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1、 1 第四章机电装备支承件和导轨设计BearingPartAndGuidewayDesignforElectro mechanicalEquipment 4 6导轨的类型及基本要求4 7滑动导轨设计4 8卸荷导轨设计4 9滚动导轨设计4 10润滑与防护 提高耐磨性的措施 本节主要内容 2 4 6导轨的类型及基本要求 4 61功用和分类功用 使运动部件沿一定的轨迹 直线或圆周 运动 并承受运动部件上的载荷即起导向和承载作用 在导轨副中 运动的一方称作运动导轨 不动的一方称作支承导轨 支承导轨用以支承和约束运动导轨 使之按功能要求作正确运动 3 按运动导轨的轨迹分 直线运动导轨副 一个直线运动自由
2、度圆周运动导轨副 一个旋转自由度按导轨面间的摩擦特性分 滑动摩擦导轨副 是基础滚动摩擦导轨副 导向精度高液体摩擦导轨副 吸振性好 摩擦系数小导轨面间有一层油膜 实现液体摩擦 导轨间不相互接触 摩擦因数为0 0005 0 0010 不会磨损 有利于保持导轨的导向精度 在低速下不宜产生爬行 在机床上得到广泛应用 分类 4 按结构形式分 开式导轨和闭式导轨 开式导轨 必须借助于运动件的自重或外载荷 保证在一定的空间位置和受力状态下 运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触 从而保证运动导轨的规定运动 结构简单 但不能承受较大颠覆力矩的作用 5 闭式导轨 借助导轨副本身的封闭式结构 保证在变化的空间位
3、置和受力状态下 运动导轨和支承导轨的工作面都能始终保持可靠的接触 从而保证运动导轨的规定运动 6 4 6 2导轨副应满足的要求1 导向精度定义 运动导轨的实际运动方向与给定运动方向之间的偏差 影响导向精度的主要因素 导轨的几何精度 导轨的结构形式 装配质量 导轨及其支承件的刚度和热变形等 2 接触精度定义 导轨副摩擦表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比 3 精度保持性主要由导轨的耐磨件决定 影响因素有磨损性质 载荷状况 导轨材料 工艺方法和润滑防护条件等 4 低速运动平稳性低速运动速度可达0 05mm min 5 刚度6 结构简单 工艺性好等 7 4 7滑动导轨 4 7 1材料与热处理对导
4、轨材料的要求和匹配 材料应具有良好的耐磨件 摩擦因数小和动静摩擦因数差小 加工和使用时产生的内应力小 工艺性和尺寸稳定性好及成本低等性能 导轨副应尽量由不同材料组成 如果选用相同材料 应采用不同的热处理或不同的硬度 通常动导轨用较软 耐磨性低的材料 固定导轨用较硬和耐磨材料制造 8 导软材料匹配及其相对寿命 注 导轨材料前边为动导轨 后面为定导轨 9 导轨材料与热处理铸铁 灰铸铁 孕育铸铁 耐磨铸铁 铸铁是一种成本低 有良好的减振性和耐磨性 易于铸造和切削加工的金属材料 灰铸铁 应用最多的灰铸铁是HT200 铸铁 铸铁的导轨摩擦副适用于需要手工刮研的导轨 对加工精度保持性要求不高的中等精度和运
5、动速度低的导轨 孕育铸铁 在铁水中加入少量孕育剂硅和铝而构成的孕育铸铁 可使铸件获得到均匀的强度和硬度 耐磨铸铁 高磷铸铁 磷铜钛铸铁和钒钛铸铁 高磷铸铁是指磷的质量分数高于0 3 的铸铁 耐磨性比孕育铸铁提高1倍多 磷铜钛铸铁和钒钛铸铁是提高机床导轨耐磨性的好材料 具有力学性能好 耐磨性比孕育铸铁高1 5 2 0倍 铸铁质量容易控制等优点 但成本较高 目前多用于精密机床 10 铸铁导轨的淬火 接触电阻淬火淬硬深度很浅 对导轨耐磨性提高的幅度不大 感应淬火有高频与中频感应加热淬火两种 硬度可达45 55HRC 耐磨性可提高近两倍 中频加热淬硬层较深 可达2 3mm 高频与中频淬火后的导轨面要进
