直線導軌及其製造方法

2023-05-24 18:06:46 1

專利名稱：直線導軌及其製造方法
直線導軌及其製造方法描述本發明涉及直線導軌(linear guide rail)並且具體地涉及適合於負載的直線運動的導軌。結合工業自動化、生物醫學裝置或類似物，利用直線導軌來移動負載例如機械的部件是已知的。不同類型的直線導軌是已知的。與本發明的直線導軌相似的已知的直線導軌通常包括金屬部分，金屬部分沿一路徑延伸，負載沿該路徑移動。滑塊，其適合於接收安放在其上的負載，沿所述部分自由移動。藉助於滾動元件例如輪子、球、滾子或類似物提供了滑塊和導軌之間的接觸。輪子則優選地安裝在滾動軸承上。相當普通的例子是其中滑塊包括許多輪子且導軌包括適合於與輪子接觸的滾道的例子。在該情況下，因此通過使輪子和直線導軌之間接觸的表面，全部負載被轉移。由於這樣的表面經常是相當小的並且滑塊沿導軌的運動是相當頻繁的，所以必須使輪子保持在其上的滾道在表面上硬化。在下面描述用於製造導軌的已知的方法。粗成形的導向裝置(rough-formed guide)是具有所期望的橫截面和高達4米的長度的拉制部分。粗成形的導向裝置由鋼製成，優選地由C43、C50或100Cr6製成。第一步驟是增大滾動元件的滾道的表面硬度。該步驟通常是藉助於感應 (induction)來表面回火。通常，除了硬化滾道之外，回火步驟具有彎曲、翹曲和/或扭曲導軌的效果。因此，第二步驟是第一矯直導軌。通常通過使導軌穿過以各種有用的方向定向的一系列滾子來執行該矯直操作。第三步驟是洗滌導軌，該步驟是必要的，以便能夠去除由回火步驟產生的殘留的油。第四步驟是對導軌進行噴砂。第五步驟是對導軌鑽孔，該步驟是必需的，以提供用於操作性的裝配 (operational assembly)的固定點。在該步驟期間，孔破壞了纖維的連續性，從而改變使導軌保持直的內應力條件。因此，鑽孔的附帶效應是使導軌再次彎曲的效應。第六步驟是導軌的電鍍，即鍍鋅，這是必須的，以確保充分的腐蝕防護。然後第七步驟是進一步矯直導軌。可以藉助於兩個可選擇的方法來執行該矯直操作藉助於手動操作機械或藉助於自動操作機械。通過將合適的彎曲力矩施加到導軌的彎曲部分而使這些機械起作用。第八步驟是滾道的磨削。在該步驟期間，表面磨蝕改變使導軌保持直的內應力條件。因此，磨削的附帶效應再次是使導軌略微彎曲的效應。因此，第九且最後的步驟是進一步手動矯直導軌。從上述描述，本領域技術人員可容易理解，大量的連續的機械加工操作本身如何需要大量的工作，需要處理導軌、移動導軌、定位導軌等。特別地，清楚的是，如何從基本上直的製品例如拉制部分開始，有必要地花費大量的時間和能量以再次得到同樣直的製品(導軌)。而且，上文描述的一些機械加工操作例如第七步驟期間的手動矯直，可能需要專業人士花費大量的時間。這導致製造導軌的相當大的成本。除了生產成本之外，還必須考慮為了購買用於完成上文描述的所有機械加工步驟所需要的機械和/或裝置所需要的巨大的費用(outlay)。應注意，除了通常在工業中使用的機械之外，可能還存在為該具體用途而專門生產的機械，例如可在第七步驟期間使用的自動矯直機械。這些機械，還鑑於它們的複雜性，可能需要非常大的費用。因此，本發明的目的是至少部分地克服上文關於現有技術所提到的缺點。特別地，本發明的一個任務是提供一種允許大量減少工作量和導軌的機械加工初始所需要的費用的製造直線導軌的方法。本發明的另一任務是提供具有比得上或優於已知類型的導軌的機械特性的機械特性和具有更低的製造成本的直線導軌。通過根據權利要求1的直線導軌和通過根據權利要求5的製造直線導軌的方法來實現上述目的和任務。參考附圖，從下文提供的作為非限制性示例提供的許多實施方式的示例的描述， 將呈現本發明的特有特徵和另外的優勢，附圖中-

