第九章-导轨

第九章导轨第一节导轨的功用、分类和应满足的要求一、导轨的功用和分类1、导轨的功用功用是导向和承载。在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。2、导轨的分类1）按运动轨迹分直线运动导轨圆周运动导轨主运动导轨—动导轨与支承导轨之间相对运动速度较高。2）按工作性质分进给运动导轨—动导轨与支承导轨之间相对运动速度较低。机床中多数导轨属于进给导轨。移置导轨—只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工时没有相对运动。3）按摩擦性质分滑动导轨静压导轨—两导轨面间有一层静压油膜，属于纯液体摩擦，多用于进给运动导轨。动压导轨—当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应使导轨油腔处出现压力油楔，把两个导轨面分开，形成液体摩擦，这种导轨只用于高速场合，故仅用作主运动导轨。普通滑动导轨—混合摩擦导轨，速度不高，导轨面仍处于直接接触状态。大多数普通滑动导轨属于这一类。滚动导轨：两导轨面间装有滚动元件，具有滚动摩擦的性质，广泛地应用于进给运动和旋转主运动。4）按受力情况分开式导轨——在重力和外载作用下，使导轨面能保持始终贴合。闭式导轨——在外力作用下，产生大的倾覆力矩，使导轨面不能始终保持贴合。二、导轨应满足的要求1、导向精度导轨在空载下运动和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。（1）几何精度直线运动的导轨导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度）导轨在水平平面内的直线度（简称B项精度）两导轨面间的平行度（简称C项精度）其精度值可参考有关机床精度检查标准。（2）接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按JB2278的规定，采用着色法进行检查，用接触面所占的百分比或25×25平方毫米面积内的接触点数衡量。影响导向精度的因素：制造精度；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；对于动压和静压导轨还有油膜刚度。2、精度保持性其影响因素主要是磨损。提高耐磨性以保持精度是提高机床质量的主要内容之一。常见的磨损有：磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳。3、低速运动平稳性即不出现爬行现象。其平稳性与导轨的结构、材料和润滑有关；与动、静摩擦系数的差值有关；与传动导轨运动的传动链的刚度等因素有关。4、结构简单、工艺性好：设计时要注意使导轨的制造和维护方便。第二节导轨的材料对导轨材料的主要要求是：耐磨性高、工艺性好和成本低等。一、铸铁铸铁是一种成本低，优良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。在动导轨和支承导轨中都有应用。灰铸铁：在润滑与防护较好的条件下有一定的耐磨性。HT200。精度不高，次要导轨。孕育铸铁：耐磨性高于灰铸铁。HT300。普通精度。耐磨铸铁：含合金元素，耐磨性高于孕育铸铁。精密机床。热处理：导轨的表面淬火，采用淬火的方法提高铸铁导轨表面的硬度，增强抗磨料磨损、粘着磨损的能力，防止划伤与撕伤，提高导轨的耐磨性。二、钢采用淬火钢或氮化钢的镶钢支承导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。镶钢导轨材料有几类：（1）合金工具钢或轴承钢，牌号为9Mn2V、CrWMn、GCr15等；（2）高碳工具钢，牌号为T8A、T10A等；（3）中碳钢，牌号为45、40Cr；（4）低碳钢，牌号为20Cr；（5）氮化钢，牌号为38CrMoAlA。镶钢导轨工艺复杂、加工较困难、成本也较高，多用于数控机床和加工中心上。三、有色金属用于镶装导轨的有色金属板材料，主要有锡青铜ZQSn6-6-3和铝青铜ZQAl9-4。它们多用于重型机床的动导轨上。这种材料的优点是耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移动精度。四、塑料优点是摩擦系数低、耐磨性高、抗撕拉能力强、低速时不易出现爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低。在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。五、导轨副材料的选用在导轨副中，为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应分别采用不同的材料。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。第三节滑动导轨的结构一、导轨的截面形状与组合1、导轨的截面形状：三角形、矩形、燕尾形和圆形。一对导轨副一凸一凹。2、窄式、宽式导轨窄式导轨：用一条导轨面的两侧面导向，导向精度高。宽式导轨：用两条导轨的两外侧面导向。3、导轨的组合（1）双三角形导轨（12-3a）：导向性和精度保持性都高，磨损时会自动补偿磨损量，加工、检验和维修都比较困难，多用于精度要求较高的机床。（2）双矩形导轨（12-3b）：这种导轨的刚度高，承载能力高，加工、检验和维修都方便。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。（3）三角形和矩形导轨的组合（12-3c）：兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点而应用很广。（4）燕尾形导轨（12-3d）：可以承受颠覆力矩，是闭式导轨中接触面最少的一种结构，间隙调整方便。这种导轨刚性较差，加工、检验和维修都不大方便，适用于受力小，层次多、要求间隙调整方便的地方。