量与滑动速度、接触应力的关系曲线（3）速度的影响

在压力一定的情况下，黏着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少。图10为摩擦速度不太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。

另一方面，随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种形式。如图11所示。

图11 磨损类型随载荷、滑动速度的变化

（4）表面温度的影响

车床工作过程中导轨表面会有温度的急剧变化，表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生黏着磨损。图12为脂肪酸润滑条件下温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达到临界值(约80℃)时, 磨损量和摩擦系数都急剧增加。影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v，其中速度的影响更大，因此限制pv值是减少黏着磨损和防止胶合发生的有效方法。

图12 温度对胶合磨损的影响

（5）润滑油、润滑脂的影响

导轨工作过程中必然少不了润滑。润滑状态的好坏直接影响导轨的磨损状况。在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗黏着磨损能力。油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下而引起的黏着现象。

3.4 腐蚀磨损

摩擦过程中, 由于机械作用以及金属表面与周围介质发生化学或电化学反应，共同引起的表面损伤。金属件表面在液体、气体或润滑剂中发生化学或电化学反应，形成较易被磨损或剥离的腐蚀产物，在摩擦过程中腐蚀产物被剥离，暴露出的新的

金属面又进入新的化学反应，如此交替出现腐蚀和磨损使材料损失。腐蚀磨损的破坏作用超过单纯的腐蚀或磨损。一般金属洁净表面与空气接触后不久就会生成氧化膜,其厚度约为0. 01μm。当磨损速度低于氧化膜厚度的增长速度时,氧化和磨损尚不相互促进，膜层可起保护作用[11]。但当磨损速度超过氧化速度时，腐蚀磨损变得异常剧烈。但氧化膜又不宜过厚，否则易出现脆性断裂，形成硬的氧化物磨粒而产生磨粒磨损，使磨损加速。腐蚀磨损本身就伴随有磨粒磨损和黏着磨损，磨粒磨损或黏着磨损为腐蚀磨损的形成提供条件。腐蚀磨损与环境、温度、滑动速度、载荷和润滑条件有关，相互关系极为复杂。采用带酸性或腐蚀性成分的润滑剂、切削液等润滑和冷却的导轨面一般都会出现这种腐蚀磨损，伴随着导轨的摩擦运动导轨面剥离暴露出新的金属表面和颗粒，再开始新的化学反应，再剥离，如此循环。防止腐蚀磨损应从选材(如用不锈钢和耐蚀合金等)、表面保护处理、降低表面工作温度和选择适当的润滑剂等入手。

车床导轨的腐蚀磨损主要指氧化磨损[3]，当导轨摩擦副在氧化性介质中工作时, 表面生成一层氧化膜，避免导轨间的直接接触，在摩擦过程中，表面所生成的氧化膜被磨掉，但又很快地形成新的氧化膜，如此周而复始，这个过程所造成的材料损伤为氧化磨损。导轨腐蚀磨损的影响因素主要有：

（1）滑动速度的影响

在载荷不变的条件下，磨损类型与速度都随滑动速度而变化，如图11（a）所示。当滑动速度很小时，摩擦表面被Fe2O3覆盖，主要是氧化磨损，磨损量很小。随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为黏着磨损，磨损量显著增大。滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成Fe3O4，表面生成又转为氧化磨损，磨损量又减小。如摩擦速度再增大，将再次转化为黏着磨损，且磨损剧烈。

（2）载荷的影响

图11（b）图是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。随着载荷的增大，磨损由氧化磨损转变为黏着磨损。载荷小产生氧化磨损，磨屑主要是Fe2O3；当载荷达到W0后，磨屑是FeO、Fe2O3和Fe3O4的混合物。载荷超过Wc 以后，便转入危害性的黏着磨损。

（3）氧化膜硬度的影响

磨损与导轨表面氧化膜硬度值H0，基体金属硬度值H有关[12]。若H0 >H，氧化膜容易破碎，产生磨损；若H0≈H，在小载荷引起小变形时，氧化膜和基体金属同时变形，氧化磨损小些，若变形量大，则氧化膜同样容易破碎，产生磨损；若H0与H都很高，载荷引起的变形小，氧化膜不易破碎，此时的耐磨性好。

