1、直线导轨的结构设计直线导轨的结构设计（含滚动导轨）newmaker1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准 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
2、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前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整, 降低成本。不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提岀相应的设计要求。必须指岀，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.选择导轨的截面形状，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
3、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.选择合理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、精加工和测量方法等。3导轨的结构设计1.滑动导轨（1）基本形式（见图21-10 ）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(110120 ;为提高导向性，采用较小的顶角( 60。如果导轨上所受的力，在两个
4、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岀平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的
5、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21-12图21-12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
6、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，如果运动 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 21-1
7、3。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液压锁紧装置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。提高导轨的耐磨性，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。提高导轨耐磨性的措施有:1） 选择合理的比压 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
8、（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。它具有成本低，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HT200HT400，硬度以HB=180200较为合适。适当
9、增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可提高导轨的耐磨性。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=180220，耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。若加入一定量的铜和钛，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510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
10、螺 钉。结构上不便于从下面伸入螺钉固定时，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。图21-16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，成本较低。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 为提高铸铁导轨的耐磨性，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
11、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，使导轨不外露等办法。（6）结构尺寸的验算Amin01）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等于零，即导轨的最小间隙用下式计算：min=Dmin1+ a k（
12、ttO）-dmax1+ a z（t-tO） （mm）式中t-工作温度（C）tO-制造时温度（C）Dmin-包容件在tO时的最小尺寸（mm）dmax-被包容件在tO时的最大尺寸（mm）a -包容件材料的线膨胀系数（1/ C ）az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 Amax应小于或等于允许值，即 maxqmax导轨的最大间隙用下式计算：max=Dmax1+a k（t-tO）- dmin1+ a z（ttO） （mm）式中Dmax-包容件在tO时的最大尺寸（mm）dmin-被包容件在tO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
13、，应注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。表 21-6筒 0衣力情况不自锁条件备 注1*1_件用力在畀轨的柚找 平函内，且馬导轨的 迄动另向戢*角抽南力Fa-D tanvF%/ (cos Y -Ls i nY (2L) AL逹动件的径向尺寸不 计！匚一当量摩攥系 #t: 口一力作用点与导 鞅乗近支承点的距 孰匚一孑戟页支承点 J 1代事11* LBJflfi r 件囲力匸平行于导轨为1 rn/L 1 An/L 1/2 rf为便号轨売寿7希璽L7 口値小一些对于i型和
14、巨形导轨可取FVL (2一灣动摩搏系戴对于HI那导轨，可较R/L (1.5廿于越毘型导轨，可职.F1/L 3 （d ） 1/2公斤时，（d为滚珠直径，毫米），载荷的分布比较均匀。在滚柱导轨中，增加滚柱的长度，可减小接触应力和增大刚度，但载荷分布的不均匀性也增大。对 于钢制摸削导轨，滚柱导轨和直径之比l/d1.5，对于铸铁导轨，l/d可增大些（滚柱直径一般不小于 6毫米, 滚针直径不小于4毫米）。图21-22(a)当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变 形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置I时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动 到位置H或山
15、时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜 a角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，见图21-23，则在自重和载荷作用下产生弹性变形， 会使工作台下凹(有时还可能岀现波浪形)，影响导轨的精度。3.5 I 15 斤一 -3/LCL7/1DLI 滦动悴吏形对工作台前影响图21-23为减小导轨变形，提高刚度，除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的厚度外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。图 21-18所示的燕尾形滚动导轨，用移动导轨板获得并控制预加载荷。试验证明：随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度 不会显著提高。牵
16、引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧 增加。因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。4）技术要求：导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度， 设计时应根据使用要求，制定岀滚动导轨的若干技术条件，下列项目和数据可供参考：两导轨面间的不平度一般为 3微米；导轨不直度一般为10-15微米，精密的小于10微米。滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于 2微米，每组滚动体的直径差不大于1微米；对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于 1微米，每组滚动体的直径差不大于 0.5微米；滚柱的锥度在滚柱长度范围内，大小端直径差小于 0.5-1微米；表面光洁度通常应刮研；在 25X25厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取 下限。