6、行磨削加工 火焰表面淬火的导轨因淬硬层深而使导轨耐磨性有较大的提高 但淬火后的变形较大 增加了磨削加工量 11 电极间的短路电流控制在400 600A 工作时滚轮在20N的压力下与HT导轨保持接触 导轨与滚轮接触产生电热效应 自行冷却 淬硬深度0 15mm左右 硬度达55HRC 12 钢 采用淬火钢和氮化钢的镶钢导轨 可大幅度地提高导轨的耐磨性 镶钢导轨材料有几类 合金工具钢或轴承钢 牌号为9Mn2V GrWMn GGrl5等 整体淬硬 硬度 60HRC 高碳工具钢 牌号为T8A T10A等 整体淬硬 硬度 58HRC 中碳钢 牌号为45或40Cr 整体淬硬 硬 48HRC 低碳钢 牌号为20
7、Cr 渗碳淬硬 硬度 61HRC 氮化钢 牌号为38CrMoALA以 氮化处理 表面硬度 850HV 相当于64 65HRC 13 有色金属用于镶装导轨的有色金属板的材料 主要有 锡青铜ZCuSn6Pb6Zn3 铝青铜ZCuAl9Mn2和锌合金ZZuAl 10 5等 多用于重型机床的动导轨上 与铸铁的支撑导轨相配偶 用于防止撕伤 保证运动的平稳性和提高移动精度 从摩擦状态和耐磨性来看 铝青铜ZCnAl9Mn2与锡青铜ZCuSn6Pb6Zn3相仿 抗磨料磨损的耐磨性比锌合金ZZnAl 10 5高 但锌合金的抗撕伤能力比较强 从成本来看 铝青铜ZCnAl9Mn2比锡青铜ZCuSn6Pb6Zn3低
8、但比锌合金ZZnAl 10 5高 14 高分子材料镶装高分子材料导轨具有摩擦因数低 耐磨性好 抗损伤能力强 低速时不易出现爬行 加工性和化学稳定性好 工艺简单和成本低等优点 在各类机床的动导轨上都有应用 在精密 数控和重型机床动导轨上的应用在逐渐增多 塑料导轨可与不淬硬的铸铁导轨组成对偶摩擦副 也可与镶钢导轨组成对偶摩擦副 15 4 7 2结构形式 a 凸矩形b 凹矩形 矩形导轨 刚度高 加工 检验和维修都较方便的优点 但矩形导轨存在侧向间隙 导向性差 矩形导轨适用于载荷较大而导向性要求略低的机床 矩形导轨的承载面 顶面 和导向面 侧面 分开 精度保持性较好 导向面磨损量直接影响导向精度 凹矩
9、形导轨易存润滑油 但也易积灰尘污物 必须进行防护 直线运动导轨 16 a 凸三角形b 凹三角形 三角形导轨 承载面与导向面重合 磨损量能自动补偿 导向精度较高 顶角在60 120度内变化 顶角越小 导向精度越高 但摩擦力也越大 小顶角用于轻载精密机械 大顶角用于大型机械 凸三角形支承导轨 不易积存切屑 不易存留润滑油 适用于不易防护 速度较低的进给运动导轨 凹三角形支承导轨 能得到较充足的润滑 除用于精密与大型机床的进给导轨外 还可用于主运动导轨 但是必须很好地防护 以免落入切屑和灰尘 17 18 a 凸燕尾形b 凹燕尾形 燕尾形导轨 在承受颠覆力矩的条件下高度较小 用于多坐标多层工作台 使总
10、高度减小 加工 维修较困难 磨损后不能自动补偿 可用镶条来调整间隙 结构紧凑 上三种导轨形状均由直线组成 称为棱柱面导轨 19 a 凸圆形b 凹圆形 圆形导轨 制造方便 工艺性好 但磨损后难于调整间隙 多用于只承受轴向力的部件 如立式导轨 天津海特直线轴承 20 直线运动导轨的组合形式 双矩形组合 两条矩形导轨的组合突出了矩形导轨承载能力较大的特点 但导向性稍差 多用于普通精度的机床和重型机床 由一条导轨的两侧导向时 为窄式组合 分别由两条导轨的外侧导向时 为宽式组合 导轨受热膨胀时宽式组合的矩形导轨比窄式变形量大 调整时应留较大的侧向间隙 因而导向性较差 双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些
11、 21 双三角组合 两条三角形导轨的组合突出了三角形导轨的优缺点 导向性和精度保持性 由于超定位 加工 检验和维修都比较困难 多用于精度要求较高的机床 如丝杠车床 单柱坐标镗床和齿轮加工机床等 22 矩 三角组合 兼有导向性好 制造方便和刚度高的优点 承载能力优于双三角组合 导向性优于双矩形组合 工艺性介于二者之间 应用广泛 双圆柱导轨 常用于只受轴向力的场合 如拉床 攻螺纹机和机械手等 23 旋转运动的导轨 平面环形导轨只能承受轴向载荷 因而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机床 例如立式车床 2 锥面导轨母线倾角在15度 45度范围内变化
