直线导轨的结构设计.doc
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直线导轨的结构设计.doc
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直线导轨的结构设计(含滚动导轨)
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1导轨的作用和设计要求
当运动件沿着承导件作直线运动时,承导件上的导轨起支承和导向的作用,即支承运动件和保证运动件在外力(载荷及运动件本身的重量)的作用下,沿给定的方向进行直线运动。
对导轨的要求如下:
1.一定的导向精度。
导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性,以及它与有关基面间的相互位置的准确性。
2.运动轻便平稳。
工作时,应轻便省力,速度均匀,低速时应无爬行现象。
3.良好的耐磨性。
导轨的耐磨性是指导轨长期使用后,能保持一定的使用精度。
导轨在使用过程中要磨损,但应使磨损量小,且磨损后能自动补偿或便于调整。
4.足够的刚度。
运动件所受的外力,是由导轨面承受的,故导轨应有足够的接触刚度。
为此,常用加大导轨面宽度,以降低导轨面比压;设置辅助导轨,以承受外载。
5.温度变化影响小。
应保证导轨在工作温度变化的条件下,仍能正常工作。
6.结构工艺性好。
在保证导轨其它要求的前提下,应使导轨结构简单,便于加工、测量、装配和调整,降低成本。
不同设备的导轨,必须作具体分析,对其提出相应的设计要求。
必须指出,上述六点要求是相互影响的。
2导轨设计的主要内容
设计导轨应包括下列几方面内容:
1.根据工作条件,选择合适的导轨类型。
2.选择导轨的截面形状,以保证导向精度?
3.选择适当的导轨结构及尺寸,使其在给定的载荷及工作温度范围内,有足够的刚度,良好的耐磨性,以及运动轻便和平稳。
4.选择导轨的补偿及调整装置,经长期使用后,通过调整能保持需要的导向精度。
5.选择合理的润滑方法和防护装置,使导轨有良好的工作条件,以减少摩擦和磨损。
6.制订保证导轨所必须的技术条件,如选择适当的材料,以及热处理、精加工和测量方法等。
3导轨的结构设计
1.滑动导轨
(1)基本形式(见图21-10)
图21-10三角形导轨:
该导轨磨损后能自动补偿,故导向精度高。
它的截面角度由载荷大小及导向要求而定,一般为90°。
为增加承载面积,减小比压,在导轨高度不变的条件下,采用较大的顶角(110°~120°);为提高导向性,采用较小的顶角(60°)。
如果导轨上所受的力,在两个方向上的分力相差很大,应采用不对称三角形,以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。
矩形导轨:
优点是结构简单,制造、检验和修理方便;导轨面较宽,承载力较大,刚度高,故应用广泛。
但它的导向精度没有三角形导轨高;导轨间隙需用压板或镶条调整,且磨损后需重新调整。
燕尾形导轨:
燕尾形导轨的调整及夹紧较简便,用一根镶条可调节各面的间隙,且高度小,结构紧凑;但制造检验不方便,摩擦力较大,刚度较差。
用于运动速度不高,受力不大,高度尺寸受限制的场合。
圆形导轨:
制造方便,外圆采用磨削,内孔珩磨可达精密的配合,但磨损后不能调整间隙。
为防止转动,可在圆柱表面开键槽或加工出平面,但不能承受大的扭矩。
宜用于承受轴向载荷的场合。
(2)常用导轨组合形式
三角形和矩形组合:
这种组合形式以三角导轨为导向面,导向精度较高,而平导轨的工艺性好,因此应用最广。
这种组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。
V-平组合导轨易储存润滑油,低、高速都能采用;棱-平组合导轨不能储存润滑油,只用于低速移动。
见图21-11。
图21-11为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀,驱动元件应设在三角形导轨之下,或偏向三角形导轨。
矩形和矩形组合:
承载面和导向面分开,因而制造和调整简单。
导向面的间隙用镶条调整,接触刚度低。
见图21-12。
图21-12双三角形导轨:
由于采用对称结构,两条导轨磨损均匀,磨损后对称位置位置不变,故加工精度影响小。
接触刚度好,导向精度高,但工艺性差,四个表面刮削或磨削也难以完全接触,如果运动部件热变形不同,也不能保证四个面同时接触,故不宜用在温度变化大的场合。
(3)间隙调整
为保证导轨正常工作,导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。
