1. 前言
直线导轨所用的“NSK K1”，是以润滑为目的，使用单独的复合材料“固态油”所开发出的小型供油单元。一直以来都有考虑过将油、油脂含在树脂里，起到润滑的作用，但至今在直动滚动的产品里还未见到运用。
以直线导轨为代表的直动滚动产品，其润滑方法与下述的两点有很大区别。包括脂润滑，间歇供油润滑。二者在使用上各有特点。
润滑脂随之使用时间的增加，会出现润滑脂劣化、润滑脂流出的现象，所以必须定期补给。另一方面，对于油润滑来说，需要时不时向油箱里添加新油，而且还必须配有复杂的管线设备。总之，无法做到完全不需要维护。
虽然很早以来，市场中既存在“免维护设备”的说法，但至今连直线导轨在内的直动产品一直都没有能够实现免维护。
现在为了满足市场的这种“免维护”的需求，开发了面向直线导轨用的“NSK K1”。最初，以搬送用的直动产品为中心，以实现轻负荷用途的直动产品免维护，延长产业机械·木工机械上耗润滑油快的直动产品寿命为目的进行了开发，并已向市场提供。
市场上的不止是搬送用产品，其他的机床，都需要面对免维护、由于冷却液里混入润滑油所导致腐烂·发臭等的环境问题、节能减排等一系列技术需求。正因如此，NSK在之后进行了针对用于机床的直动产品在高负荷条件下的评价试验。实验结果表明，已经达到了实用化的阶段，直动产品在世界上首次实现了产品化。
在应用到机床上，同润滑油的供给能力一样，在充斥切削粉末、冷却液、异物的环境中的耐久性能也是十分重要的一点。
这里，就本着这两点考虑开发的直线导轨用“NSK K1”的基本特性，主要介绍一下安装“NSK K1”的直线导轨的耐久性能。
2.关于“固态油”
2.1. “固态油”的构造
“固态油”是以很多不同分子量的聚烯烃树脂为材料所构成的新型特殊材料，这些聚烯烃对润滑油有油亲和性。这种材料，在温度加热到聚烯烃树脂的熔点以上时，有不错的塑性，这就让含有润滑油的树脂能够加工形成任意形状。
“固态油”有代表的机械性能如表1所示。同时，也添加了尼龙66（PA66）与丁腈橡胶（NBR）的相关数据。
表1中的硬度，尼龙66与一般的评价方法（标度）不同（塑料用罗克韦尔R标度，橡胶用肖氏A标度），不能直接比较。因此，弯曲模量也一并记入。
“固态油”的性能，因为含有润滑油，拉伸强度会比其余二者小，硬度也就是弯曲模量介于塑料和橡胶之间。“固态油”成型的时候聚烯烃树脂分子处于拉伸状态，由于残余应力的作用，树脂会不断收缩，因此就能完成润滑油的供给。
如图1所示，改变聚烯烃树脂的配比以及种类可以控制润滑油的供给量。
3. 直线导轨用“NSK K1”及其基本性能
3.1. 形状和安装方法
直线导轨用“NSK K1”的形状以及安装示例如照片1和图2所示。
如图2所示的NSK K1，安装在直线导轨的端盖外侧的护板和端密封圈之间，其上面设计了一个比安装环直径稍小的孔槽，这样当安装环插入孔槽时，NSK K1就会扩展变形，从而就能紧贴着导轨的轨道面。这样，含有的润滑油就能慢慢地供给轨道面和轨道面之间的钢球。
另外，由于安装环的厚度稍微比NSK K1厚，就形成了不会给NSK K1约束的结构，即便NSK K1随之时间增加而变形，也能正常贴紧接触面供给润滑油。
3.2. 润滑油供给的特性
根据润滑油和树脂的组合，能得到特性不同的“固态油”。在此介绍用于直线导轨的NSK K1，其中润滑油含有质量为70%。
“固态油”的润滑油供给量会随着温度增高而增加。这是由于随着温度上升，会增加聚烯烃树脂活性，从而增加润滑油渗出的应力，因此润滑油的供给能力会增加。
如下图3就是对用于直线导轨的NSK K1的评价结果。很明显地就能看出润滑油的供给量和环境温度的关系。
因此，为了让NSK K1长期保持高性能，规定使用温度上限为50℃（瞬时温度80℃）。但是，在最近的实验表明，在70～80℃的环境中连续运行也没有特别的问题出现。
之后，对在装有NSK K1的直线导轨，仅靠NSK K1提供的润滑油来进行运转实验，一个是一直连续运行，另一个是定期将渗出的润滑油擦掉，将二者进行比较，结果是后者的润滑油供给量较多（参照图4）。
