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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Ｍ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30º，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。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1：100～1：40，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HRC60～62的淬硬钢，以及硬度为HB200～220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δ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，牵引力也在增加，开始时牵引力增加不大，当δ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？