滑动导轨设计初论

第二节滑动导轨主要内容：一导轨材料及热处理二滑动导轨的结构三滑动导轨的润滑与防护四滑动导轨的设计验算五滑动导轨提高耐磨性的措施滑动导轨最常见的导轨其它类型的导轨都是在滑动导轨的基础上逐步发展起来的结构简单有良好的工艺性刚度和精度易于保证在一般机床上广泛应用一、导轨材料及热处理对导轨材料的要求和搭配铸铁钢有色金属塑料对导轨材料的要求和搭配要求——耐磨性好、工艺性好、成本低。常用材料——铸铁、钢、有色金属和塑料铸铁应用最为普遍为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同的材料如果选用相同的材料，也一定要采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。直线运动导轨长导轨（支承导轨）——耐磨性较好、硬度较高支承导轨各处使用机会难以均等，且修复困难动导轨总是全长接触，且动导轨短，磨损后易于维修长导轨不易防护回转运动导轨动导轨：较软的材料因为花盘或圆工作台导轨比底座加工方便些，磨损后可在机床上加工，以减少修理的工作量。1.铸铁铸铁——成本低有良好减振性和耐磨性易于铸造和切削加工导轨常用的铸铁——灰铸铁孕育铸铁耐磨铸铁灰铸铁应用最多的牌号是HT200孕育铸铁常用的孕育铸铁牌号是HT300耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨耐磨铸铁耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁与孕育铸铁相比，其耐磨性提高1～2倍，但成本较高常用于精密机床导轨铸铁材料热处理为了提高铸铁导轨的硬度，以增强抗硬粒磨损的能力和防止撕伤，铸铁导轨经常采用高频淬火，中频淬火及电接触自冷淬火等表面淬火方法。高频淬火是借助200～300kHz的高频电流对导轨面加热，淬火温度一般为900～950°C，淬火层深度可达1.5～3mm，硬度达48～55HRC，可使普通铸铁耐磨性提高2倍左右。铸铁材料热处理中频淬火可采用8kHz左右的中频电流进行，淬火温度一般为950°C左右，淬硬层可达2～3mm，表面硬度可达40～50HRC。高频及中频淬火的优点是淬火质量稳定，生产效率高，缺点是淬火后必须进行磨削加工。电接触自冷淬火表面硬度可达55～60HRC，淬硬深度可达0.2～0.4mm。这种淬火方法具有设备简单、操作方便、成本低、淬火变形小等优点，但由于淬硬深度较浅等原因，对导轨耐磨性提高幅度不大，目前主要用于维修。2.钢耐磨性要求较高时，采用淬硬钢制成的镶钢导轨；淬火钢的耐磨性比普通铸铁高5～10倍；镶钢导轨常用材料：45或40Cr表面淬硬或全淬透，硬度达到52～58HRC20Cr、20CrMnTi等渗碳淬硬至56～62HRC导轨工作面上不能钻孔，以免积存杂质导致磨损；镶钢导轨工艺复杂，成本高，主要用于数控机床的滚动导轨。粘结焊接螺钉连接3.有色金属有色金属镶装导轨常用于重型机床运动部件的动导轨上，与铸铁的支承导轨搭配，以防止咬合磨损、保证运动平稳性和提高运动精度。常用的材料有锡青铜ZQSn6-6-3、铝青铜ZQA19-2和锌合金ZZnAl10-5等。4.塑料塑料导轨具有良好的耐磨性能，落在导轨表面上的硬粒可挤入导轨内部，避免了磨粒磨损和撕伤；常用的塑料材料有锦纶、酚醛夹布塑料、环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯基滑动导轨软带等。在数控机床上，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨或注塑导轨注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉等混合而成贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨及铅粉等混合而成二、滑动导轨的结构滑动摩擦导轨截面的常用形式（一）导轨截形1.直线滑动导轨（1）矩形导轨承载能力大，制造方便。但磨损后不能自动补偿间隙。必须设置间隙调整装置。（2）三角形导轨具有自动补偿磨损的能力，故其导向性好，但制造较麻烦。顶角一般为90度，小于90度可提高导向精度，110～120度时可提高承载能力。设计时两斜面的比压要基本相等。（3）燕尾形导轨结构紧凑，高度较小，常用于多层次移动部件中（如车床刀架）。但制造较麻烦。不能自动补偿间隙。必须有消除间隙装置。（4）圆柱面导轨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，磨损后间隙调整困难，故常用于受轴向力为主的场合，如拉床、钻床的主轴和导向套组成的导轨副。