根据NSK K1所处的环境，相比于干燥状态，多油环境会让润滑油更难渗出。换言之，当直线导轨上有充足的油脂时，NSK K1中的润滑油更倾向于保持在里面，这是NSK K1本来就具有的性质，正因如此其才能保持有效的机能。
接下来是关于NSK K1的耐化学试剂性的实验，为了能确认在特殊环境如无机酸、碱性环境对NSK K1的影响，将NSK K1放入盐酸、硝酸（pH1左右）以及苛性钠（pH13左右）浓度为1mol/L的溶液中10天，其状况如表2所示。在如此酸或碱的环境下与置于空气中相比较，外观还好，NSK K1的润滑剂供给量（质量变化率）变化不一。
再者，一般的冷却液、润滑油、润滑脂等会导致其变色，但并无其他问题。可是，长时间放到稀释剂等的有机溶剂，煤油、防锈油（含有煤油的成分）等环境中，NSK K1含的润滑油会被置换出来，这样会显著丧失润滑性能
3.3 润滑油供给寿命的预测
在环境温度40 ℃的条件下，对直线导轨进行运行试验以预测NSK K1的润滑油供给的寿命，润滑油供给量随时间的变化如图5所示。
另外，实验由于加速度过程中周围的温度会在0 ℃到60 ℃之间变化。
当然，虽说当温度升高润滑油的供给量有增大的趋势，即便超过10%也可以继续运行。
假设一般机器周围的温度在40 ℃左右，本实验就是在40 ℃环境下持续运行以推测润滑油供给寿命。
用最小二乘法求出近似线，达到寿命10万小时的连续运行后润滑油供给量的理论为13%，1000km处脱脂后润滑脂供给量的理论值为15%。这表明机械以每年运转250天，可以提供16年以上的润滑油供给，因此具有绝对充裕的寿命时间。
4. 装有“NSK K1”直线导轨的耐久性
4.1. 轻负载条件下的耐久性
NSK K1原本的使用方法是与润滑脂一并使用，假设初期封入的润滑脂干涸后，为了确认仅有NSK K1提供的润滑油的条件下运行的耐久性，使用直线导轨LH30，以搬送装置200m/min的超高进给速度且轻负载下进行实验，结果如图6所示。
结果表明，就算只用NSK K1渗出的润滑油也有可能平稳地运行。而且，即便运行中存在被有机溶剂脱脂的情况，之后仅用NSK K1提供的润滑油，也能进行10000km以上的运行距离。另外，虽会担心在高速运行下NSK K1的磨损，但实验证明，润滑充分，完全没有问题。
接着，用同型号的直线导轨LH30在中等进给速度60m/min且轻负载条件下进行耐久实验，结果如图7所示。即使在运行途中将导轨沟槽进行脱脂，由于NSK K1还会继续提供润滑油，整个运行过程中并无问题。
4.2 高负载条件的耐久性
谈到直线导轨的用途，高负载条件的代表即为机床引导。这里介绍的耐久试验是在脂润滑的基础上加上NSK K1，为了能实现机床等长期免维护的目的而实施的。
该试验是在高负载条件下进行的，换句话就是直线导轨实际中最大的负载为目标的沟槽的最大面压2000Mpa，以下就是各种目的的耐久试验。
- （1） 假定在润滑脂劣化下的耐久性（仅有NSK K1的润滑油的耐久试验）
- （2） 假设使用了多年的NSK K1的耐久试验（将NSK K1放在高温里一段时间，将里面含有的润滑油释放出一些，模拟数年使用后的状态）
- （3） 和实际条件相同的耐久试验（脂润滑基础上附加NSK K1）
- （4） 与（3）目的一样，在异物条件下的耐久试验。
关于直线导轨NSK K1装配数量，在高负载条件下滑块单侧标配2片，及单侧4片的也进行过试验。另外，根据最近高速化动向进行判断，将耐久试验的运行距离制定为第一阶段3000km，第二阶段5000km。
这些试验中，有代表的例子是试验（1），如下所记，试验（4）的例子详见4.3.1。
样品为直线导轨LY35，双滑块式样的导轨2根装在平台上，以下面条件运行。
| 润滑 | 仅有NSK K1 |
|---|---|
| 密封圈式样 | NSK K1单侧2片 + 端密封圈 |
