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1、3 8 3 8 导轨设计导轨设计 1 1 导轨的功用和分类导轨的功用和分类 导轨的功用是承受载荷和导向 承受安装在导轨上的运动部件及工件 的重力和切削力 作为运动副时 导轨是成对出现的 称为导轨副 导轨副中 运动的导轨称动导轨 不动导轨称为静导轨或支承导轨 动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动 导轨副中 一般总是一长一短 相应称为长导轨和短导轨 导轨副按摩擦性质分为滑动导轨副和滚动导轨副 滑动导轨副又分为 普通滑动导轨 静压导轨和卸荷导轨等 导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨 开式导轨是指在部件 自重和外载作用下 使导轨的工作面c d始终保持接触 贴合 闭式导 轨借助于压板使导轨
2、工作面接触 能承受较大的颠覆力矩作用 3 8 1 3 8 1 导轨的功用和应满足的基本要求导轨的功用和应满足的基本要求 1 2 2 导轨应满足的要求导轨应满足的要求 导轨应满足如下要求 导向精度高 承载能力大 刚度好 摩擦阻力 小 运动平稳 精度保持性好 寿命长 结构简单 工艺性好 便于加 工装配 调整和维修 成本低等 l l 导向精度 导向精度 导向精度是导轨副在空载荷或切削条件下运动时 实际运动轨迹与给 定运动轨迹之间的偏差 影响导向精度的因素很多 如导轨的几何精度 和接触精度 导轨的结构形式 导轨和支承件的刚度 导轨的油膜厚度 和油膜刚度 导轨和支承件的热变形等等 直线运动导轨的几何精度
3、一般包括 导轨在竖直平面和水平面内的直 线度 导轨面之间的平行度 接触精度指导轨副间摩擦面实际接触面积占理论接触面积的百分比 或用着色法检查25mm 25mm 面积内的接触点数 2 2 承载能力大 刚度好 承载能力大 刚度好 根据导轨承受载荷的性质 方向和大小 合理地选择导轨的截面形状 和尺寸 使导轨具有足够的刚度 保证机床的加工精度 3 3 精度保持性好 精度保持性好 精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的 常见的磨损形式有磨料 或硬粒 磨损 粘着磨损或咬焊 接触疲劳磨损等 影响耐磨性的因素有 导轨材料 载荷状况 摩擦性质 工艺方法 润滑和防护条件等 2 4 4 低速运动平稳 低速运动平稳 当
4、动导轨作低速运动或微量进给时 应保证运动始终平稳 不出现爬 行现象 影响低速运动平稳性的因素有导轨的结构形式 润滑情况 导轨 摩擦面的静 动摩擦因数的差值 以及传动导轨运动的传动系刚度 5 5 结构简单 工艺性好 结构简单 工艺性好 3 8 2 3 8 2 导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 动静导轨承载和导向的接触面 称为工作面或导向面 导向面的数量 形状 分布称为截面形状 1 1 直线运动导轨的截面形状直线运动导轨的截面形状 直线运动导轨的截面形状主要有五种 平面 矩形 三角形 燕尾形 和圆柱形 并可互相组合 每种导轨 副之中还有凸凹之分 l l 平面导轨
5、 平面导轨 如图示 承受与导向面垂直方向 的载荷 也仅在该方向起导向作用 具有承载能力大 刚度高 制造简便 检验和维修方便等优点 3 2 2 矩形导轨 矩形导轨 如图示 有水平和垂直两个导向面 在两个方向 承载和导向 上图是凸型 下图是凹型 凸型导轨 容易清除掉切屑 但不易存留润滑油 凹型导轨则 相反 矩形导轨具有承载能力大 刚度高 制造简 便 检验和维修方便等优点 但存在侧向间隙 需 用镶条调整 导向性差 适用于载荷较大而导向性 要求略低的机床 3 3 三角形导轨 三角形导轨 如图示 有两个倾斜的导向面 导轨面磨损时 动导轨会自动下沉 自动补偿磨损量 不会产生间 隙 三角形导轨的顶角 一般在
