工作温度
内置 C-Lube 自润滑部件的直线导轨,其最高工作温度耐受极限为 80℃。而未内置该自润滑部件的直线导轨,最高可耐受 120℃工作温度,若持续连续运行,最高耐受温度为 100℃。两者在温度耐受能力上的差异,主要源于直线导轨组成部件的材质不同。
材质
接下来,我们以 IKO 直线导轨 L 为例,分析材料与耐受温度的关联。IKO 直线导轨 L 分为 C-Lube 自润滑型和非自润滑型两种,其结构均由上图所示部件组成。其中,滑轨、外壳、钢球及钢球保持器采用不锈钢材质,侧板为合成树脂,侧面密封垫片为橡胶,C-Lube 自润滑部件则为含油树脂件。首先,我们先探讨温度对物体外形尺寸的影响。
线膨胀系数
当外界压强恒定不变时,物体温度升高会导致其体积相应增大,这种现象叫做热膨胀。物体在某个方向上的长度与温度之间的关联,能够通过下面的经验公式来表达。
L=L0(1+αt+βt2+γt3+···)
其中:
L0:0℃时的物体长度
α:线膨胀系数
β:面膨胀系数
γ:体膨胀系数
t:当前温度
由于α远大于β和γ,所以为了计算简便,上述公式通常被简化为:
L=L0(1+αt)
当温度分别达到t1和t2时,对应的长度可以表示为:
L1=L0(1+αt1)
L2=L1+ΔL=L0(1+αt2)
联立上面两式,整理后可以得到:
以上就是线膨胀系数的公式。线膨胀系数的物理意义可以理解为,温度升高1℃时,物体沿长度方向的尺寸变化量,与0℃时物体长度的比值。下图是马氏体不锈钢SUS440C,不同温度下的线膨胀系数。
120℃时,SUS440C的线膨胀系数约为10×10^-6/℃。假设有一根1米长的导轨,工作温度从20℃上升至120℃,则该导轨长度方向的变化量可以通过计算得出:
∆L=α∙∆t∙L0=10×10-6×(120-20)×1=0.001m=1mm
由此可知,当温差较大时,直线导轨会因热膨胀产生一定变形,而这种变形会直接影响直线导轨的形位公差、运行精度、摩擦阻力及使用寿命,因此热膨胀的影响不容忽视。那么,是否有方法抑制热膨胀对直线导轨的不利影响呢?答案是肯定的,目前常用的方法称为 “调质”。所谓调质,是指通过调整热处理工艺,改善材料内部结构和应力状态,从而使其平均热膨胀系数发生改变(※注 1)。如需了解更多详情,欢迎咨询 IKO。
老化
树脂和橡胶材料若长期处于高温环境中,会出现发硬、脆化、变粘等现象,这一过程称为老化。由于普通导轨的侧板采用树脂材料,密封垫片采用橡胶材料,因此必须考虑高温引发的老化问题。树脂和橡胶在高温环境下发生老化,是因为随着温度升高,化学反应速率加快,抗氧剂和增塑剂的消耗增加,进而缩短了氧化降解的诱导期。
根据阿累尼乌斯经验公式,温度对化学反应速度的影响可以表示为(※注2):
其中:
k: 化学反应速度
A: 前因子
Ea:表观活性能
R: 摩尔气体常量
T: 绝对温度
当温度升高时,化学反应速率会随之加快,进而导致材料出现重量损失和强度衰减的现象。国际电工协会标准 IEC216-2 针对这一情况作出了相关规定。通过耐热试验发现,不同材质的橡胶和树脂,其推荐的工作温度范围存在差异。例如,常用的丁腈橡胶,最高工作温度为 120℃。因此,若直线导轨需在超过 120℃的高温环境中使用,可依据具体使用温度更换耐热性更佳的密封垫片,必要时还可采用钢制侧板。
高温润滑脂
锥入度是衡量润滑脂硬度的重要指标。锥入度越大,表明润滑脂质地越软;锥入度越小,则说明润滑脂质地越硬。无论是过软还是过硬的润滑脂,都会对润滑效果产生不良影响。若润滑脂长期在高温环境下使用,可能会发生软化,尤其是当直线导轨垂直使用时,可能出现基础油分离滴落的情况,进而污染使用环境。此外,温度升高会加速润滑脂的老化变黑过程,影响直线导轨的使用寿命。因此,通常会为润滑脂设定工作温度范围。以锂皂基润滑脂为例,其最高工作温度一般为 120℃。当使用温度超过 120℃时,需根据实际使用温度更换适合高温环境的润滑脂。