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1、机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,机械制造技术装备及设计4-6,机电工程学院 制造工程系,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,第六章 机床导轨的设计,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,第一节 概 述,导轨副的主要功用是导向和承载 。导轨副只许具有一个自由度 。,导向原理,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,如利用一条导轨面较窄的矩形、三角形、或燕尾形导轨副，可限制住运动部件的四个自由度，沿Y、Z轴的移动，和 绕Y、Z轴的转动。若在该导轨副旁加一条相平行的导轨副，便可限制住运动部件绕X轴转动。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,导轨主要用来支撑和引导运动部件沿着一定的导
2、轨运动， 机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中，不运动的配合面成为固定导轨；运动的配合面成为运动导轨。 在运动部件（工作台）与固定不动部件（床身）之间只允许有一个自由度，因此，导轨副必须限制运动部件的其他五个自由度。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,一、导轨的功用和分类 导轨副按下列性质分类。 1运动轨迹 (1)直线运动导轨 导轨副的相对运动轨迹为一直线，如普通车床的溜板和床身导轨。 (2)圆周运动导轨 导轨副的相对运动轨迹为一圆，如立式车床的花盘和底座导轨。 2摩擦性质 (1)滑动导轨 其中有静压导轨、动压导轨和普通滑动导轨，它们的共同特点是导轨副工作面之间的摩擦性质为滑
3、动摩擦。 (2)滚动摩擦 导轨副工作面之间装有滚动体，使两导轨面之间为滚动摩擦。 3工作性质 (1)主运动导轨 动导轨作主运动，导轨副间的相对运动速度高。 (2)进给运动导轨 动导轨作进给运动，导轨副之间的相对运动速度低。 (3)移置（调整）导轨 实现部件之间的相对位置调整，在机床工作时无相对运动。 (4)卸荷导轨 采用机械、液压或气压办法减轻支承导轨的负荷，降低静、动摩擦系数，以提高导轨的耐磨性、低速平稳性和运动精度。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,二、导轨应满足的基本要求 1. 导向精度 主要指导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形
4、式，导轨及其支承件的刚度和热变形，静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。 2. 精度保持性 主要由导轨的耐磨性决定，耐磨性与导轨的材料，导轨副的摩擦性质，导轨上的压强及其分布规律等因素有关。 3. 承载能力大、刚度好 包括导轨自身刚度和接触刚度。主要取决于导轨的形状，尺寸与支承件的连接方式及受力状况等因素。 4. 低速运动平稳性 动导轨作低速运动或微量位移时易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度的值。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,三、导轨的主要失效形式 1磨损 磨粒磨损 （切屑、磨粒、导轨面的硬点或导轨本身磨损的产物；他们刮伤或刻划导轨。
5、导轨中较硬一面的表面凸起对较软的一面的搓削作用引起磨损。 ） 咬合磨损 咬合磨损是指相对滑动的两个表面互相咬啮，所产生的咬裂痕迹叫擦伤 （导轨面摩擦使温度达到金属融化，引起局部焊接；导轨表面凸起的表面应力超过强度而切坏，属机械挫伤；导轨表面覆盖氧化膜及气体、蒸汽或吸附膜，这些薄膜由于导轨面上的局部比压或剪切过高而排除时，裸露的金属表面因分子力作用而吸附在一起，导致冷焊。） 2疲劳和压溃 疲劳 表面疲劳是因为表层受接触应力而产生弹性变形，脱离接触时则弹性恢复，这种过程达到一定循环次数后，表层形成龟裂而产生剥落片。 压溃(永久变形） 压溃是由于接触应力过大而使表层产生塑性变形而形成坑。,机械制造技