2.圆周运动导轨用于圆工作台、转盘等旋转运动部件。（1）平面圆环导轨必须配有工作台心轴轴承，用得较多。（2）锥形圆环导轨能承受轴向和径向载荷，但制造较困难。（3）V形圆环导轨制造复杂。不管是直线还是圆环导轨，还可分为凸形导轨副与凹形导轨副（按固定导轨的凹凸情况）。凸形导轨副～不易积存切屑，但也不易存油，故常用于低速移动的场合。凹形导轨副～能存油，润滑条件好，用于速度较大的场合，但必须有充分的防护措施。（二）导轨的组合除圆柱导轨有时能单根使用外，导轨需两根（或两根以上）组合使用。重型机床常采用双矩形导轨。中、小型车床床身采用山形、矩形导轨组合。要求导向精度高的，采用双三角形导轨组合。要求结构紧凑，高度小，调整方便的采用燕尾导轨。从制造工艺性来看，矩形、圆形导轨好，三角形、燕尾形差。（三）导轨间隙的调整矩形、燕尾形导轨必须具有间隙调整装置。常用结构：1.压板（三）导轨间隙的调整2.镶条采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法（三）导轨间隙的调整三、滑动导轨的润滑与防护1.润滑：（1）人工定期直接加油或用油杯滴油。用于低速，不重要的导轨。（2）压力油强制润滑。2.导轨的防护四、滑动导轨的设计验算滑动导轨设计步骤：参考同类型机床初步拟定导轨的形状和尺寸验算滑动导轨的验算受力分析求出导轨的平均比压和最大比压与导轨的许用比压相对照，判断导轨设计是否合理。根据比压分布情况，判断是否需用压板（一）导轨比压的分布每条导轨面所受的载荷，都可最终归纳为一个其作用点距导轨中心距离为x的力F的作用。这个力又等价于一个作用于导轨中心的力F和一个颠覆力矩M的作用。在F作用下，导轨面的比压pF（MPa）：pF=F/aL在力矩M作用下，导轨面产生的比压pM（Mpa）pM=6M/aL2261322121aLpLaLpMMM==由于力F与力矩M同时作用，因此导轨所承受的最大、最小、平均比压分别为()aLFpppFLMaLFpppFLMaLFpppavMFMF=+=−=−=+=+=minmaxminmax216161比压出现的四种情况xM=FX6M/FLpmaxpmin分布100pavpav矩形理想2L/6FL/612pav0梯形尽量用3=L/6=FL/6=1=2pav=0梯形可用4L/6FL/610一端有间隙不用(二）导轨的许用比压比压：影响导轨耐磨性的一个主要因素导轨的支承面积应与导轨所承受的载荷相适应保证导轨面上的平均比压不超过许用值导轨的跨距、导轨长度、导轨截面的宽度与厚度等尺寸的选择，设计时查阅《机床设计手册》。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)两导轨之间的距离－工作稳定前提下尽可能减小三角形导轨的顶角（90ο）导轨结构尺寸的选择导轨主要尺寸的确定宽度BpLFB=F—载荷L—长度p—压强V形导轨角度θθ=90º研具刚性好,制造方便间距LA按稳定性指标考虑运动的导轨长度:L=(1.2-1.8)LA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)0VVVfdhbffLLLαα−−+−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温度变化对导轨间隙的影响承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。保证导轨在工作时不卡住∆min≥0保证导轨的工作精度∆max≤[∆max]导轨的刚度（－静刚度）计算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。计算接触变形－经验公式估算。1998-11-647导轨误差导轨的直线度误差1998-11-648如导轨的直线度误差对车削加工精度的影响1998-11-649车床前后导轨扭曲对加工精度的影响1998-11-6501998-11-651五、提高导轨耐磨性的措施1.合理选择材料及热处理导轨副中，固定导轨的材料应较硬，运动导轨的材料应较软。常用材料组合铸铁——表面淬火铸铁铸铁——淬硬钢铸铁——贴塑铸铁热处理：高频淬火，电接触淬火。2.减小导轨面压强——导轨的卸荷载荷的传递6－7－5－4－3－2使1处载荷减小。导轨的卸荷液压卸荷导轨，运动导轨面上开油腔（其面积比静压导轨小），压力油作用于油腔面，起到了卸荷作用。其它措施如：3.保证导轨良好润滑－油膜4.提高导轨精度－直线度、相对位置精度、粗糙度等。谢谢大家！