4导轨设计Word格式.docx

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（2）摩擦性质

1）滑动导轨两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦，按其摩擦状态又可分为：

液体静压导轨两导轨面间具有一层静压油膜，相当于静压滑动轴承，摩擦性质属于纯液体摩擦，主运动和进给运动导轨都能应用，但用于进给运动导轨较多。

液体动压导轨当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体动压效应使导轨油囊处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦，相当于动压滑动轴承，这种导轨只能用于高速场合，故仅用作主运动导轨。

混合摩擦导轨在导轨面间虽有一定的动压效应或静压效应，但由于速度还不够高，油楔所形成的压力油还不足以隔开导轨面，导轨面仍处于直接接触状态，大多数导轨属于这一类。

边界摩擦导轨在滑动速度很低时，导轨面间不足以产生动压效应。

2）滚动导轨在两导轨副接触面间装有球、滚子和滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性能，广泛地应用于进给运动和旋转运动的导轨。

（3）受力情况

1）开式导轨若导轨所承受的颠覆力矩不大，在部件自重和外载作用下，导轨面a和b在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如图4.la所示。

2）闭式导轨部件上所受的颠覆力矩M较大时，就必须增加压板以形成辅助导轨面e，才能使主导轨面c和d都良好地接触，称为闭式导轨，如图4.1b所示。

4.1.2导轨的基本要求

1．较高的导向精度

导向精度是指动导轨运动轨迹的准确性。

它是保证导轨工作质量的前提，继而也保证了运动部件的运动准确性。

导轨在空载运动和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。

影响导向精度的主要因素是导轨的结构型式、导轨的几何精度和接触精度、导轨和基础部件的刚度、导轨的油膜厚度和刚度、导轨和基础部件的热变形等。

2．良好的耐磨性

导向精度的持久性主要是由导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、工艺方法及受力情况等有关。

另外，导轨和基础部件上的残余应力，也会使导轨发生蠕变而影响导轨精度的保持性。

影响精度保持性的主要因素是磨损，提高耐磨性以保证导向精度的持久性。

3．足够的刚度

足够的刚度可以保证在额定载荷作用下，导轨的变形在允许范围内。

受载后，导轨的变形是绝对的，它会影响导向精度和部件的相对位置。

因此，要求导轨应有足够的刚度。

4.良好的低速运动平稳性

当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现爬行现象。

低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑、动静摩擦因数的差值以及传动导轨运动的传动系统的刚度等有关。

5．结构简单、工艺性好

设计时要使导轨的制造和维护方便，刮研量小。

如果是镶装导轨，则应尽量做到更换容易。

4.2滑动导轨

4.2.1导轨的材料

1．对导轨材料的要求

导轨的材料有铸铁、钢、非铁金属和塑料等。

对其主要要求是耐磨性好、工艺性好和成本低。

对于塑料镶装导轨的材料，还应保证：

在温度升高（主运动导轨120-150℃，进给导轨60℃）和空气湿度增大时的尺寸稳定性；

在静载压力达到5MPa时，不发生蠕变；

塑料的线膨胀系数应与铁接近。

2.常用导轨的材料

1）铸铁铸铁成本低，有良好的减振性和耐磨性。

2）钢采用淬火钢和氮化钢的镶装钢导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。

但镶钢导轨工艺复杂，加工较困难，成本也较高。

3）非铁金属用于镶装导轨的非铁金属板的材料主要有锡青铜和锌合金。

4）塑料镶装塑料导轨具有摩擦因数小、耐磨性好、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性能和化学稳定性好、工艺简单、成本低等特点，因而在各类设备的动导轨上都有应用。