（5）矩形和燕尾形导轨的组合（12-3e）：兼有调整方便和能承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱和摇臂的导轨副等。（6）双圆柱导轨的组合（12-3f）：制造方便，不易积存较大的切屑的优点，但间隙难以调整，磨损后也不易补偿。常用于移动件只受轴向力场合。二、导轨间隙的调整原因：配合过紧不仅操作费力还会加快磨损；配合过松则将影响运动精度，甚至会产生振动。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。常用的有平镶条和楔形镶条两种。（1）平镶条：靠调整螺钉移动镶条的位置调整间隙。调整方便，制造容易，镶条较薄时，容易变形，刚度较低。目前应用已较少。（2）楔形镶条：调整螺钉带动镶条作纵向移动以调节间隙。比平镶条刚度高，但加工稍困难。2、压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。这种方式构造简单，应用较这种方法比刮、磨压板方便，多，但调整要麻烦些。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。第四节滑动导轨的验算一、验算滑动导轨的步骤１、受力分析２、计算导轨的压强二、导轨的受力分析三、按线性分布的导轨的压强每个导轨面上所受的载荷，都可归结为一个集中力F和一个倾覆力矩M。•F在动导轨上引起的压强（MPa）为：pF=F/aL•M在动导轨上引起的压强（MPa）为所以pM=6M/aL2261322121aLpLaLpMMM•由于力F与力矩M同时作用，因此导轨所受的最大、最小和平均压强分别为aLFpppFLMaLFpppFLMaLFpppavMFMFminmaxminmax2161611.当6M/FL=0，即M=0时，导轨面上的压强p=pmax=pmin=pav，这时导轨的受力情况最好，但这种情况在切削时实际上几乎是不存在的。2.当0＜6M/FL＜1，这是一种较好的受力情况。3.当6M/FL=1，pmin=0，这是一种使动导轨与支承导轨在全长接触的临界状态。4.当6M/FL＞1，应采用有压板的闭式导轨。压板与辅助导面间的间隙为△，主导轨面的间隙为△′。①当△＞△′时，压板不起作用。②当△＜△′时，压板起作用。第五节各种滑动导轨的设计特点一、动压导轨二、普通滑动导轨三、静压导轨四、卸荷导轨1、机械卸荷导轨2、液压卸荷导轨3、自动调节气压卸荷导轨第七节导轨的润滑与防护一、导轨的润滑1、润滑的目的、要求与方式润滑的目的：是为了降低摩擦力、减少磨损、降低温度和防止生锈。润滑要求：供给导轨清洁的润滑油，油量可以调节，尽量采取自动和强制润滑，润滑元件要可靠，要有安全装置。润滑方式：人工定期向导轨面浇油；在运动部件上装油杯，使油沿油孔流或滴向导轨面；在运动部件上装润滑电磁泵或手动润滑泵。2、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，滚动导轨则两种都可用。导轨润滑油的粘度可根据导轨的工作条件和润滑方式选择。高速低载荷可用粘度较低的油，反之则用粘度较高的油。滚动导轨支承多采用润滑脂润滑。优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后易磨损导轨，因此对防护要求较高，易被污染又难以防护的地方，可用润滑油润滑。二、导轨的防护防止或减少导轨副磨损的重要方法之一，就是对导轨进行防护。目前，防护装置已有专门工厂生产，可以外购。导轨防护方式有以下几种：1、刮板式这种方法能刮除落在导轨面上的尘削屑，属于间接防护装置。这种装置广泛应用于外露导轨的防护。2、伸缩式是把导轨全部封闭起来的结构，防护可靠，在滚动导轨与滑动导轨中都有应用。第八节提高导轨耐磨性的措施从设计角度提高耐磨性的基本思路是：尽量争取无磨损；在无法避免磨损时尽量争取少磨损、均匀磨损以及磨损后能够补偿，以便提高使用期限。一、争取无磨损磨损的原因：是配合面在一定的压强作用下直接接触并作相对运动。不磨损的条件：配合面在作相对运动时不直接接触；接触时则无相对运动。配合面在作相对运动时不直接接触的办法之一是保证完全的液体润滑，使润滑剂把摩擦面完全分隔开。二、争取少磨损争取无磨损只能在少数和特殊情况下才能做到。多数情况只能争取少磨损以延长工作期限。争取少磨损的措施：1、降低压强可采用加大导轨的接触面和减轻负荷的方法来降低压强。2、改变摩擦性质用滚动副代替滑动副，可以减少磨损。3、正确选择摩擦副的材料和热处理4、加强防护三、争取均匀磨损磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大。争取均匀磨损的措施：1、力求使摩擦面上压强均匀分布。2、尽量减少扭转力矩和倾覆力矩。3、保证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。四、磨损后应能补偿磨损量磨损后间歇变大了，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。第九节低速运动平稳性一、爬行的现象及其影响二、对爬行现象的分析（1）静摩擦力和动摩擦力之差，差值越大，越容易产生爬行。（2）传动系统刚度越差，越容易产生爬行（3）运动件的质量越大，越容易产生爬行（4）当导轨面之间的阻尼较大时，有利于减轻或消除爬行。三、产生爬行的原因四、消除爬行的措施•设计低速运动机构时，首先应估算其临界速度。•如果所设计机构的最低速度低于临界速度时，应采取措施降低其临界速度，以避免产生爬行。•运动部件的质量往往由于结构要求成为定值，阻尼比目前研究得还不充分，改善措施也不很多。（一）减小静、动摩擦系数之差1）采用导轨油2）以滚动摩擦代替滑动摩擦3）采用卸荷寻轨和静压导轨4）采用减摩导轨材料(二）提高传动系统刚度•1）机械传动：尽可能缩短传动链，以减少弹性变形量；适当提高未端传动副的刚度；合理分配传动比，使多数传动件受力较小。•2）液压传动：液压传动机构受力后的变形来自油的可压缩性以及活塞杆、活塞杆座等的变形。因此，要防止油中混入空气泡和注意提高活塞杆及活塞杆座的刚度。