圖1示出了根據本發明的導軌和滑動地安裝在其上的相關的滑塊的實施方式的透視圖；-圖2示出了與圖1的視圖類似的視圖，其中為了更大的清晰度，滑塊已經被移走；-圖3示出了根據圖2的導軌的側視圖；-圖4示出了沿圖3的線IV-IV的橫截面圖；-圖5示出了根據圖2的導軌和相關的滑塊的前視圖；-圖6藉助於框圖以示意圖形式圖示了用於得到根據現有技術的直線導軌的方法；-圖7藉助於框圖以示意圖形式圖示了用於得到根據本發明的直線導軌的方法；-圖8以示意圖形式示出了硬度級數對根據現有技術的滾道的厚度和根據本發明的滾道的厚度繪製的曲線；-圖9示出了根據本發明的導軌和滑動地安裝在其上的相關的滑塊的另一個實施方式的透視圖；-圖10示出了根據圖9的導軌的橫截面圖；-圖11示出了根據本發明的導軌和以三種不同的配置滑動地安裝在其上的相關的滑塊的另外的實施方式的部分剖面；-圖12示出了根據本發明的導軌和滑動地安裝在其上的相關的滑塊的另外的實施方式的側視圖；-圖13示出了沿圖12的線XIII-XIII的橫截面圖。參考附圖，10表示根據本發明的用於移動負載的完整的直線導軌。導軌10適合於與滑塊12協同操作。藉助於滾動元件14來提供導軌10和滑塊12之間的接觸。導向裝置10，由拉制鋼製成，包括滾道16和孔18，滾道16適合於與滾動元件14 接觸，孔18用於所述導軌10的操作性的裝配。藉助於磨具(abrasive tool)來使滾道16 的表面平滑，並且藉助於氮化/氧化過程和微潤滑過程來處理導軌10的表面。具體參考圖1，現定義將用於詳細描述的參考系統。縱向方向被定義為平行於導軌 10的軸的方向。該方向在圖1中用「1」表示。軸向方向被定義為平行於滾動元件14的旋轉軸的方向。該方向在圖1中用「a」表示。最後，垂直方向被定義為垂直於縱向方向和軸向方向的方向。該方向在圖1中用「P」表示。根據本發明的直線導軌10由拉制鋼製成。優選地，使用具有在約0. 15%至0. % 之間的碳含量、具有在約0. 95%至1. 35%之間的鉻含量和具有在約1. 04%至1. 64%之間的錳含量的氮化鋼或表面硬化鋼。已證明特別地適合於實施本發明的鋼是根據標準UNI EN ISO 7846-78被定義為20MnCr5的鋼。在附圖1至附圖5的實施方式中，單一導軌10具有完整C形的橫截面；滑塊12被設計成位於「C」的內部並具有依靠在「C」的兩個凸緣上的輪子。帶輪的滑塊12可以沿導軌10執行行進行程(travel stroke)，該行程在長度方面不是預先確定的。在附圖9和附圖10的實施方式中，單一導軌10具有完整C形的橫截面；滑塊12 被設計成位於「C」的內部並具有兩連串球，該球被適當地限制在籠(Cage)20的內部並依靠在「C」的兩個凸緣上。在該實施方式中，籠20和球與滑動器12 —起沿導軌10移動，沿滑塊行進的距離的一半行進。按照該解決方案，因此有必要提供具有等於滑塊12沿導軌10 的最大工作行程的一半的長度的籠20。按照圖12和圖13示出的實施方式，球以本身已知的方式沿滑塊12內部的閉合路逕行進。用這種方式，安裝球的滑塊12可以沿導軌10執行行進行程，該行程在長度方面不是預先確定的。在其中滾動元件14是球的上述實施方式中，滑塊12還包括球的滾道。明顯地，按照根據本發明的方法的教導可以有利地製造滑塊的滾道。