3．导轨副材料的选用

在导轨副中，为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同材料。

如果采用相同材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。

一般说来动导轨的硬度比支承导轨的硬度约低15-45HBS为宜。

在直线运动导轨中，长导轨用较耐磨的或硬度较高的材料制造。

这是因为：

1）长导轨各处使用机会难以均等，磨损不均匀，对加工的精度影响较大。

因此，长导轨的耐磨性应高一些。

2）长导轨面不容易刮研，选用耐磨材料制造可减少维修的劳动量。

3）不能完全防护的导轨都是长导轨。

它露在外面，容易被刮伤。

在回转运动导轨副中，应将较软的材料用于动导轨。

这是因为花盘或圆工作台导轨比底座加工方便些，磨损后修理也比较方便。

导轨材料的搭配有如下几种：

铸铁一铸铁、铸铁一淬火铸铁、铸铁一淬火钢、非铁金属一铸-铁、塑料一铸铁、淬火钢一淬火钢等，前者为动导轨，后者为支承导轨。

除铸铁导轨外，其他导轨均为镶装的。

4.2.2导轨的结构

1．直线运动导轨

直线运动导轨截面的基本形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形四种形式，如图4.2所示。

三角形导轨的导向性随顶角a的大小而不同，a越小导向性越好。

但是当a减小时，导轨面的当量摩擦因数会加大。

通常取三角形导轨的顶角a为90°

。

矩形导轨具有刚度高，加工、检验和维修都较方便的优点。

但矩形导轨由于存在侧面间隙，因此导向性差。

矩形导轨适用于载荷较大，而导向性要求略低的设备。

燕尾形导轨的优点是高度较小，间隙调整方便，可以承受颠覆力矩，而缺点是刚度较差，加工、检验和维修不方便。

β通常取55°

这种导轨适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的场合。

圆柱形导轨，制造方便，不易积存较大的切屑，但磨损后很难调整和补偿间隙，应用较少。

导轨的尺寸已标准化，可参阅有关标准。

直线运动导轨通常由两条组合而成，如图4.3所示。

图4.3a所示为双三角形导轨。

它的导向性和精度保持性好，但由于过定位，加工、检验和维修都比较困难，因此多用于精度要求较高的设备，如单柱坐标镗床。

图4.3b所示为双矩形导轨。

它的承载能力较大，但导向性稍差，多用于普通精度的设备。

由一条导轨的两侧导向时，叫做窄式组合，如图4.4a所示；

分别由两条导轨的外侧导向时，叫做宽式组合，如图4.4b所示。

宽式组合导向性稍差，因此双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些。

图4.3c所示为三角形和矩形导轨的组合，它兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点，应用最广，如磨床、龙门刨床等工作台导轨。

图4.3d所示为燕尾形导轨，它是闭式导轨中接触面最少的一种结构，用一根镶条就可调节各接触面的间隙，如牛头刨床的滑枕。

图4.3e所示为矩形和燕尾形导轨的组合，它具有调整方便和承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱等的导轨。

图4.3f所示为双圆柱导轨，常用于只受轴向力的场合，如攻丝机和机械手等。

两条导轨的中心之间的距离Ld（图4.3c）叫做导轨的跨距，它的大小根据导轨的受力情况和参考现存同类设备导轨的尺寸确定。

2.回转运动导轨

回转运动导轨的截面形状有平面、锥面和V形面三种，如图4.5所示。

图4.5a所示为平面环形导轨，它具有承载能力大、结构简单、制造方便的优点。

但平面环形导轨只能承受轴向载荷，因此必须与主轴联合使用，由主轴来承受径向载荷。

这种导轨适用于由主轴定心的各种回转运动导轨的设备，如齿轮加工机床。

图4.5b所示为锥面环形导轨，母线倾角常取30°

，可以承受一定的径向载荷。

图4.5c,d,e所示皆为V形环面导轨，可以承受较大的径向载荷和一定的颠覆力矩。

但它们的共同缺点是工艺性差，在与主轴联合使用时既要保证导轨面的接触，又要保证导轨面与主轴的同心是相当困难的，因此有被平面环形导轨取代的趋势。

回转运动导轨的直径，根据下述原则选取：

低速运动的圆工作台，为使其运动平稳，取环形导轨的直径接近于工作台的直径。

高速转动的圆工作台．取导轨的平均直径D'

与工作台外径之比为0.6-0.7。

环形导轨面的宽度B应根据许用压力来洗择．通常取

，最常用的取

3．镶装导轨

采用镶装导轨的目的，主要在于提高导轨的耐磨性。

有时由于结构的原因（焊接床身），也必须采用镶装导轨。

在支承导轨上通常镶装淬硬钢块、钢板或钢带，在动导轨上镶装塑料或非铁金属板等。

镶装导轨的结构可参阅有关资料。

4.导轨间隙的调整

导轨结合面配合的松紧对设备的工作性能有很大的影响。

过紧不仅操作困难，而且磨损也快；

过松则影响运动精度，甚至会产生振动。

因此，必须对导轨间隙加以调整。

常用调整导轨间隙的装置有镶条和压板两种。

（1）镶条

镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面的企常接触。

镶条应放在导轨受力较小的一侧。

通常有平镶条和楔形镶条两种。

平镶条如图4.6所示，它具有调整方便、制造容易等特点。

但图中所示的平镶条较薄，只在与螺钉接触的几个点受力，容易变形，刚度低。

图4.7所示为楔形镶条，镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高，但加工稍困难。

楔形镶条的斜度为1:

