导轨的结构设计

直线导轨的结构设计（含转动导轨）1导轨的作用和设计要求当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下：1.一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的正确性。2.运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。3.良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。4.足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。5.温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。6.结构工艺性好。在保证导轨其它要求的条件下，应使导轨结构简单，便于加工、丈量、装配和调整，降低本钱。不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六点要求是相互影响的。2导轨设计的主要内容设计导轨应包括下列几方面内容：1.根据工作条件，选择合适的导轨类型。2.选择导轨的截面外形，以保证导向精度。3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。4.选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度。5.选择公道的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和丈量方法等。3导轨的结构设计1.滑动导轨(1)基本形式（见图21-10）三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90°。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110°～120°）；为进步导向性，采用较小的顶角（60°）。假如导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。燕尾形导轨：燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合。(2)常用导轨组合形式三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。这种组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。V-平组合导轨易储存润滑油，低、高速都能采用；棱-平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。见图21-11。图21-11为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。矩形和矩形组合：承载面和导向面分开，因而制造和调整简单。导向面的间隙用镶条调整，接触刚度低。见图双三角形导轨：由于采用对称结构，两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置位置不变，故加工精度影响小。接触刚度好，导向精度高，但工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全接触，假如运动部件热变形不同，也不能保证四个面同时接触，故不宜用在温度变化大的场合。(3）间隙调整为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要废很大的劳动量，而且导轨经过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。在垂直方向上，一般采用下压板调整它的低面间隙，其方法有：a）刮研或配磨下压板的结合面；b）用螺钉调整镶条位置；c）改变垫片的片数或厚度；见图21-13。在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。见图21-14。圆形导轨的间隙不能调整。图21-13图21-14(4）夹紧装置有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后要求将它的位置固定，因而要用专用的锁（夹）紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。见图21-15。(5）进步耐磨性措施导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法，以及使用与维护。进步导轨的耐磨性，使其在较长的时间内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。进步导轨耐磨性的措施有：1)选择公道的比压单位面积上的压力成为比压，即p=P/S（公斤/厘米2）式中P-作用在导轨上的力（公斤）S-导轨的支承面积（厘米2）由上式可知，要减小导轨的比压，应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。减小两导轨面之间的中心距，可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。但减小中心距受到结构尺寸的限制，同时中心距太小，将导致运动不稳定。降低导轨比压的另一办法，是采用卸荷装置，即在导轨载荷的相反方向，增加弹簧或液压作用力，以抵消导轨所承受的部分载荷。2)选择合适材料目前常采用的导轨材料有以下几种：铸铁-导轨与承导件或运动件铸成一体，其材料常用灰口铸铁。它具有本钱低，工艺性好，热稳定性高等优点。在润滑和防护良好的情况下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可进步导轨的耐磨性。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁，如高磷铸铁，硬度为HB=180～220，耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。若加进一定量的铜和钛，成为磷铜钛铸铁，其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。但高磷系铸铁的脆性和铸造应力较大，易产生裂纹，应采用适当的铸造工艺。