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数控机床导轨的结构设计（含滚动导轨）

一、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。

　　

二：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。

　　三、导轨的结构设计

　　1. 滑动导轨

　　(1) 基本形式

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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)导轨间隙调整

　　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。

　　圆形导轨的间隙不能调整

　　

　　

　　上图为导轨夹紧装置

　　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。

　　

　　四：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。

　　

　　图上用环氧树脂胶接，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。

　　五：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：

　　

　　六、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。

　　

　　图上滚柱(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。

　　

　　上图的组合中，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。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。

　　

　　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-运动件或承导件的长度，计算时取较短者的长度(毫米);

　　l-支承点的距离(毫米);

　　a- 在极端位置时的余量;如图

　　

　　采用循环式的滚动导轨支承时，运动件的行程长度不受限制。

　　滚动体尺寸和数目：滚动体直径大，承载能力大，摩擦阻力小。对于滚珠导轨，滚珠直径增大，刚度增高(滚柱导轨的刚度与滚柱直径无关)。因此，如果不受结构的限制，应有限选用尺寸较大的滚动体。

　　滚针导轨的摩擦阻力较大，且滚针可能产生滑动。所以尽可能不采用滚针导轨(特别是滚针直径小于4毫米时)。

　　当滚动体的数目增加时，导轨的承载能力和刚度也增加。但滚动体的数目不宜太多，过多会增加载荷在滚动体上分布的不均匀性，刚度反而下降。若滚动体数目太少，制造误差将会显著地影响运动件的导向精度。一般在一个滚动带归上，滚动体的数目最少为12个。经验表明：运动部件的重量，使滚柱单位长度上的载荷q≥4公斤/厘米时;对于滚珠导轨，在每个滚珠上的载荷为p≥3(d)1/2公斤时，(d为滚珠直径，毫米)，载荷的分布比较均匀。

　　在滚柱导轨中，增加滚柱的长度，可减小接触应力和增大刚度，但载荷分布的不均匀性也增大。对于钢制摸削导轨，滚柱导轨和直径之比l/d<1.5，对于铸铁导轨，l/d可增大些(滚柱直径一般不小于6毫米，滚针直径不小于4毫米)。

　　3) 滚动导轨刚度及预紧方法：如图

　　

　　上图讲述当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平;当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹(有时还可能出现波浪形)，影响导轨的精度。

　　

　　为减小导轨变形，提高刚度，除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的厚度外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。图21-18所示的燕尾形滚动导轨，用移动导轨板获得并控制预加载荷。

　　试验证明：随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会显著提高。牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。

　　

　　4)技术要求：导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，设计时应根据使用要求，制定出滚动导轨的若干技术条件，下列项目和数据可供参考：

　　两导轨面间的不平度一般为3微米;

　　导轨不直度一般为10-15微米，精密的小于10微米。

　　滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于2微米，每组滚动体的直径差不大于1微米;对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于1微米，每组滚动体的直径差不大于0.5微米;

　　滚柱的锥度在滚柱长度范围内，大小端直径差小于0.5-1微米;

　　表面光洁度通常应刮研;在25×25厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取下限。