100-1:

40，镶条越长斜度应越小，以免两端厚度相差太大。

（2）压板

压板用于调整间隙并承受颠覆力矩，如图4.8所示。

图4.8a所示为用磨或刮压板3的e和d面来调整间隙。

间隙太大，则磨刮压板3与床鞍1的结合面d；

间隙太小，则磨刮压板3与床身2的下导轨结合面e。

由于d面和e面不在同一水平面，因此用空刀槽分开。

这种方式制造简单，调整复杂。

图4.8b所示为用改变压板与床鞍结合面间垫片4的厚度的办法调整间隙，垫片4是由许多薄铜片叠在一起的，调整比较方便，但调整量受垫片厚度限制，降低了结合面的接触刚度。

图4.8c所示为压板与导轨之间用平镶条5调整间隙。

这种方法调节方便，但刚性比前两种差，因此多用于经常调节间隙和受力不大的场合。

4.2.3导轨的验算

导轨的设计应先参考同类型设备，初步确定导轨的结构型式和尺寸，然后再进行验算。

导轨的主要失效形式为磨损，而导轨的磨损又与导轨副表面的压强有密切关系，随着压强的增加，导轨的磨损量也增加。

验算滑动导轨，现阶段只能验算导轨的压强和压强分布。

压强大小直接影响导轨表面的耐磨性，压强的分布影响磨损的均匀性。

通过压强分布还可以判断是否应采用压板，即导轨应是开式还是闭式的。

1．验算滑动导轨的步骤

1）受力分析。

导轨上所受的外力一般包括切削力、工件和夹具的重量、动导轨所在部件的重量以及牵引力。

这些外力使各导轨面产生支反力和支反力矩。

牵引力、支反力和支反力矩都是未知力，一般可用静力平衡方程式求出。

当出现超静定时，可根据接触变形的条件建立附加方程式求各力。

首先建立外力矩方程式，然后依次求牵引力、支反力和支反力矩。

2）计算导轨的压强。

求出各力后，每个导轨上都归结为一个支反力和支反力矩。

根据支反力可求出导轨的平均压强，加人支反力矩的影响，可求出导轨的最大压强。

3）按许用压强判断导轨设计是否可行。

4）根据压强分布情况，判断是否需用压板。

2.导轨压强的分布

3．导轨的许用压强

导轨的压强是影响导轨耐磨性的主要因素之一。

设计导轨时，如压强取得过大，则会加剧导轨的磨损；

若取得过小，又会增大导轨的尺寸。

因此，应根据具体情况适当地选择压强的许用值，如表4.1所示。

在设计时，只须保证导轨面上的平均压强P值不超过许用值[P]，而最大压强也必然不会超过许用的最大压强。

4.3滚动导轨

4.3.1滚动导轨的特点、材料和技术要求

1．滚动导轨的特点

滚动导轨的最大特点是摩擦因数小（约0.0025～0.005），动、静摩擦因数很接近。

因此，运动灵活轻便，摩擦发热小，磨损少，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动和定位精度高（重复定位误差为0.1一0.2μm），而且润滑简单，动压效应好。

但滚动导轨结构复杂，制造困难，成本高，抗振性较差，另外必须具有良好的防护装置。

2.滚动导轨的材料

滚动导轨的本体最常用的材料是钢及铸铁，其中的滚动体则采用轴承或轴承钢。

淬硬钢导轨具有承载能力强和耐磨性好等特点，但工艺性差，成本高。

淬硬钢导轨适用于静载荷高、动载和冲击载荷大、需要预紧和防护比较困难的场合。

淬硬钢导轨的硬度，对承载能力形响很大。

因此，滚动导轨以采用轴承钢整体淬火为好，其次是渗碳淬火和高频淬火。

铸铁导轨适用于中小载荷又无动载、不需预紧以及采用镶装结构困难的场合。

3．滚动导轨的技术要求

导轨和滚动体的制造误差，直接影响设备的加工精度和各滚动体上载荷的分布。

有预紧的滚动导轨，制造误差会在导轨移动时使预紧力发生变化，影响导轨移动的均匀性。

因此，滚动导轨的制造精度要求是很高的。

除导轨的直线度和平行度要求与滑动导轨相同外，还有对滚动体的精度要求。

4.3.2滚动导轨的结构

滚动导轨的结构型式可分为滚珠、滚柱、滚针和滚动导轨支承等型式。

1．滚珠导轨

滚珠导轨结构紧凑，制造容易，成本较低，但由于是点接触，因此刚度低，承载能力小，适用于运动部件重量不大，切削力和颠覆力矩都较小的场合，如图4．10所示。

2．滚柱导轨

滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，它适于载荷较大的设备，是应用最广泛的一种导轨。

但由于滚柱比滚珠对导轨平行度要求高，即使滚柱轴线与导轨面有微小的不平行，也会引起滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和精度降低，因此滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大0.02mm左右，如图4.11所示。