6、900 1200 范围内 变化 角越小 导向性越好 但摩擦力也越大 所以 小顶角用于轻载精密机械 大顶角用于大型 或重型机床 三角形导轨结构有对称式和不对称式 两种 当水平力大于垂直力 两侧压力分布不均时 采用不对称导轨 4 3 3 燕尾形导轨 燕尾形导轨 如图示 实际是两个导轨的对称组合 每个导 轨有两个相交成55 角的导轨面 燕尾形导轨可 以承受较大的颠覆力矩 导轨的高度较小 结构 紧凑 间隙调整方便 但是 刚度较差 加工 检验维修都不大方便 适用于受力小 层次多 要求间隙调整方便的部件 4 4 圆柱形导轨 圆柱形导轨 如图示 圆柱形导轨制造方便 工艺性好 但磨 损后较难调整和补偿间隙 主
7、要用于受轴向负荷的 导轨 应用较少 上述四种截面的导轨尺寸已经标准化了 可参看 有关机床标准 5 2 2 回转运动导轨的截面形状回转运动导轨的截面形状 回转运动导轨截面形状有三种 平面环形 锥面环形和双锥面导轨 2 2 锥面环形导轨 锥面环形导轨 如图示 除能承受轴向载荷外 还能 承受一定的径向载荷 但不能承受较大 的颠覆力矩 导向性比平面环形导轨好 制造较难 3 3 双锥面导轨 双锥面导轨 如图示 能承受较大的轴向 径向 力和一定的颠覆力矩 制造研磨均较 困难 l l 平面环形导轨 平面环形导轨 其结构简单 制造方便 能承受较大的 法向力 但不能承受径向力 因而必须与 主轴联合使用 由主轴来
8、承受径向载荷 摩擦小 精度高 适用于由主轴定心的各 种回转运动导轨的机床 如高速大载荷立 式车床 齿轮机床等 6 3 3 导轨的组合形式导轨的组合形式 不需要镶条调整间隙 接触刚度好 导向性和精度保持性好 但工艺性差 加 工 检验和维修不方便 多用在精度要求 较高的机床中 如丝杠车床 导轨磨床 齿轮磨床等 机床直线运动导轨通常由两条导轨组合而成 根据不同要求 机床导 轨主要有如下形式的组合 l l 双三角形导轨 双三角形导轨 2 2 双矩形导轨 双矩形导轨 导向方式有两种 由两条导轨的外侧导向时 叫做宽式组合 分别由 一条导轨的两侧导向时 叫做窄式组合 实际矩平组合 机床热变形 后 宽式组合导
9、轨的侧向间隙变化比窄式组合导轨大 导向性不如窄式 无论是宽式还是窄式组合 侧导向面都需用镶条调整间隙 7 3 3 矩形和平导轨的组合 矩形和平导轨的组合 如图示 这类组合的导向性好 刚度高 制造方便 应用最广 如车 床 磨床 龙门铣床的床身导轨 4 4 矩形和燕尾形导轨的组合 矩形和燕尾形导轨的组合 能承受较大力矩 调整方便 多用在横梁 立柱 摇臂导轨中 8 4 4 导轨间隙的调整导轨间隙的调整 导轨面间的间隙对机床工作性能有直接影响 间隙过大 将影响导向 精度和运动平稳性 间隙过小 运动阻力大 磨损加快 必须保证导轨 具有合理间隙 磨损后又能方便地调整 导轨间隙常用压板 镶条来调 整 l l
10、 压板 压板 压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩 压板用螺钉固定 在运动部件上 用配刮 垫片来调整间隙 平导轨的三种压板结构见图示 左图用磨或刮压板3的e和d 面来调整 间隙 中图用改变垫片1的厚度来调整间隙 右图是在压板和导轨之间用 平镶条2 调节间隙 调整方便 但刚性差 9 2 2 镶条 镶条 镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨侧向间隙 镶条应放在导轨受力 较小一侧 常用的镶条有平镶条和斜镶条两种 平镶条横截面为矩形或平行四边形 其厚度全长均匀相等 平镶条由 全长上的几个调整螺钉进行间隙调整 如图示 因只是几个点上受力 易 变形 刚度较低 应用较少 斜镶条的斜度为1 40 100 斜
11、镶条两个面分别与动导轨和支承导 轨均匀接触 刚度高 通过调节螺钉或修磨垫的方式轴向移动镶条 以 调整导轨的间隙 10 斜镶条由于厚度不等 在加工后应力分布不均 容易弯曲 在调整 压紧或在机床工作状态下也会弯曲 对于两端用螺钉调整的镶条 更易 弯曲 因此 镶条在导轨间沿全长的弹性变形和比压是不均匀的 镶条 斜度和厚度增加时 不均匀度将显著增加 增加斜镶条的弯曲柔度 减 小弯曲弯曲刚度 可减轻上述影响 为了增加镶条柔度 应选用小的厚度和斜度 当镶条尺寸较大时 可 在中部削低下去一段 使镶条两端保持良好接触 并可减小刮研面积 或者在其上开横向槽 增加镶条柔度 如图示 11 3 3 导向调整板 导向调