（4）润滑状态的影响

用油脂润滑导轨时，油脂除了起减磨作用外，又隔绝摩擦表面与空气中氧的直接接触，使氧化膜的生成速度减缓，但油脂与氧的反应，生成酸性氧化物，会腐蚀摩擦面。生产中有时利用危害性小的腐蚀磨损以防止危害性大的黏着磨损。

4预防措施

导轨的磨损是可以控制但不可避免的，在实际生产中，各种磨损形式可能会同时出现，在前面分析车床导轨摩擦磨损机理的基础上，给出减小磨损的措施。

（1）合理选择摩擦副材料。为了避免和减轻黏着磨损，摩擦副宜选用互溶性小的金属，即不要选用同种或晶格类型相近的金属[13]。Pb在Ni、Cr、Fe中的溶解度很低，是很好的摩擦副材料，但其强度低，所以应选用其合金（如铅青铜），或作为表面涂层来使用。在抗黏着能力方面，多相金属优于单相金属，脆性材料优于塑性材料，其黏着破坏的深度较浅。此外，非金属材料（如高分子材料、陶瓷等）不易与金属

产生黏着磨损。

（2）进行表面处理。采用表面氮化、渗硫、电镀[14]或采用非金属涂层，均可提高摩擦表面抗黏着的能力，可有效地阻止金属的黏着。

对于在磨粒磨损条件下工作的导轨，提高导轨材料的硬度是提高其耐磨性的方向。钢导轨材料的耐磨性随其含碳量的增加而提高,钢导轨进行热处理时，随着一系列形成碳化物的合金元素的含量提高而提高，在某种成份范围内，导轨耐磨性还随着硬度提高和相应组织变化而提高，如当铸铁导轨的金相组织由铁素体转变为珠光体再转变为马氏体时，其硬度增大，耐磨性也随之提高[6]。一般说来，提高导轨副中一个元件的耐磨性，也可降低另一个元件的磨损速度。此外，用整体或表面热处理、化学处理、敷以耐磨镀层、堆焊耐磨材料等方法，都可提高导轨材料的耐磨性[15]，降低导轨的磨损速度。

（3）减小摩擦热。控制摩擦表面Pv值，或采用合理的方法加强摩擦表面的冷却[16]，以消除产生黏着磨损的各种条件。

（4）在润滑剂中加油性添加剂或极压添加剂。油性添加剂可提高润滑油在金属表面的吸附能力，保持良好的边界润滑状态[17]。极压添加剂可分解出硫、磷、氯等活性元素，与金属表面起化学反应而形成化学反应膜，从而有效地防止或减轻导轨表面的黏着。

（5）合理控制导轨的表面粗糙度。表面糙度越小，表面接触面积大，压强小，抗黏着磨损的能力就越好[5]，但摩擦副表面粗糙度过小，表面又不便于储存润滑剂，摩擦增大，又易导致磨损。所以新机床的表面粗糙度值较大，常采用跑合的方式，降低表面粗糙度，大修机床时常在刨削或磨削之后刮上油槽，便于储油。

（6）车床导轨在工作负荷超过导轨副材料一定的硬度值时，导轨表面的油膜和氧化膜被破坏，表面之间的凸出点相互接触，相对移动时产生黏着，甚至咬死[3]，形成黏着磨损。为此，要避免超负荷工作或者在机床大修时作淬火处理[18]提高额定负荷。（7）工具、量具、工件等杂物不要堆放在机床导轨上，防止划伤导轨[19]；若导轨表面有凸起、凹坑和毛刺，要及时修平，防止造成磨粒磨损。

（8）保证摩擦压力均匀分布。在结构设计时，应考虑零部件压力均匀分布，无局部高压或倾斜重压出现。

（9）在工作状况不受影响的情况下，安装防尘装置[20][21]，防止切屑、磨料、砂粒落到导轨副间，以减少磨粒磨损也是降低导轨副磨损速度的好办法。

5结论

（1）分析总结了普通车床导轨表面的摩擦磨损机理。针对其主要的摩擦类型进行机理分析和影响因素研究，从内部窥探普通车床的摩擦磨损，为普通机床的制造和使用维护及保养提供理论基础。

（2）在分析总结摩擦磨损机理的基础上，考虑各种磨损的交叉作用，给出相关的预防与减少摩擦磨损的措施，为普通机床的制造和使用维护及保养提供指导和建议。参考文献:

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