间隙过小,会增加摩擦阻力;间隙过大,会降低导向精度。
导轨的间隙如依靠刮研来保证,要废很大的劳动量,而且导轨经过长期使用后,会因磨损而增大间隙,需要及时调整,故导轨应有间隙调整装置。
矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。
在垂直方向上,一般采用下压板调整它的低面间隙,其方法有:
a)刮研或配磨下压板的结合面;b)用螺钉调整镶条位置;c)改变垫片的片数或厚度;见图21-13。
在水平方向上,常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。
见图21-14。
圆形导轨的间隙不能调整。
图21-13
图21-14(4)夹紧装置
有些导轨(如非水平放置的导轨)在移动之后要求将它的位置固定,因而要用专用的锁(夹)紧装置。
常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。
见图21-15。
(5)提高耐磨性措施
导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法,以及使用与维护。
提高导轨的耐磨性,使其在较长的时间内保持一定的导向精度,就能延长设备的使用寿命。
提高导轨耐磨性的措施有:
1)选择合理的比压单位面积上的压力成为比压,即
p=P/S(公斤/厘米2)
式中P-作用在导轨上的力(公斤)
S-导轨的支承面积(厘米2)
由上式可知,要减小导轨的比压,应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。
减小两导轨面之间的中心距,可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。
但减小中心距受到结构尺寸的限制,同时中心距太小,将导致运动不稳定。
降低导轨比压的另一办法,是采用卸荷装置,即在导轨载荷的相反方向,增加弹簧或液压作用力,以抵消导轨所承受的部分载荷。
2)选择合适材料目前常采用的导轨材料有以下几种:
铸铁-导轨与承导件或运动件铸成一体,其材料常用灰口铸铁。
它具有成本低,工艺性好,热稳定性高等优点。
在润滑和防护良好的情况下,具有一定的耐磨性。
常用的是HT200~HT400,硬度以HB=180~200较为合适。
适当增加铸铁中含碳量和含磷量,减少含硅量,可提高导轨的耐磨性。
若灰口铸铁不能满足耐磨性要求,可使用耐磨铸铁,如高磷铸铁,硬度为HB=180~220,耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。
若加入一定量的铜和钛,成为磷铜钛铸铁,其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。
但高磷系铸铁的脆性和铸造应力较大,易产生裂纹,应采用适当的铸造工艺。
此外,还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。
钢-要求较高的或焊接机架上的导轨,常用淬火的合金钢制造。
淬硬的钢导轨的耐磨性比普通灰铸铁高5~10倍。
常用的有20Cr钢渗碳淬火和40Cr高频淬火。
钢导轨镶接的方法有:
螺钉连接,应使螺钉不受剪切;为避免导轨上有孔(孔内积存赃物而加速磨损),一般采用倒装螺钉。
结构上不便于从下面伸入螺钉固定时,可采用如图21-16所示的方法。
螺钉固紧后,将六角头磨平,使导轨上的螺钉孔和螺钉头之间没有间隙。
图21-16用环氧树脂胶接,胶接面之间的间隙不超过0.25毫米。
胶粘导轨具有一定的胶接刚度和强度,尚有一定的抗冲击性能,工艺简单,成本较低。
塑料-用聚四氟乙烯为基材,添加不同的填充剂作为导轨材料。
它具有耐磨、抗振以及动、静摩擦系数低(0.04),可消除低速爬行现象,在实际应用中取得良好的效果。
3)热处理为提高铸铁导轨的耐磨性,常对导轨表面进行淬火处理。
表面淬火方法有:
火焰淬火、高频淬火和电接触淬火。
4)润滑和防护润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜,阻止或减少导轨面直接接触,减小摩擦和磨损,以延长导轨的使用寿命。
同时,对低速运动,润滑可以防止"爬行";对高速运动,可减少摩擦热,减少热变形。
导轨润滑的方式有浇杯、油杯、手动油泵和自动润滑等。
导轨的防护装置用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面,以免使导轨擦伤、生锈和过早的磨损。
