精密机械设计基础课件(合肥工业大学)第十二章(导轨)

第十二章直线运动导轨参考文献张策主编，《机械原理与机械设计》（下册），机械工业出版社，2004蒋秀珍主编，《机械学基础》，科学出版社，2004陈立德主编，《机械制造装备设计》，高等教育出版社，2006其他有关导轨的相关书籍主要内容第一节概述第二节滑动摩擦导轨第三节滚动摩擦导轨第四节其它类型的导轨简介第一节概述作用：支承和引导运动部件按给定方向作往复直线运动。基本组成:运动件、承导件静导轨－导轨副中设在支承构件上的，其导轨面为承导面，比较长。动导轨－设在运动件上的，导轨面一般较短。各种导轨导轨的导向原理（保留一个移动自由度）导轨的导向面棱柱面圆柱面第一节概述xyz导轨的分类按摩擦性质分滑动摩擦导轨滚动摩擦导轨弹性摩擦导轨流体摩擦导轨按结构特点分力封式–借助外力保证运动件和承导件导轨面间的接触。自封式–依靠导轨本身的几何形状保证运动件和承导件导轨面间的接触。可以承受倾覆力矩。第一节概述导轨的基本要求导向精度直线度平行度运动轻便、平稳、低速时无爬行现象耐磨性好－精度保持性对温度变化的不敏感性足够的刚度结构工艺好第一节概述第二节滑动摩擦导轨运动件与承导件直线接触。优点：结构简单、接触刚度大。缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。滑动摩擦导轨截面的常用形式凸形导轨—不易存屑、脏物、润滑油，低速使用。凹形导轨—与上相反，高速导轨，需保护装置。第二节滑动摩擦导轨圆柱面导轨优点：加工和检验比较简单，易于达到较高精度。缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。防转结构示例导轨的配合导轨的表面粗糙度第二节滑动摩擦导轨棱柱面导轨三角形导轨–导向精度高，无间隙，可自动补偿磨损。矩形导轨–制造简单，承载能力大，需调整间隙，不能补偿磨损，导向精度低。燕尾形导轨–制造较复杂，磨损不能补偿，尺寸紧凑，调整（间隙）方便。组合导轨双三角形导轨三角形－平面导轨矩形导轨燕尾导轨第二节滑动摩擦导轨各种导轨分析导轨间隙的调整采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法采用平镶条调整图示采用斜镶条调整图示第二节滑动摩擦导轨驱动力方向和作用点对导轨工作的影响－减小倾覆力矩，使运动件不被卡住22cos(1)sin(1)0VVVfdhbffLLL第二节滑动摩擦导轨d/L很小时，/vfdL可略去，tanvvL2fhfL2bh=0时，驱动力的作用点在运动件的轴线上，则21vvftanLb-ftanα=0时，驱动力的平行于运动件的轴线，则21vhfL205vhf.L驱动力方向和作用点对导轨工作的影响－不同截面形状的组合导轨，摩擦力合力位置决定驱动元件的位置。（三角导轨摩擦力大）第二节滑动摩擦导轨温度变化对导轨间隙的影响温度变化可使自封式导轨卡住或过大间隙，承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。温度影响验算保证导轨在工作时不卡住min=0保证导轨的工作精度max=[max]第二节滑动摩擦导轨22011011minminmaxDttDtt22011011maxmaxminDttDttD2min—包容件在制造温度时的最小直径或最小直线尺寸D1max—被包容件在制造温度时的最大直径或最大直线尺寸D2max—包容件在制造温度时的最大直径或最大直线尺寸D1min—被包容件在制造温度时的最小直径或最小直线尺寸导轨的刚度（－静刚度）计算导轨的最大弹性变形量不超过允许值。设机座为绝对刚体，则导轨的刚度主要取决于在载荷作用下，运动件和承导件的弯曲变形和它们工作面接触变形的大小。计算弯曲变形－将运动件及连成一体的工作台简化成梁。措施：增大导轨尺寸、合理布置加强筋。计算接触变形－经验公式估算。