在附圖11的實施方式中，單一導向裝置10具有完整的L形的橫截面；滑塊12被設計成依靠在「L」的燈泡狀端部上並具有輪子。一般而言，導軌10和滑塊12的形狀必須使得滑塊12在縱向方向自由移動，並在軸向方向和垂直方向上被約束。在根據圖1至圖5、圖9、圖10、圖12和圖13的導軌的情況下，通過導軌10的橫截面的C形狀來確保該類型約束。另一方面，在根據圖11的導軌的情況下，通過適當地安裝兩個L形導軌來確保該類型約束。按照某些未示出的實施方式，滑塊12又可以包括導軌部分，能夠支撐負載的另外的滑塊安裝在該導軌部分上。因此，這以已知的方式生產伸縮導軌。固定的導軌和安裝在滑塊12上的導軌都是根據本發明的有利的導軌。藉助於滾動軸承(滾子和/或球類型的)優選地將輪子安裝在滑塊12上。導軌10包括滾道16，滾動元件14和導軌10之間的接觸沿滾道16發生。使用磨具(例如磨輪)來使滾道平滑，以降低摩擦並確保均一且平滑的滑塊運動。導軌10還包括孔，其用於所述導軌的操作性的裝配。孔18優選地具有維度 (dimension)並基於標準負載P被彼此間隔開，標準負載P在垂直方向必須被導軌10支撐(具體見圖5)。使用結合的氮化和後氧化過程(post-oxidation process)來處理導軌10的外表面。表面的這些熱化學處理以本身已知的方式影響表面硬度、磨損/摩擦行為、疲勞強度和耐腐蝕性。在結合的氮化和後氧化處理(將參考製造方法在下文描述)之後，導軌10達到具有在圖8(通過點線)示意地表明的特有級數的表面硬度。圖8還示出藉助於感應回火在厚度上達到的洛氏硬度的級數(短劃線)。最後，在結合的氮化和後氧化處理之後，導軌10經歷微潤滑處理，參考用於生產導軌10的方法，還在下文描述了微潤滑處理。這些處理之後，導軌呈現特有的黑顏色並具有增大的耐腐蝕性。按照某些實施方式，在熱化學氮化和後氧化處理之前，藉助於平滑或拋光來處理導軌10的表面。根據這些實施方式，導軌10的表面是極其均一的且基本上無粗糙度。參考用於製造根據本發明的導軌10的方法，該方法包括以下步驟-提供由拉制鋼製成的粗成形的導軌；-對導軌鑽孔；-藉助於磨具來使導軌的滾道平滑；-氮化和後氧化；-微潤滑；以及-矯直導軌。拉制、鑽孔、平滑和矯直步驟是以本身廣泛已知的方式執行的步驟。具體地，鑽孔、 平滑和矯直步驟完全如以現有技術的方法來執行。氮化和後氧化處理是本身已知的，但為了更充分理解本發明，簡短解釋是有必要的。氮化是用於使氮原子擴散到金屬的表面的方法。在自然界，分子氮是非常普通的； 它是化學惰性的並具有太大以致不能穿入金屬的晶格的尺寸。為此，各種氮化技術以新生的原子氮的源為目標。不考慮方法，氮化是用於使氮擴散到金屬中的過程，並且一旦單個原子已穿過表面，該擴散就繼續，直至溫度足夠高和直至新生的原子氮被供應到表面上。通常，氮化過程生成兩種不同的層具有在約15μπι和30μπι之間的厚度的表面層和深層。表面層(還叫做白層)富有!^e2N和!^e4N並且因此是極其硬且脆的。深層還叫做擴散層，並且是氮擴散到晶格中並給予鋼其最感興趣的性能的深層。各種氮化方法是已知的並且以工業規模被使用-(液體)鹽浴氮化，其中氮(以及還有碳)源是液體鹽；-等離子體氮化，其中通過電磁場將氮分子(N2)分裂成離子。-氣體氮化，其使用氣態的氨(NH3)。可通過控制氨的離解度或優選地藉助於更有效的氮化電勢(Kn)的控制來常規地控制氣體氮化方法。後一類型的氮化處理是已經被證明為最適合於實施本發明的處理。該類型的處理由加拿大安大略省伯靈頓的Nitrex Metal Technologies Inc.開發和定義。