为此,在运动导轨端部安装刮板;采用各种式样的防护罩,使导轨不外露等办法。
(6)结构尺寸的验算
1)校核温度变化对导轨间隙的影响导轨在温度变化较大的环境中工作,应在选定精度和配合后,作导轨间隙验算。
为了保证工作时不致卡住,导轨的最小间隙应大于或等于零,即Δmin≥0
导轨的最小间隙用下式计算:
Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)](mm)
式中t-工作温度(°C)
t0-制造时温度(°C)
Dmin-包容件在t0时的最小尺寸(mm)
dmax-被包容件在t0时的最大尺寸(mm)
αk-包容件材料的线膨胀系数(1/°C)
αz-被包容件材料的线膨胀系数(1/°C)
为保证导向精度,导轨的最大间隙Δmax应小于或等于允许值,即Δmax≤[Δmax]
导轨的最大间隙用下式计算:
Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)](mm)
式中Dmax-包容件在t0时的最大尺寸(mm)
dmin-被包容件在t0时的最小尺寸(mm)
2)不自锁条件和导轨间隙计算
当初定导轨的结构形式和尺寸后,应注意作用力的方向和作用点的位置,力求使导轨的倾斜力矩小,否则使导轨的摩擦力增大,磨损加快,从而降低导轨的灵活性和导向精度,甚至回使导轨卡住。
其验算公式见表21-6。
表21-6
2.滚动导轨
在承导件和运动件之间放入一些滚动体(滚珠、滚柱或滚针),使相配的两个导轨面不直接接触的导轨,称为滚动导轨。
滚动导轨的特点是摩擦阻力小,运动轻便灵活;磨损小,能长期保持精度;动、静摩擦系数差别小,低速时不易出现"爬行"现象,故运动均匀平稳。
因此,滚动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上,获得日益广泛的运用。
滚动导轨的缺点是:
导轨面和滚动体是点接触或线接触,抗振性差,接触应力大,故对导轨的表面硬度要求高;对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。
(1)结构形式
滚珠导轨-图示21-17为V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨。
由于滚珠和导轨面是点接触,故运动轻便,但刚度低,承载能力小。
常用于运动件重量、载荷不大的场合。
图21-17滚柱(滚针)导轨-滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触,故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大,耐磨性较好,灵活性稍差。
如图21-18,滚柱对导轨的不平度较敏感,容易产生侧向偏移和滑动,而使导轨的阻力增加,磨损加快,精度降低。
滚柱的直径越大,对导轨的不平度越为敏感。
图21-18当结构尺寸受限制时,可采用直径较小的滚柱,这种导轨称为滚针导轨。
滚柱导轨支承为标准部件,具有安装、润滑简单,调整防护容易等优点。
其结构如图21-19所示。
由于滚柱在封闭的滚道内滚动,故可用于行程很大的导轨上。
滚动导轨支撑
1-本体2-滚柱3-导向片4-反射器滚柱导轨可采用标准的滚动轴承,装在偏心轴上,如图21-20所示,以便于调整。
其偏心量一般取0.2-0.5毫米。
图21-20
(2)滚动导轨设计的一般问题
1)结构形式的选择:
滚动导轨按其结构特点,分为开式和闭式两种。
开式滚动导轨用于外加载荷作用在两条导轨中间,依靠运动件本身重量即可保持导轨良好接触的场合。
闭式导轨则相反。
滚珠导轨的灵活性最好,结构简单,制造容易,但承载能力小,刚度低,常用于精度要求高、运动灵活、轻载的场合。
滚柱(针)导轨刚度大,承载能力强,但对位置精度要求高。
滚动导轨采用标准滚动轴承,结构简单,制造容易,润滑方便。
宜用于中等精度的场合。
为了增加滚动导轨的承载能力,可施预加载荷。
这时刚度大,且没有间隙,精度相应提高,但阻尼比无预加载荷时大,制造复杂,成本高。
故多用于精密导轨。
2)选择长度:
一般应在满足导轨运动行程的前提下,尽可能使导轨的长度短一些。
为防止滚动体在行程的极端位置时脱落,运动件的长度应为
L=l+2a+Smax/2
式中 L-运动件
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- 直线导轨 结构设计
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