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1、第十一章 导轨设计,一、导轨功用和分类 导轨的功用：是导向和承载（即支承和引导运动部件沿着一定的轨迹准确地运动）。在导轨副(如工作台和床身导轨)中，运动的一方(如工作台导轨)叫做动导轨，不动的一方(如床身导轨) 叫做支承导轨。 导轨的分类： 1.按运动轨迹分 1）直线运动导轨，导轨副的相对运动轨迹为一直线，如普通车床的床鞍和床身之间的导轨。 2）圆周运动导轨，导轨副的相对运动轨迹为一圆，如立式车床的工作台和底座之间的导轨。 2.按运动性质分 1）主运动导轨，即动导轨是作主运动的。 2）进给运动导轨，即动导轨是作进给运动的，机床中大多数导轨属于进给导轨。 3）移置导轨，这种导轨只用于调整部件之间
2、的相对位置，在加工时没有相对运动。,第一节 概 述,3.按摩擦性质分 1）滑动导轨，即两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦。 2）滚动导轨，在两导轨面间装有滚珠、滚柱和滚针等滚动元件，具有滚动摩擦的性质，在进给运动导轨中有广泛的应用。 4. 按受力情况分 开式导轨和闭式导轨，在部件自重和外载的条件下如图a所示，导轨面a和b在导轨全长上可始终贴合的叫做开式导轨。当部件上所受的颠覆力矩较大时，必须增加压板1以形成辅助导轨面e如图b所示，才能使主导轨面c和d良好接触。这种靠增加压板将导轨2用主、辅导轨面封闭起来的叫做闭式导轨。,二、导轨基本要求 1.对导轨的一般要求 1）导向精度 是指动导轨运动轨迹的准确
3、度，它是保证导轨工作质量的前提。 影响因素：导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度；导轨和基础件的刚度；导轨的油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的热变形等。 2）精度保持性 是指长期保持原始精度的能力， 影响因素：主要是磨损，此外还有导轨材料，受力情况等。 3）低速运动平稳性 保证导轨在作低速运动或微量位移时不出现爬行现象。 影响因素：导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及传动导轨运动的传动系统的刚度等。 4）结构简单、工艺性好 制造、维修方便，刮研劳动量要少，镶装导轨更换方便。,2.对导轨的精度和表面粗糙度要求 1）几何精度 直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的不直度（简
4、称A项精度），导轨在水平平面内的不直度（简称B项精度），两导轨面间的不平行度，也叫做扭曲（简称C项精度）。A、B、C三项精度的允差值，可参考有关机床精度检验标准。 2）接触精度 一对导轨面的接触精度，可采用着色法检查。 3）表面粗糙度 滑动导轨的表面粗糙度可按表面粗糙度表选取。 3.导轨面的精加工 导轨精加工的方法有精刨（或精铣）、磨削和刮研等几种。 精刨可以满足普通精度机床导轨的精度和粗糙度要求，而且成本低、生产率高。磨削精加工导轨面能够达到较高的精度和表面粗糙度，生产率也高，而且是加工淬硬导轨的唯一方法。刮研可以达到最高的精度，同时还具有变形小、接触好、表面可以存油的优点。,第二节 普通滑
5、动导轨,一、直线运动滑动导轨 1.直线运动导轨的截面形状 直线运动导轨截面的基本形状主要有四种：三角形、矩形、燕尾形和圆柱形，每种之中还有凸凹之分。,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。,2. 直线运动导轨的组合 机床直线运动导轨通常由两条导轨组合而成，如图。,双矩形导轨有宽式和窄式组合，如图。,二、回转运动滑动导轨 回转运动导轨的截面形状有平面、锥面和V形面三种，如图。,平面环形导轨如图a具有承载能力大、工作精度高、结构简单、制造方便的优点。 锥面环形导轨如图b的母线倾角常取30，可以承受一定的径向载荷。 V形面环形导轨如图c、d、e可以承受较大的径向载荷和一定的颠覆力矩
6、。,三、导轨间隙调整 导轨结合面配合的松紧对机床的工作性能有相当大的影响。 配合过紧：操作费力，磨损加快。 配合过松：影响导向精度，引起振动。 因此，除在装配过程中应仔细地调整导轨的间隙外，在使用一段时间后因磨损还需重调。 调整方法：用镶条和压板。 1.镶条 镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧面。常用的有平镶条和楔形镶条两种。 平镶条：这类结构调整方便，镶条制造容易，但容易变形，刚度较低。,楔形镶条：楔形镶条的斜度为1：1001：40，镶条越长斜度应越小，以免两端厚度相差太大。由于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
7、刚度高，但加工稍困难。一般下料时可取得长一些，配刮好后把多余部分截去。,2.压板 压板用于调整辅助导轨面的间隙并承受颠覆力矩，如图。 图a方法，构造简单，但调整麻烦，常用于不经常调整间隙和间隙对加工影响不太大的场合。 图b方法，比刮、磨压板方便，但调整量受垫片厚度的限制，而且降低了结合面的接触刚度。 图c方法，调节很方便，只要拧动调节螺钉6就可以了，但刚度比前两种差，多用于经常调节间隙和受力不大的场合,四、滑动导轨的设计验算 导轨的变形主要是接触变形，有时也应考虑导轨部分局部变形的影响。 1.导轨的受力分析 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和牵引力。 首先