12、整板 导向调整板是一种新型镶条 调整原理如图示 在调整板4上开了许 多横向窄槽 导向调整板用螺钉6固定在支承板2上 支承板2用螺钉3固 定在工作台上 当拧紧螺钉6时 导向调整板产生横向变形 厚度增加 可达0 2mm 对导轨间隙进行调整 当导向调整板变形时 由窄槽分隔 开的各个导向面会产生微小倾斜 有利于润滑油膜形成 提高导轨的润 滑效果 如果导轨不长 中间可以用一块支承板 两端各装一块导向调 整板 如果导轨较长 可以一端各装一块支承板和一块导向调整板 这 种方法调整方便 接触良好 磨损小 12 如图示 是装有导向调整板的一台立式加工中心的工作台和滑座横 断面图 工作台2 与双矩形导轨间的侧向间
13、隙由导向调整板4 进行调整 床身导轨接触面上贴有塑料软带3 以改善摩擦润滑性能 13 3 8 3 3 8 3 导轨的结构类型及特点导轨的结构类型及特点 1 1 滑动导轨滑动导轨 从摩擦性质来看 滑动导轨属于具有一定动压效应的混合摩擦状态 导轨的动压效应主要与导轨的滑动速度 润滑油粘度 导轨面的油沟尺 寸和形式等有关 滑动导轨的优点是结构简单 制造方便和抗振性良好 缺点是磨损快 滑动导轨副通常用铸铁 钢制造 一般采用铸铁 铸铁 铸铁 镶钢组 合 为了减小摩擦和磨损 提高耐磨性 广泛采用塑料导轨和镶钢导轨 组合 塑料导轨是用粘结法 注塑法或喷涂法覆盖在导轨面上 通常对 长导轨喷涂 对短导轨用粘结或
14、注塑法方法 l l 粘贴塑料软带导轨 粘贴塑料软带导轨 粘贴塑料软带是以聚四氟乙烯为基体 添加各种无机物和有机粉末等 填料 其特点是 摩擦系数小 耗能低 动 静摩擦系数接近 低速运 动平稳性好 阻尼特性好 能吸收振动 抗振性好 耐磨性好 有自润 滑作用 没有润滑油也能正常工作 使用寿命长 结构简单 维护修理 方便 磨损后容易更换 经济性好 但刚性较差 受力后产生变形 对 精度要求高的机床有影响 一般粘贴在较短的动导轨上 在软带表面常开出直线形或三字形油槽 配对金属导轨面的粗糙度要求在0 4 0 8um 硬度在25HRC以上 14 2 2 金属塑料复合导轨板 金属塑料复合导轨板 金属塑料复合导轨
15、板有三层 内层为钢板 它保证导轨板的机械强度 和承载能力 钢板上烧结一层多孔青铜 形成多孔中间层 在青铜间隙中 压入聚四氟乙烯及其它填料 如图示 它可以提高导轨板的导热性 当青铜与配 合面摩擦发热 热膨胀系数远大于金属的聚 四氟乙烯及其它填料从多孔层的孔隙中挤出 向摩擦表面转移补充 形成厚约0 01 0 05mm 的表面自润滑塑料层 这种复合板与铸铁导轨组合 静摩擦系数 小 0 04 0 06 摩擦阻力显著降低 具 有良好摩擦阻尼特性 良好的低速平稳性 成本低 刚度高 3 3 塑料涂层 塑料涂层 应用较多的有环氧涂层 含氟涂层 HNT 耐磨涂层 它们以环氧树脂 为基体 加固体润滑剂二硫化钥和胶
16、体石墨及其它铁粉填充剂而成 这 种涂层有较高的耐磨性 硬度 强度和热导率 在无润滑油情况下 能 防止爬行 改善导轨的运动特性特别是低速平稳性 15 4 4 镶钢导轨 镶钢导轨 镶钢导轨是将淬硬的碳素钢或合金钢 导轨 分段地镶装在铸铁或钢制的床身 上 以提高导轨的耐磨性 在铸铁床身 上镶装钢导轨常用螺钉或楔块挤紧固定 如图示 在钢制床身上镶装导轨一般 用焊接方法连接 2 2 静压导轨静压导轨 静压导轨的工作原理同静压轴承相似 通常在动导轨面上均匀分布有 油腔和封油面 把具有一定压力的液体或气体介质经节流器送到油腔内 使导轨面间流体产生压力 将动导轨微微抬起 与支承导轨脱离接触 浮在压力油膜或气膜上 静压导轨分开式和闭式两大类 16 3 3 卸荷导轨卸荷导轨 卸荷导轨用来一些措施承担一部分载荷 但仍然保持导向面的接触 从而降低导轨面的压力 减少摩擦阻力 从而提高导轨的耐磨性和低速运 动的平稳性 尤其是对大型 重型机床来说 工作台和工件的重力很大 导轨面上的摩擦阻力很大 常采用卸荷导轨 导轨的卸荷方式有机械卸荷 液压卸荷和气压卸荷 1 1 机械卸荷 机械卸荷 如图示 这是常用的机械卸荷装置