| 预压载荷 | 1760N（中预紧） |
| 外部载荷 | 6080N/滑块 |
| 最大接触面圧 | 2060MPa |
| 行程 | 400mm |
| 平均进给速度 | 24m/min （由于曲柄驱动，存在0～37.7m/min 的变化） |
| 高负载条件下5000km运行的调查结果。 | |
运行5000km的调查结果如表3所示。为了参照，型号不同类似条件的间歇供油的试验结果一并记录。从刚度等的变化以及间歇给油没变色结果来判断，还可以继续运行。
另外，以上任何目的的试验，都平稳运行超过5000km，因此可以判断机床上的高负载条件下运行是可行的。
4.3 异物环境下的耐久性
4.3.1 含有异物的冷却液环境下
接下来介绍一下模拟机床中的异物环境，在含有异物的冷却液的条件下进行实验，现将结果作如下介绍。
样品：直线导轨LY48BN（重预紧）
共计4条导轨，8个滑块
各导轨的密封圈规格
- （a）：NSK K1单侧4片+标准端密封圈
- （b）：NSK K1单侧2片+标准端密封圈
- （c）：标准双密封圈（无NSK K1）
- （d）：标准双密封圈（间歇供油）
再者，间歇给油的实验中，和之前的实验条件一样。NSK K1单侧装4片（1个滑块有8片），由于试验机的因素，将其分配为外侧6片，内侧2片。
| 润滑条件 | 间歇供油除外、Albania No.2润滑脂（仅为初始封入） |
|---|---|
| 预压 | 4120N |
| 外部载荷 | 9800N/滑块 |
| 行程 | 400mm |
| 平均运转速度 | 24m/min （相较于曲柄驱动，有0～37.7m/min的变化） |
| 异物条件 | 将3850 LH切削液稀释30倍，混入5%筛眼115的FCD 45铸件粉，浇到导轨沟槽上后运行2天，之后将异物液去掉，再运行5天。（参照照片2） |
实验的（a）导轨（NSK K1单侧4块）和导轨（b）（NSK K1单侧2块）同时开始。运行3000km时导轨（b）的一侧运转不良，由于端盖破损导致。
于是，将导轨（b）替换导轨（c）（无NSK K1），之后继续像导轨（a）一样运行。导轨（c）在运转600km时，由于端盖破损导致运转不良。
导轨（a）一共运行了3600km，并且还可以继续运行。将实验结束的实验品分解后进行调查。根据结果，符合间歇给油运行3000km的结果，如表4所示。
如前面所述，无NSK K1，单侧2片NSK K1分别在运行600km，3000km时端盖破损，单侧4片在实验结束后还有残余的预紧，推测还可继续运行。
实验中，在试验机台上用精密的弹簧拉力计测量随着运行距离的变化摩擦力矩的值，如图8所示。
没有使用NSK K1的实验样品，初期摩擦力下降很快，可以发现早期就发生了磨损。另外，带NSK K1的样品摩擦力减小的速度很慢。单侧装4片有NSK K1的样品，从摩擦力实测结果发现，在运行了3600km后仍有残存的预紧。
从以上的结果来看，在充满异物的苛刻环境中的NSK K1的安装片数，在高负载条件下的滑块单侧标配2片基础上，如果再多安装1～2片，可以进一步大幅延长寿命。
4.3.2 在木屑环境中
在苛刻的环境条件下，木屑等的粉尘的存在会吸取润滑油，从而导致润滑不良。由于大部分的木工机械使用在在这样的环境条件下，因此，通常会存在下述的问题。
木屑不仅会让滑块里面的润滑脂干涸，也会将为防止异物侵入的密封圈润滑失效，进一步让密封圈磨损，进而异物进入，让滚动体循环不顺畅。
NSK K1不仅能缓解滑块内的润滑不良，还能防止标准密封圈的磨损。
在切削粉的环境中，标准双密封圈（标准密封圈2个叠起来用）和安装了NSK K1的导轨，在下记的条件下进行试验，结果如图9所示。
| 样本 | LH30 |
|---|---|
| 预紧 | 微预紧 |
| 平均进给速度 | 24m/min |
| 行程 | 400mm |
| 外部载荷 | 490N/滑块 |