第二节滑动摩擦导轨cpp—接触面间的平均压力C—系数，材料要求耐磨性、减摩性、尺寸稳定性、良好的工艺性提高导轨耐磨性的措施合理选择导轨的材料及热处理常用材料减小导轨面压强卸载导轨保证导轨良好润滑－油膜提高导轨精度－直线度、相对位置精度、粗糙度第二节滑动摩擦导轨导轨主要尺寸的确定两导轨之间的距离a－工作稳定前提下尽可能减小运动件长度L＝(1.2～1.8)aorL2a承导件长度－取决于运动件长度及工作行程导轨宽度B＝F/([p]L)三角形导轨的顶角（90）第二节滑动摩擦导轨第三节滚动摩擦导轨型式－运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等）特点摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象；定位精度高；磨损较小，寿命长，润滑方便；结构较为复杂，加工较困难，成本较高；对脏物及导轨面的误差比较敏感。滚动导轨的类型及结构特点滚珠导轨典型结构型式其它结构型式滚柱导轨常见结构型式滚动轴承导轨应用示例第三节滚动摩擦导轨滚动导轨的预紧预紧增大刚度、减小磨损，结构复杂，成本增加采用过盈装配形成预加负载示例用移动导轨板的方法实现预紧示例第三节滚动摩擦导轨导轨主要参数的确定运动件的长度隔离架限动槽长度b和平椭圆长度B滚动体的大小和数量第三节滚动摩擦导轨滚动导轨的材料和热处理滚动体材料：滚动轴承钢（GCr15）导轨材料:低碳合金钢合金结构钢合金工具钢氮化钢铸铁第三节滚动摩擦导轨镶装式导轨结构导轨材料－钢机座材料－铸铁导轨截面形状a无凸台b有凸台c带V形槽第三节滚动摩擦导轨镶装式导轨结构导轨全长与机座接触导轨变形示意图第三节滚动摩擦导轨第四节其它类型导轨简介弹性摩擦导轨静压导轨弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨优点摩擦力极小；没有磨损，不需润滑；运动灵便性高；当运动件位移足够小时，精度很高，可达极高分辨率。缺点：只能作很小的移动。静压导轨简介导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，保证液体或气体摩擦。液体静压导轨分类：开式静压导轨闭式静压导轨优点：摩擦系数小、无磨损、承载能力大、导轨温升小、抗振性好。气体静压导轨开式、闭式、负压吸浮式气垫导轨导向精度导轨在垂直平面和水平面内的直线度导向精度导轨间的平行度有防转结构的圆柱面导轨平面、凸起、凹槽、辅助导向面双三角形导轨导向精度高、承载能力大、精度保持性好；对温度变化较敏感。三角形－平面导轨导向精度高，承载能力大，对温度变化的不敏感性，工艺性好；磨损后不能自动调整间隙。矩形导轨承载能力和刚度较大，结构简单，磨损后不能自动补偿间隙。a)A导向面（距离小，受温度影响小），B、C承载面。燕尾导轨结构紧凑、调整间隙方便。形状复杂、摩擦力大，运动灵活性差。平镶条调整制造容易、但易变形，用于受力较小导轨。斜镶条调整调整容易、受力均匀，但制造较难。常用材料•铸铁HT200、HT300、高磷铸铁等表面淬火、镀铬、涂钼等•钢碳素钢(40、T8A)、合金钢(20Cr、40Cr)渗碳、高频淬火等；镶装导轨•有色金属黄铜、锡青铜、超硬铝、铸铝•工程塑料聚四氟乙烯、聚酰胺等涂层、软带、复合导轨板•导轨热处理后，需时效。不同材料匹配使用铸铁-淬火钢、铸铁-塑料、钢-青铜等减小导轨面压强卸载导轨•静压卸载导轨减小导轨面压强卸载导轨•水银卸载导轨浮子水银槽减小导轨面压强卸载导轨•机械卸载导轨刚度合适的弹簧滚珠导轨典型结构型式•力封式滚珠导轨典型结构型式•自封式滚珠导轨改善措施•预先磨出一窄条圆弧面的浅槽•采用双圆弧滚珠导轨滚珠导轨其它结构型式－滚珠导轨其它结构型式－滚珠循环导轨滚柱导轨交叉滚柱V－平导轨a）V－平滚柱导轨b）滚动轴承导轨万能工具显微镜纵向导轨过盈预紧移动预紧液体静压导轨开式静压导轨结构简单，但承受倾覆力矩的能力较差。液体静压导轨闭式静压导轨气体静压导轨负压吸浮式气垫的工作原理气体静压导轨两坐标负压吸浮式气垫导轨over