8、建立外力矩方程式，然后依次求牵引力，支反力和支反力矩。具体受力分析可参看有关机床参考书。 2.计算导轨的压强 根据支反力可求出导轨的平均压强。加入支反力矩的影响，就可以求出导轨的最大压强。 设计导轨时应合理选择许用压强，如许用压强取得过大，则会加剧导轨的磨损；若取得过小，又会增加导轨的尺寸。具体可参看有关机床标准。五、提高导轨耐磨性措施 1.争取无磨损 保证完全的液体润滑，使润滑剂把摩擦面完全分隔开。,2.争取少磨损 1）正确选择摩擦副的材料和热处理 2）降低压强 3）改变摩擦性质 4）加强防护 3.争取均匀磨损 磨损不均匀的原因主要有两个：1）在摩擦面上压强分布不均； 2）各个部分的使用机会
9、不同。争取均匀磨损有如下措施： (1) 力求使摩擦面上压强均匀分布，例如导轨的形状和尺寸要尽可能使集中载荷对称； (2) 尽量减少扭转力矩和倾覆力矩； (3) 保证工作台、溜板等支承件有足够的刚度； (4) 摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高些。,4.磨损后应能补偿磨损量 磨损后间隙变大了，设计时应考虑在构造上能补偿这个间隙。补偿方法可以是自动的连续补偿，也可以是定期的人工补偿。六、爬行现象和防止爬行措施 在低速运动及间歇微量位移机构中，运动不平稳的现象称为爬行。 产生爬行的原因：1) 摩擦副存在着静动摩擦系数之差。 2) 运动件的质量较大，因而具有较大的惯性； 3) 传动机构的刚度不
10、足。 当移动件的质量、摩擦副摩擦面间的摩擦性质和传动机构的刚度一定时，在移动速度低到一定值后就会产生爬行。这个值就称为爬行的临界速度。 降低临界速度的措施有： 1) 减少静、动摩擦系数之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性； 2) 提高传动机构的刚度； 3) 采用几种办法联合使用。,第三节 滚动导轨,在两导轨之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质，这种导轨称为滚动导轨。 一、滚动导轨的特点及材料 1. 滚动导轨的特点 1）运动灵敏度高，牵引力小，移动轻便。 2）定位精度高。 3）磨损小，精度保持性好。 4）润滑系统简单，维修方便。 5）抗振性较差，一般滚动体和导轨须
11、用淬火钢制成，对防护要求也较高。 6）导向精度低。 7）结构复杂，制造困难，成本较高。,2.滚动导轨的材料 滚动导轨最常用的材料是硬度为HRC6062的淬硬钢，以及硬度为HB200220的铸铁。 淬硬钢导轨具有承载能力高和耐磨等优点，适用于载荷高、动载和冲击载荷大、需要预紧和防护比较困难的场合。 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，氮化处理的承载能力最差。 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情况。铸铁导轨要求具有良好的防护装置。二、滚动导轨结构型式 按滚动体的类型，滚动导轨可分为滚珠、滚柱、滚针等型式。 1）滚珠导轨 滚珠导轨结构紧凑、制
12、造容易、成本较低。但由于接触面积小，刚度低，因而承载能力较小。滚珠导轨适用于运动部件重量不大（小于200公斤），切削力和颠覆力矩都较小的机床。,2）滚柱导轨 滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，它适用于载荷较大的机床，是应用最广泛的一种滚动导轨。 3）滚针导轨 滚针比滚柱的长径比大，因此滚针导轨的尺寸小，结构紧凑，用在尺寸受限制的地方。 三、滚动导轨预紧 预紧可以提高滚动导轨的刚度，一般来说有预紧的滚动导轨比没有预紧的滚动导轨，刚度可以提高3倍以上。 预紧的办法一般有两种。 1）采用过盈配合 随着过盈量的增加，一方面导轨的接触刚度开始急剧增加，到一定之后，刚度的增加就慢下来了；另一方面，牵
13、引力也在增加，开始时牵引力增加不大，当超过一定值后，牵引力便急剧增加。,2) 采用调整元件 调整原理和调整方法与滑动导轨调整间隙的办法相同。它们分别采用调整斜镶条和调节螺钉的办法进行预紧。 第四节 动压导轨和静压导轨 一、动压导轨 动压导轨的工作原理与动压滑动轴承相同。它们都借助于导轨面间的相对运动，形成压力油揳而将运动部件浮起。 动压导轨材料耐磨性要求和普通滑动导轨相同。 二、静压导轨 静压导轨的工作原理与静压轴承相同。 静压导轨的优点： 1）油膜使导轨面分开，导轨没有磨损，精度保持性好； 2）静压导轨的油膜油均化误差作用，可以提高精度；,3）摩擦系数很小，大大降低传动功率，减少摩擦发热； 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。 静压导轨的缺点： 1）结构比较复杂； 2）增加了一套液压设备； 3）调整比较麻烦。 静压导轨按导轨的结构型式分为开式静压导轨和闭式静压导轨；按供油情况分为定压式静压导轨和定量式静压导轨。目前应用较多的是定压式静压导轨。,思考题：,1.导轨应满足那些要求？2.导轨常用材料有哪几种？3.导轨常用什么方法调整间隙？4.直线运动导轨有几种结构形式？各有何有缺点？,