图4.11a所示为V一平组合的开式滚柱导轨。

它具有结构简单、导轨面可以配作、制造方便等特点，因此应用较广。

图4.11b所示为燕尾形滚柱导轨。

它具有尺寸紧凑、调节方便等特点。

但它比燕尾形滑动导轨的制造工作量大，装配时精度检鑫不方便。

因此，它适于空间尺寸不大又承受颠覆力矩的设备部件上。

图4.11c所示为十字交叉滚柱导轨，在一对导轨之间是截面为正方形的空腔，在空腔里装人滚柱，前后相邻的滚柱轴线交叉成90°

，使导轨能够承受各个方向的力。

为避免端面摩擦，各滚柱的长度比直径小0.15一0.25mm，各滚柱由保持器隔开。

此导轨精度高，动作灵敏，刚性好，结构紧凑，但制造困难。

3．滚针导轨

滚针导轨的长径比大，因此具有尺寸小、结构紧凑等特点，应用在尺寸受限制的地方。

滚针可按直径分组选择。

中间的滚针直径略小于两端的，以便提高运动精度。

与滚柱导轨相比，其承载能力强，但摩擦因数也较大。

4.3.3滚动导轨的预紧

预紧可以提高滚动导轨的刚度，一般情况下有预紧的滚动导轨比没有预紧的刚度可以提高3倍以上，有预紧的燕尾形和矩形滚动导轨刚度最高。

与混合摩擦滑动导轨相比，在预紧力方向的刚度可提高10倍以上，其他方向可提高3-5倍。

在预紧的滚动导轨中，滚珠导轨的刚度最差，但在预紧力方向与混合摩擦滑动导轨相比，刚度可提高3-4倍，其他方向大致相同。

滚动导轨在下列情况下应预紧：

当颠覆力矩较大，即

时，为防止滚动导轨翻转；

在高精度设备上为提高接触刚度和消除间隙；

在立式滚动导轨上为防止滚动体脱落和歪斜；

有些重量较轻的部件的滚动导轨，为防止在外力作用下导轨面与滚动体脱开和获得必要的刚度及移动精度也应进行预紧。

1．预紧力选择原则

如图4.12所示，在装配前，滚动体母线之间距离为A，压板与溜板间所形成的包容尺寸为A—δ，装配后，δ是过盈量，上下滚动体的弹性变形分别为δ/2,预紧力为FQ。

当载荷F作用于溜板时，上滚子受力加大为FQ＋F,下滚子减小为FQ一F。

当F＝FQ时，下滚子弹性变形为零，而上面的变形为δ，因此预紧力应大于载荷。

预紧力与载荷之和不得超过受力侧滚动体的许用承载力。

设计时，使分摊在每个滚子上的预紧力小于滚动体许用承载力的一半，又大于每个滚动体载荷。

2.预紧的方法

（1）采用过盈配合

如图4.12所示，试验表明，随着过盈量占的增大，一方面，导轨的刚度开始时增加速度快，达到一定值后就趋于稳定；

另一方面，牵引力也在增加，开始增加不大，当δ超过一定值后牵引力急剧增加。

由此，过盈量有一最佳值，一般取过盈量占＝5～6μm。

导轨上的牵引力，一般不超过30-50N。

（2）采用调整元件

如图4.11b,c所示，调整原理和调整方法与滑动导轨调整间隙的方法相同，即调整导轨体的位置就可预加负荷。

4.3.4滚动体的尺寸和数目

滚动体的直径、长度和数目，可根据滚动导轨的结构选择，然后按许用载荷进行验算，选择时应考虑下列因素：

1）滚动体的直径越大，滚动摩擦因数越小，滚动导轨的摩擦阻力也越小，接触应力越小，刚度越高。

滚动体直径过小不仅摩擦阻力加大，而且会产生滑动现象。

因此，在结构不受限制时，滚动体直径越大越好，一般滚珠直径不小于6mm。

滚柱长度过长会引起载荷不均匀，一般取在25-40mm之内，长径比取1.5-2。

尽可能不选滚针导轨，若结构限制必须使用滚针时，直径不得小于4mm。

同时，滚动体的直径要求一致，允许误差在0.5μm之内。

2）对滚动体进行承载能力验算时，若不能满足要求，可加大滚动体直径或增加滚动体数目。