目前，該處理以名稱Nitreg 商業上可得。關聯氮化電勢(Kn)、溫度和處理時間的原理的準確理解和應用形成Nitreg 技術的基礎。通過控制表面上的氮濃度，可以以實際上獨立於形成所期望的擴散層的方式來控制白層的生長。由於該方法，可以滿足許多嚴格的要求並遵守非常小的公差，尤其是關於白層的厚度和性能。如在圖8中可見，通過氮化得到的相對於厚度的值HRC(洛氏C-標尺硬度)的級數具有與通過回火常規地得到的級數不同的級數。事實上，由於在拉制期間發生碳在環境中的擴散，所以回火對鋼的外層和表面層沒有任何影響。通過氮化提供的硬度反而在外層上更大並且然後沿擴散層逐漸減小。然而，兩種氮化處理的效果是相當的，因為用於本文所考慮的應用的最優硬度在約0. 25mm的深度處為約55HRC。如上文所提及的，氮化處理之後是氧化處理。該處理在本文被稱為「後氧化」，表示按照預先明確界定的參數在氮化後立即執行該處理。因此，本領域技術人員將理解，該處理不以任何方式類似可能在任何導軌的工作壽命期間出現的其他自發的氧化現象。後氧化趨於將由氮化引起的白層的最外面部分(3-5微米厚度)轉化成複雜的尖晶石結構。該結構主要由狗304 (還叫做磁石)類型的氧化鐵組成。該後氧化處理具有改進耐腐蝕性和耐磨損性且降低摩擦係數的效果。除了這些機械效果之外，得到深色或黑色特徵的成品(finish)。與對於氮化一樣，在後氧化的情況中，各種方法也是已知的並且以工業規模被使用_(液體)鹽浴氧化；-蒸汽氧化；-在氣態氣氛中氧化；以及-離子-放電氧化。適合於實施本發明的後氧化處理是由加拿大安大略省伯靈頓的Nitrex Metal Technologies Inc.開發和定義的處理。目前，該處理以名稱ONC 商業上可得到。適合於本發明的第一結合的氮化和後氧化處理由Nitrex Metal Technologies Inc.開發和定義；該處理以名稱Nitreg -ONC 商業上可得到。適合於本發明的第二結合的氮化和後氧化處理由義大利的Nerviano(MI)的TTN S.p.A.開發和定義；該處理以名稱Nipre 商業上可得到。取決於所使用的鋼的類型，使用Nitreg -ONC 或Nipre 方法處理的部件在鹽霧腐蝕測試(例如，按照標準UNI EN ISO 9227或標準ASTM B117)期間具有優秀的行為。 根據本發明的導軌10的樣品需要320小時(ISO測試9227)來形成第一鏽斑。因此，通過後氧化提供的保護大於通過其他處理例如鍍鉻、鍍鎳或鍍鋅提供的保護。後氧化處理不顯著地改變通過前面的氮化處理賦予鋼的特性。特別地，ONC 處理不顯著地改變通過前面的Nitreg 氮化處理賦予鋼的特性。因此，關於通過氮化(尤其是 Nitreg )賦予鋼的性質例如硬度的上述觀察仍然還適用於被氮化和後氧化的鋼。Nitreg 、ONC 和Nipre 處理是比其他可比較的技術例如鹽浴氮化或鍍鉻更清潔的技術。用於製造根據本發明的直線導軌10的方法還包括涉及用潤滑和抗腐蝕物質對表面層進行微浸漬的步驟。該物質可以是例如具有抗氧化劑添加劑的礦物油。按照本發明的實施方式，該方法還包括在熱化學氮化和後氧化處理之前，涉及導軌10的表面的平滑或拋光的步驟。可以使用磨具(例如刷子)來完成該步驟。由於該另外的平滑或拋光步驟，後續的熱化學處理能夠作用於極其均一且基本上無粗糙度的表面。實際上，已注意到，腐蝕優選地在表面上存在甚至最輕微的粗糙度的地方開始。採用所述方法的該最後的步驟，因此可以得到甚至更耐腐蝕的導軌。特別地，在氮化或後氧化之前已經經歷拋光的根據本發明的導軌10的樣品需要大於500小時(ISO測試 9227)來形成第一鏽斑。