| 润滑·密封圈规格 | AAV2润滑脂 + 标准双密封圈 AV2润滑脂 + NSK K1 + 标准双密封圈 |
木屑的量不同，运行的距离也会有差距，在相同量切削粉的情况下，使用NSK K1能得到2～4倍的运行距离。
4.3.3. 铸件切削粉环境下
接下来，介绍在充满异物的铸件切削环境下的实验结果。
| 实验样本 | LH30 |
|---|---|
| 预紧 | 有间隙的互换品 |
| 润滑方式 | AV2润滑脂（仅出厂时装填） |
| 异物量 | 1根导轨上300g |
| 运行速度 | 45m/min |
| 行程 | 400mm |
起初，将铸造产生的切削粉撒在滑块的两端，并装上护罩。之后，每天一回，将残留在行程两端的切屑再收集回护罩里，使因运行散落的切削粉重新聚集到导轨上。运行完成后的直线导轨的外观照片如照片3所示。
根据图5所示的实验结果，附带NSK K1的效果很明显。尤其对于标准密封圈的磨损、开裂均有不错的效果，也能减少摩擦力（密封圈的抵抗）的变化。
另外，从侵入滑块内部的异物情况来看，NSK K1的润滑油补给效果以及充当端密封圈的效果也不错。
实验在2000km就终止了，如果再继续使用的话，标准密封圈的磨损甚至劣化就会显现出来，这将会极大影响寿命。
这里，为了能了解实验后的NSK K1的润滑油供给能力，如图4为在室温下放置24小时的NSK K1实验完成品表面放大后的照片。虽然表面附着切削粉，但还能看到润滑油渗出，这说明NSK K1还能保持着良好的性能。
5. 装有“NSK K1”的直线导轨用于焊接线的效果
以上是从测试中得到的代表案例，接下来列举一个NSK K1被使用的例子。
运用在汽车制造的焊接机上面，表6表示的是使用和不使用NSK K1的直线导轨的调查结果。
同一台机器同一个地方，先用规格1（没有NSK K1）运转10.5个月后，换成规格2（装有NSK K1）又运转13个月。两者运转后的有着显著的差异，从而可以认为NSK K1具有明显的效果。（参考照片5～8）
比较规格2和规格1，滑块和球沟槽的劣化不明显，规格2的钢球也是同样劣化程度大幅减小。规格1中在导轨、滑块、沟槽以及钢球上均发现锈迹，但在规格2上没有发现。另外，在规格2的滑块内多少也有焊接溅入的粉末。
6.“NSK K1”的最新动向
6.1. 食品机械上用的“NSK K1”
食品机械，因为设备的卫生管理，需要定期用水等液体清洗，因此诸如润滑剂的脂类就容易被洗掉
迄今为止所谈到的标准直线导轨所用的“NSK K1”大都使用在不会直接接触食品的情况下，如果在可能接触到食品的环境中使用时，其组成需要详细探讨。
因此，通过采用获得FDA（ United States Food and Drug Administration ）认可的材料，进一步开发了可应用于食品机械的NSK K1。
现在，正在进行一般耐久运行试验以及定期的水没试验，评价食品机械用NSK K1的润滑性能（参照照片9）。其中一般试验已运行13000km，另外，水没试验（1天/1周被水浸没）已正常运行2000km，由此可判断与标准NSK K1有着同样的性能。
6.2 用于滚珠丝杠的“NSK K1”
如果考虑到机械的传动系统，无论是直线导轨还是滚珠丝杠，均需考虑如何免维护。
基于与直线导轨同样的考虑方法，NSK也致力于滚珠丝杠的NSK K1的开发，根据本书的“滚珠丝杠最新技术动向”来看，已经能实现在机床等高负载用途下的实际运用。
7.后记
从各种实验结果来看，带“NSK K1”的直线导轨或者滚珠丝杠，能得到油润滑同等以上的润滑性能，可以实现长期免维护。
特别是在异物等的恶劣环境下，“NSK K1”可以发挥有良好的润滑效果。
今后，还要进一步积累直线导轨和滚珠丝杠的数据，提高免维护的可靠度。
参考文献
- 1）矢部俊一，植木史雄，高城敏己，松永茂樹，塚田徹，加藤総一郎：NSK Technical Journal, 661 (1996), 36-41