对滚珠导轨，优先加大滚珠直径，因直径的平方与承载能力成正比。

对于滚柱，加大直径和增加数目是等效的。

3）滚动体的数量也应选择适当。

滚动体数量过少，则导轨制造误差将明显地影响滚动导轨移动精度，通常每个导轨上每排滚子数量最少为13-15个（为计算方便，可取奇数）。

但滚动体数量过多，虽接触应力会减小，但由于制造误差，会使部分滚动体不参加工作，载荷分布不均匀，刚度反而下降。

较为合理的数量推荐按下式选取：

式中Z柱、Z珠一滚柱和滚珠的数目；

F—每一导轨上所分担的载荷，单位为N;

．

l—滚柱长度，单位为mm；

d—滚珠直径，单位为mm.

在滚柱导轨中，增加滚柱的长度可降低接触面上的压力和提高刚度，但随着滚柱长度增加，由于滚柱圆柱误差引起载荷不均匀分布也在增加，到了一定长度后，刚度提高就不大了。

若强度不足，可增加滚子直径和数目，对于铸铁导轨，由于可刮研，加工误差较小，滚柱的长径比可大一些。

4.3.5滚动体许用载荷计算

滚动体许用载荷的计算是按接触应力对导轨面进行静强度计算。

假定在接触面上无塑性变形，一个滚动体上的许用载荷可按下式计算：

对于滚珠导轨：

[p]=Kd2ξ

对于滚柱导轨：

[p]=Kldξ

式中d—滚珠或滚柱直径，单位为mm;

l—滚柱长度，单位为mm；

K—滚动体截面上的当量许用应力，单位为N/cm2，其值查表4.2;

ξ—导轨硬度的校正系数，其值查表4.30

说明：

导轨及滚动体制造精度高时，可根据表选取K值。

导轨的制造精度不太高时，K值应减小30%一40%。

导轨的制造精度很高时，或对很短的导轨，K值可加大50%。

当作用在一个滚动体上的工作载荷Pmax小于许用载荷[p]时，静强度合格。

若验算不合格，应重新选择Z、d、l，直到满足Pmax＜[P]。

4.4液体动压导轨和液体静压导轨简介

4.4.1液体动压导轨

液体动压导轨的工作原理与动压滑动轴承相同，要形成具有一定压力的油楔，动导轨必须具有一定的速度。

速度越高，油楔承载能力越大，越容易形成液体润滑，因此它适合于主运动导轨。

油楔的承载能力随润滑油粘度的提高而增加，但粘度高，速度大，发热也多。

因此，低速、重载的导轨宜采用粘度高的润滑油，反之不然。

油囊设计得好坏，对油楔承载能力有重要影响。

4.4.2液体静压导轨

1．液体静压导轨的概念及特点

在导轨的油腔中通入具有一定压力的润滑油后，使导轨微微抬起，在导轨面间形成一层极薄的承载油膜，从而使导轨处于纯液体摩擦状态，这就是液体静压导轨。

与其他导轨相比，液体静压导轨具有以下特点：

1）静压油膜傅导轨面分开，导轨在起动和停止阶段没有磨损，精度保持性好。

2）静压导轨的油膜较厚，有均化误差的作用，可以提高精度。

3）摩擦因数很小，大大降低了传动功率，减小了摩擦发热。

4）低速移动准确、均匀，运动平稳性好。

5）与滚动导轨相比，静压的油膜具有吸振的能力。

液体静压导轨的工作原理与静压轴承相同。

2．液体静压导轨的结构

液体静压导轨按结构型式可分为开式静压导轨（图4.13）和闭式静压导轨（图4.14）。

按供油情况可分为定压式静压导轨（图4.13,图4.14）和定量式静压导轨（图4.15）。

目前应用较多的是定压式静压导轨。

定量式静压导轨保证流进油腔的润滑油的流量为定值。

因此，每一油腔都需一个定量泵供油，为简化机构，常采用多联齿轮泵。

由于流量不变，当导轨间隙随外载荷的增大而变小时，则油压上升，载荷得到平衡。

载荷的变化只会引起导轨间隙的很小变化，因而能得到较高的油膜刚度。

定量式静压导轨需多个油泵，每个油泵流量很小，但结构复杂。