此外，还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。钢-要求较高的或焊接机架上的导轨，常用淬火的合金钢制造。淬硬的钢导轨的耐磨性比普通灰铸铁高5～10倍。常用的有20Cr钢渗碳淬火和40Cr高频淬火。钢导轨镶接的方法有：螺钉连接，应使螺钉不受剪切；为避免导轨上有孔（孔内积存赃物而加速磨损），一般采用倒装螺钉。结构上不便于从下面伸进螺钉固定时，可采用如图21-16所示的方法。螺钉固紧后，将六角头磨平，使导轨上的螺钉孔和螺钉头之间没有间隙。用环氧树脂胶接，胶接面之间的间隙不超过0.25毫米。胶粘导轨具有一定的胶接刚度和强度，尚有一定的抗冲击性能，工艺简单，本钱较低。塑料-用聚四氟乙烯为基材，添加不同的填充剂作为导轨材料。它具有耐磨、抗振以及动、静摩擦系数低（0.04），可消除低速爬行现象，在实际应用中取得良好的效果。3)热处理为进步铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。表面淬火方法有：火焰淬火、高频淬火和电接触淬火。4)润滑和防护润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜，阻止或减少导轨面直接接触，减小摩擦和磨损，以延长导轨的使用寿命。同时，对低速运动，润滑可以防止爬行；对高速运动，可减少摩擦热，减少热变形。导轨润滑的方式有浇杯、油杯、手动油泵和自动润滑等。导轨的防护装置用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面，以免使导轨擦伤、生锈和过早的磨损。为此，在运动导轨端部安装刮板；采用各种式样的防护罩，使导轨不过露等办法。(6)结构尺寸的验算1)校核温度变化对导轨间隙的影响导轨在温度变化较大的环境中工作，应在选定精度和配合后，作导轨间隙验算。为了保证工作时不致卡住，导轨的最小间隙应大于或即是零，即Δmin≥0导轨的最小间隙用下式计算：Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)](mm)式中t-工作温度（°C）t0-制造时温度（°C）Dmin-包容件在t0时的最小尺寸（mm）dmax-被包容件在t0时的最大尺寸（mm）αk-包容件材料的线膨胀系数（1/°C）αz-被包容件材料的线膨胀系数（1/°C）为保证导向精度，导轨的最大间隙Δmax应小于或即是答应值，即Δmax≤[Δmax]导轨的最大间隙用下式计算：Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)](mm)式中Dmax-包容件在t0时的最大尺寸（mm）dmin-被包容件在t0时的最小尺寸（mm）2)不自锁条件和导轨间隙计算当初定导轨的结构形式和尺寸后，应留意作用力的方向和作用点的位置，力求使导轨的倾斜力矩小，否则使导轨的摩擦力增大，磨损加快，从而降低导轨的灵活性和导向精度，甚至回使导轨卡住。其验算公式见表21-6。2.转动导轨在承导件和运动件之间放进一些转动体（滚珠、滚柱或滚针），使相配的两个导轨面不直接接触的导轨，称为转动导轨。转动导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现爬行现象，故运动均匀平稳。因此，转动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上，获得日益广泛的运用。转动导轨的缺点是：导轨面和转动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，故对导轨的表面硬度要求高；对导轨的外形精度和转动体的尺寸精度要求高。(1)结构形式滚珠导轨-图示21-17为V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨。由于滚珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。滚柱（滚针）导轨-滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，灵活性稍差。如图21-18，滚柱对导轨的不平度较敏感，轻易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱的直径越大，对导轨的不平度越为敏感。当结构尺寸受限制时，可采用直径较小的滚柱，这种导轨称为滚针导轨。滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护轻易等优点。其结构如图21-19所示。由于滚柱在封闭的滚道内转动，故可用于行程很大的导轨上。转动导轨支撑1-本体2-滚柱3-导向片4-反射器滚柱导轨可采用标准的转动轴承，装在偏心轴上，如图21-20所示，以便于调整。其偏心量一般取0.2-0.5毫米。2)转动导轨设计的一般题目1)结构形式的选择：转动导轨按其结构特点，分为开式和闭式两种。开式转动导轨用于外加载荷作用在两条导轨中间，依靠运动件本身重量即可保持导轨良好接触的场合。闭式导轨则相反。滚珠导轨的灵活性最好，结构简单，制造轻易，但承载能力小，刚度低，常用于精度要求高、运动灵活、轻载的场合。滚柱（针）导轨刚度大，承载能力强，但对位置精度要求高。转动导轨采用标准转动轴承，结构简单，制造轻易，润滑方便。宜用于中等精度的场合。为了增加转动导轨的承载能力，可施预加载荷。这时刚度大，且没有间隙，精度相应进步，但阻尼比无预加载荷时大，制造复杂，本钱高。故多用于精密导轨。2)选择长度：一般应在满足导轨运动行程的条件下，尽可能使导轨的长度短一些。为防止转动体在行程的极端位置时脱落，运动件的长度应为L=l+2a+Smax/2式中L-运动件或承导件的长度，计算时取较短者的长度（毫米）；l-支承点的间隔（毫米）；a-在极端位置时的余量；如图。采用循环式的转动导轨支承时，运动件的行程长度不受限制。转动体尺寸和数目：转动体直径大，承载能力大，摩擦阻力小。对于滚珠导轨，滚珠直径增大，刚度增高（滚柱导轨的刚度与滚柱直径无关）。因此，假如不受结构的限制，应有限选用尺寸较大的转动体。滚针导轨的摩擦阻力较大，且滚针可能产生滑动。所以尽可能不采用滚针导轨（特别是滚针直径小于4毫米时）。当转动体的数目增加时，导轨的承载能力和刚度也增加。但转动体的数目不宜太多，过多会增加载荷在转动体上分布的不均匀性，刚度反而下降。若转动体数目太少，制造误差将会明显地影响运动件的导向精度。一般在一个转动带回上，转动体的数目最少为12个。经验表明：运动部件的重量，使滚柱单位长度上的载荷q≥4公斤/厘米时；对于滚珠导轨，在每个滚珠上的载荷为p≥3（d）