12、 常取30度 除轴向载荷外还能承受一定的径向载荷 1 平面环形导轨承载能力大 结构简单 工艺性较好 制造方便的优点 24 双锥面 V形 导轨除轴向载荷和径向载荷外 能承受一定颠覆力矩 其缺点是工艺性差 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 20度 70度 25 4 7 3导轨压强计算 分析导轨面上的受力和比压 探讨合适的导轨结构 减小导轨的比压 力求磨损均匀 使导轨结构上保证磨损后对加工精度影响尽可能的小 磨损后能调整间隙 26 比压计算 许用压强的计算方法 见表5 2 导轨的许用压强 27 4 7 4静压导轨 工作原理
13、与静压轴承相同 在导轨的油腔中通入一定压强的润滑油 使动导轨微微抬起 在导轨面间充满润滑油所形成的油膜 使导轨处于纯液体摩擦状态 优点 静压油膜使导轨面分开 导轨即使在起动和停止阶段也没有磨损 精度保持性好 静压导轨的油膜较厚 有均化误差的作用 可以提高精度 摩擦因数很小 大大降低传动功率 减少摩擦发热 低速移动准确 均匀 运动平稳性好 与滚动导轨相比 静压的油膜具有吸振作用 缺点 结构比较复杂 增加了液压设备 调整比较麻烦 多用于精密级和高精度级机床的进给运动和低速运动导轨 28 29 4 8卸荷导轨设计 机械卸荷导轨导轨上的一部分载荷由支承在辅助导轨面4上的滚动轴承3承受 卸荷力的大小通过
14、螺钉1和碟形弹簧2调节 卸荷点的数目取决于动导轨的载荷和卸荷系数的大小 为了减小滚动轴承的支承轴的中心线与支承导轨面不平行的影响 可以采用自动调心的球面轴承 30 卸荷导轨的特点和应用 采用卸荷导轨可以减轻支承导轨的负荷和降低导轨的静摩擦因数 提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性 减少或防止爬行 手动操作的部件采用卸荷导轨后 可使操作轻便 卸荷导轨由于导轨面仍然是直接接触的 刚度较高 卸荷导轨多用于要求精度高和接触刚度高的机床 导轨的卸荷方式有液压卸荷 机械卸荷和气压卸荷 其中液压和机械卸荷方式应用较多 31 4 9滚动导轨设计 滚动导轨是在静 动导轨面之间放置滚动体如滚珠 滚柱 滚针或滚动导轨
15、块而构成的 滚动导轨与滑动导轨相比具有以下特点 1 摩擦因数小 0 003 0 005 运动灵活 2 动 静摩擦因数很接近 因而起动阻力小 低速运动平稳性好 不易发生爬行 3 可以预紧 刚度高 32 4 寿命长 5 精度高 定位精度可达0 1 0 2 m 重复精度可达0 2 m 6 润滑方便 可以采用润滑脂 一次装填 长期使用 7 由专业厂生产 可外购选用 8 结构比较复杂 制造比较困难 成本比较高 9 抗振和抗冲击能力差 对灰尘屑末较敏感 必须有良好的防护装置 33 34 滚动导轨设计举例 35 36 37 38 PC是当量载荷 求导轨的额定寿命 39 计算额定动载荷 根据算出的额定动载荷
16、查产品的手册 选出最终的导轨型号 本例中为 HJG DA20A型的滚动导轨副 40 4 10润滑与防护 提高耐磨性的措施 润滑的目的 降低摩擦力以提高机械效率 减少磨损以延长寿命 降低温度以改善工作条件 防止生诱 润滑的要求 保证按规定供应清洁的润滑油 油量可以调节 尽量采用自动和强制润滑 润滑元件可靠 41 润滑油的选择导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂 滑动导轨用润滑油 滚动导轨则两种润滑油都能用 导轨润滑油的粘度可以根据导轨的工作条件和润滑方式选择 例如 低载荷 压强p 0 1Mpa的高 中速的中 小型机床进给导轨 可采用N32全损耗系统用油 中等载荷 压强p 0 2MPa 的中 低速机床导轨 采用N46或N68全损耗系统用油 重型机床 压强p 0 4MPa 的低速导轨 可用N68或N100全损耗系统用油 竖直导轨和倾斜导轨 可采用N46或N68全损耗系统用油 42 43 润滑油来自液压系统 要兼顾润滑和液压 一般采用中等粘度的润滑油 如磨床可用20号 30号或40号机床液压导轨油 精密级和高精度级机床的进给导轨和移动导轨 为保证移动的平稳性和提高定位精度 采用40号 70号或90