按照上文所描述的，本領域技術人員可以明白，根據本發明的方法如何能夠得到具有優於已知類型的導軌的特性的特性的直線導軌10。而且，採用根據本發明的方法，可以非常迅速地且以較低的初期費用來生產導軌10。特別地，根據本發明的方法充分利用了以下事實開始製品(Starting article)(拉制產品)已經足夠直以能夠以最優方式執行直線導軌的功能。採用根據本發明的實施方式，可以利用拉制產品的該特有的特徵，以便避免在已知方法中需要的所有的中間矯直步驟。單一的最後的矯直操作能夠確保根據本發明的導軌10的最優品質。關於上文描述的直線導軌10的實施方式和用於製造直線導軌10的方法，本領域技術人員為了滿足具體的要求，可以對所描述的要素作出修改和/或用等同的要素替代所描述的要素，而不因此偏離所附權利要求的範圍。
權利要求
1.一種直線導軌(10)，適合於與滑塊(12)協同操作，其中藉助於滾動元件(14)實現了所述直線導軌(10)和所述滑塊(12)之間的接觸，所述導軌由拉制鋼製成並且包括-孔(18)，其用於操作性的裝配，以及-滾道(16)，其適合於與所述滾動元件(14)接觸，所述滾道(16)的表面藉助於磨具而被平滑；其中所述導軌(10)的表面使用氮化、後氧化和微潤滑過程來處理。
2.根據權利要求1所述的導軌(10)，其中所述導軌(10)的表面通過使用磨具的平滑或拋光過程來處理。
3.根據權利要求1或2所述的導軌(10)，其中所述滾動元件(14)包括選自包括輪子、 安裝在滾動軸承上的輪子和球的組中的元件。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的導軌(10)，其中所述鋼是表面硬化鋼或氮化鋼。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的導軌(10)，其中所述鋼是被定義為20MnCr5的鋼。
6.一種製造用於移動負載的直線導軌(10)的方法，包括以下步驟 -提供由拉制鋼製成的粗成形的導軌；-對所述導軌鑽孔；-藉助於磨具來使所述導軌的滾道平滑； -對所述導軌的表面進行氮化和後氧化； -對所述導軌的表面進行微潤滑；以及 -矯直所述導軌。
7.根據前述權利要求所述的方法，其中，在對所述導軌的表面進行氮化和後氧化的步驟之前，執行藉助於磨具來使所述導軌的表面平滑或拋光的步驟。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其中，對所述導軌的表面進行氮化和後氧化的步驟包括Nitreg -ONC 處理或Nipre 處理。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的方法，其中對所述導軌(10)的表面進行微潤滑的步驟包括涉及使用抗腐蝕和潤滑物質對表面層進行微浸漬的處理。
全文摘要
本發明涉及適合於與滑塊(12)協同操作的直線導軌(10)。藉助於滾動元件(14)來獲得在直線導軌和滑塊之間的接觸。導軌由拉制鋼製成並且包括孔(18)和滾道(16)，孔(18)用於操作性的裝配，滾道(16)適合於與滾動元件接觸。藉助於磨具來使滾道的表面平滑。使用氮化、後氧化和微潤滑過程來處理導向裝置的表面。
文檔編號F16C33/62GK102209855SQ200980144949
公開日2011年10月5日 申請日期2009年11月12日 優先權日2008年11月18日
發明者洛裡斯·博洛佐納羅 申請人:T瑞斯股份公司