6、术装备及设计,机床导轨的设计,四、导轨的材料及其特点 1. 铸铁-铸铁 动导轨常用灰铸铁。支承导轨采用孕育铸铁，高磷铸铁和合金铸铁，其耐磨性比普通铸铁高2-4倍。 2. 铸铁-淬硬铸铁 动导轨常用普通灰铸铁，并经刮配加工。支承导轨常用HT200铸铁并进行表面淬火提高共硬度及耐磨性。 3. 铸铁-淬硬钢板 动导轨常用铸铁。支承导轨为淬硬钢导轨，分段镶装在铸铁床身上，所用材料是碳素钢（T108A,T8A等）合金钢(40Cr,CrWMn等)。,镶钢导轨,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,4. 塑料-铸铁 在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带。它与铸铁导轨组成摩擦副时，摩擦系数仅为0.02-0.03
7、，是铸铁-铸铁副的1/3左右。 5. 有色金属-铸铁 在动导轨基体上镶装有色金属板，主要有ZQSn6-6-3,ZQA1-9-2等,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,小资料：塑料导轨 镶粘塑料导轨，已广泛用于数控机床上，其摩擦系数小，且动、静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性，抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低，并有良好的自润滑性和抗震性。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用。 塑料导轨的类型及特点 近年来国内已研制了数十种塑料基体的复合材料用于机床导轨，其中比较引人注目的为应用较广的填充PTEE（聚四氟乙烯）软带材料，
8、例如美国霞板（Shanban）公司的得尔塞（Turcite-B）塑料导轨软带及我国的TSF软带。Turcite-B自润滑复合材料是在聚四氟乙烯中填充50%的青铜粉，据称还加有二硫化钼、玻璃纤维和氧化物制成带状复合材料。具有优异的减磨、抗咬伤性能，不会损坏配合面，吸振性能好，低速无爬行，并可在干摩擦下工作。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,塑料导轨软带与其他导轨相比，有以下特点： 1) 摩擦系数低而稳定 比铸铁导轨副低一个数量级。 2) 动、静摩擦系数相近 运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。 3) 吸收振动 具有良好的阻尼性。 4) 耐磨性好 有自身润滑作用，无润滑油也能工作。 5)
9、化学稳定性好 耐磨、耐低温，耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶液。 6) 维护修理方便 软带耐磨，损坏后更换容易。 7) 经济性好 结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1/20，为三层复合材料DU导轨成本的1/4。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,Turcite-B塑料软带的工作特性 贴塑导轨的摩擦特性 摩擦系数速度特性曲线可知，其动、静摩擦系数相差很小，而且摩擦系数速度特性曲线的斜率是正斜率，并具有良好的自润滑性，所以在短油或干摩擦下也不致拉伤导轨面。 塑料导轨的pv值 pv值是摩擦副的重要技术指标。在设计机床导轨尺寸时，应根据滑动速度v与比压p之值 pv线图选取，使p与v的交点处于
10、曲线的下方。如满足不了要求，可加大导轨面积，以降低比压p值来满足要求，一般导轨的比压p=0.1Mpa0.2Mpa。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,贴塑导轨的承载能力 Turcite-B软带的变形小，在比压p为14Mpa，温度为50C时其变形不得超过原有厚度的5%。在机床导轨上使用时，在任何情况下的变形率都应低于1%。因此，在设计机床导轨尺寸时应注意减小导轨的比压，以获得较高的运动精度。此种软带的厚度有0.8mm、1.6mm及3.2mm等几种。根据承载变形宜选用厚度小的规格，如考虑到加工余量，一般选用厚度为1.6mm(约1/16“)为宜。 贴塑导轨的其他性能 Turcite-B软带粘结
11、剪切强度高达7Mpa；弹性模量小于金属材料，可防止振动，减少噪音；导轨副的磨损量小，若采用定时定量润滑，可进一步提高导轨的使用寿命。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,塑料软带的应用及粘贴工艺 塑料导轨副多为塑料/金属。塑料软带一般粘贴在短的动导轨上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘贴。粘贴工艺如下：,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,金属导轨平面加工 粘贴软带的导轨面可刨或可铣加工成两边带支边的表面粗糙度Ra25m12.5m的凹槽或平面，槽边各留3mm10mm宽的挡边。槽深一般可选软带厚度的1/22/3。如加工成平面，要在两边临时粘接几个等高垫块，防止粘接软带加压
12、时移位。胶层固化后再去掉垫块。配对金属导轨面的粗糙度要求Ra0.4m0.8m，太大使软带产生划痕，太小则不能形成聚四 乙稀转移膜，会使软带加快磨损。对磨导轨面硬度要求在25HRC以上。 软带切成形及清洗 粘接前按导轨面的几何尺寸将软带切割成形，适当考虑工艺裕量。软带表面需经过处理，先用各种清洗剂包括丙酮将软带洗净，在该牌号指定的去处不可粘性的溶液中按时浸透，再用丙酮和水等清洗后干燥备用。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,粘接及加工 粘接时，将该牌号软带指定的胶粘剂按规定工艺用刮刀分别涂布于软带表面和粘接软带导轨面上，使胶层中央略高于四周。粘接层厚度0.1mm左右，接触压力为0.05Mp
13、a0.1MPa。粘贴好之后，把运动部件翻转就位扣压在静导轨上，利用运动部件自身重量或外加一定重量，使固化压力达0.1Mpa0.15MPa。经24h室温固化，将运动部件吊起翻转，用小木锤轻敲整条软带。若敲打时各处声响音调一致，说明粘接质量好。然后检查动静导轨的接触精度，让导轨副对研或机械加工，并刮削到接触面的斑点符合要求（着色点面积达50%以上）为止。根据设计要求，可在软带上开出油槽，油槽一般不开穿软带，宽度5mm左右。并可用仪器测出软带导轨的实际摩擦系数。 贴塑导轨有逐渐取代滚动导轨的趋势，不仅适用于数控机床，而且还适用于其他各种类型机床导轨，它在旧机床修理和数控化改装中可以减少机床结构的修改
14、，因而更加扩大了塑料导轨的应用领域。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,第二节 普通滑动导轨,从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,矩形导轨： M面J面起导向作用；保证垂直面内的直线移动精度，M面又是承受载荷的主要支承面。J面是防止运动部件抬起的压板面，N面是保证水平面内直线移动精度的导向面。 三角形导轨： M、N面兼起支撑和导向作用 燕尾槽导轨：M、面起导向和压板面作用；J面为支撑面。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,导轨副按下列性质分类： 运动轨迹 可分为直线运动导轨和圆周运动导轨； 摩擦性质 可分为滑动导轨和滚动导轨； 工作性质
15、 可分为主运动导轨、进给运动导轨、移置导轨和卸荷导轨。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,a 是矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，水平方向和垂直方向向上的位移互不影响，制造、检验和维修方便。但是导轨（N面磨损后不能自动补偿间隙）不可避免地存在侧面间隙，因而导向精度较差。 b 是三角形导轨，当其水平布置时，在垂直载荷作用下，导轨磨损后都自动补偿不会产生间隙。 导向性能与顶角有关，越小导向性越好，但减小时导轨面当量摩擦系数加大；角加大承载能力增加，但导向精度差。当其水平布置时，导轨磨损后可自动补偿。支承导轨为凸三角形时，不易积存较大切屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压
16、效应，但防尘性差。此外，当M面和N面上的负荷相差较大时，可制成不对称的三角形导轨。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,c 是燕尾形导轨，是三角形导轨的变形。磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。两燕尾面起压板作用，用一根镶条就可调整水平、垂直方向的间隙。 当承受颠覆力矩时，斜面为主要工作面，则刚度较低。 多用于要求高度小的多层移动部件。 其高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。角通常取为55，用一根镶条可同时调整M、J两个方向间隙。 d 是圆柱形导轨，易制造，不易积存较大切屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,常用的组合形式,图 4.6-4 直线运动滑动导轨常用组合形式 a) 双三角形组合；b) 双矩形组合；c) 三角形和矩形组合；d) 矩形和燕尾形组合； e)双圆柱组合,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,机械制造技术装备及设计,机床导轨的设计,a为双三角形组合，起
