数控机床导轨保养与维修分析研究 机电工程专业

数控机床导轨保养与维修摘要本文论述了机床导轨的特点，以及常用的几种导轨的种类。在介绍机床导轨的同时针对不同类型导轨容易出现的故障，介绍了一些常用的保护机床导轨的方法来延长机床导轨的使用寿命。还论述了一些常用的机床导轨的维修方法，以及导轨修理前后的调整和精度的检测方法。关键字：导轨加工精度修理机床

目录摘要 I前言 1一、机床导轨概述 1（一）导轨面的基本要求 1（二）常见的几种滑行导轨 1（三）常见的几种滚动导轨 3二、机床导轨的技术要求 4（一）导轨的精度 4（二）导轨的硬度 6（三）导轨的稳定性 6三、机床导轨修理中常用的检具和量具 7（一）常用检具 7（二）常用量仪 10四、机床导轨的保护 11（一）导轨电接触表面淬火 11（二）用电刷镀保护机床导轨 12五、机床导轨的修理 13（一）刮研修复法 14（二）配磨修复法 14（三）粘接修复法 14（四）电刷镀一钎焊法修复法 16六、机床导轨的调整 17参考文献 19致谢 20前言机床导轨是车床上各个部件移动和测量的基准，也是各个部件的安装基础。起进度的好坏，直接影响到车床的加工精度：导轨精度的保持性对车床的使用寿命有很大的影响。机床在经过长期的使用运行后，导轨面会有一定程度的磨损，甚至还会出现导轨面的局部损伤，如刮痕、拉毛等，这些都会严重影响机床的加工精度。导轨磨损后的修理方法可根据实际情况确定。一般采用磨削方法修复，对磨损量较小的导轨或其他特殊情况也可采用刮研的方法。修复后的导轨要满足修复导轨的几何精度和恢复导轨面对于主轴箱、进给箱、齿轮、托架等部件安装表面的平行度。一、机床导轨概述机床的床身、立柱、工作台、床鞍、滑座等部件上均有导轨。由于各种导轨在工作时受力状况不同，所以导轨的形状和尺寸也不同。但机床导轨的质量必须满足机床的加工精度、工作能力以及使用寿命的要求。（一）导轨面的基本要求1.具有较高的导向精度，以保证运动的正确性。导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性。2.承载能力大，刚度好，根据承受载荷的性质，合理选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨有足够的刚度，保证机床的加工精度。3.精度保持性好，导轨原始精度丧失的主要原因是磨损。（二）常见的几种滑行导轨⒈滑动导轨滑动导轨是机床导轨中使用最广泛的类型，也是其他类型导轨的基础。滑动导轨按其导轨截形的形状可分为矩形导轨、三角形导轨、燕尾形导轨、圆柱形导轨、双三角形导轨、三角形－平面导轨等。2.矩形导轨矩形导轨按形状可分为凸形和凹形两种如图1所示，凸形导轨容易清除切屑，不易存留润滑油，故常用于低速移动的场合。凹形导轨能存油，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。矩形导轨承载能力大、刚度高、制造简便、检验、维修方便，但是存在侧隙、需用镶条调整，导向性差。常用在载荷大，导向性要求略低的机床。图1图2⑵三角形导轨三角形导轨如图2所示，它的特点具有自动补偿磨损的能力，故其导向性好，但制造较麻烦。三角形导轨面磨损时，动导轨会自动下沉，自动补偿磨损量，无间隙，顶角α在90°~120°范围内变化，α角越小，导向性越好，但摩擦力越大。因此小顶角导轨用于轻载精密机床，大顶角导轨用于大、重型机床。3.燕尾形导轨燕尾形导轨如图3所示，它可承受较大颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便，但刚度较差，加工、检验、维修不大方便。用于受力小、层次多，要求间隙调整方便的部件。图3图4图54.圆柱形导轨圆柱形导轨如图4所示，它制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙，主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。5.双三角形导轨双三角形导轨如图5所示，它具有导向精度高、承载能力大、精度保持性好；对温度变化较敏感。6.三角形－平面导轨如图6所示它导向精度高，承载能力大，对温度变化的不敏感性，工艺性好；磨损后不能自动调整间隙。图6（三）常见的几种滚动导轨即导轨副之间采用的是滚动摩擦形式。按滚动体的形状，可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨和直线滚动导轨块(副)组件等形式。它的优点是摩擦系数小、定位精度高、移动轻便、使用寿命长多数为油脂润滑，也有用油雾润滑。但抗振性差、制造困难、成本较高。1.滚珠导轨滚珠导轨结构简单，制造方便。但因接触面积小，故刚度低，一般适用于承载能力较小的场合，如工具磨床的工作台等。一般可调预紧力结构，用螺钉调节导轨间隙和预紧，可增加导轨刚度、运动精度和承受较大的倾侧力矩。2.滚柱导轨滚柱导轨承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于承载能力较大的机床。但它对导轨的平行度要求较高，否则将明显降低运动精度和使磨损加剧。因此，滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大0．02mm左右。3.滚针导轨滚针比滚柱的直径小，在相同的长度上可排列更多的滚针，因而承载能力大，结构紧凑，但摩擦力也要大一些。适用于尺寸受限制的场合。二、机床导轨的技术要求（一）导轨的精度导轨的几何精度它包括导轨的直线度和导轨之间的相互位置精度。1.导轨的直线度公差指导轨面弯曲不直的允许误差它的测量方法如图7所示是沿着导轨长度方向作一假想垂直平面M与导轨相截，其包容OPQ曲线与距离最小的两平行线之间的坐标值δ1，即为导轨在垂直平面内的直线度误差值。图7图8沿导轨水平方向一假想的水平平面H与导轨相截，如图所示8，得交线OFG，其包容线之间的坐标值δ2，即为导轨在水平平面内的直线度误差值。导轨的直线度误差有两种表示法：即导轨1m长度内的直线度允许误差和导轨全长内的直线度允许误差，一般机床导轨的直线度允许误差为0.015-0.02mm/1000mm。2.导轨面间的平行度公差指一组导轨（如平导轨和V形导轨）间的平行度允许误差，它是用横向上的角值误差Δα来表示（图9）。当滑板移动时，在横向1000mm宽度上的倾斜值h，其比值h/1000mm，即为其平行度误差（图10）。一般机床导轨的平行度允许误差为0.02-0.05mm/1000mm。图9图103.导轨间的垂直度公差指两条相互垂直导轨的位置精度。图114.导轨副的接触精度为保证导轨副的接触刚度及运动精度，导轨副的配合表面必须接触良好。对于刮研的导轨，以导轨表面每25mm×25mm面积内的接触斑点数，作为接触精度等级的评定指标，而对于磨削的导轨，则一般用接触面积大小作为评定指标。5.导轨的表面粗糙度刮研的滑动导轨面的表面粗糙度值在Ra1.6μm以下，磨削导轨和精刨导轨表面粗糙度应在Ra0.8μm以下；（二）导轨的硬度导轨的磨损是机床丧失精度的主要原因。为了减小导轨的磨损，导轨的硬度应在170HBS以上，并且在全长上硬度要一致。为了保持导轨的精度，与之相配的另一滑动件，其硬度应比导轨硬度稍低。（三）导轨的稳定性导轨稳定性是相对于变形而言的，要求导轨稳定，除了采用刚度足够的机体结构和优良的材质外，对机体还要进行良好的时效处理，以消除内应力，减少变形。表1导轨的材料铸铁HT200、HT300、高磷铸铁等表面淬火、镀铬、涂钼等钢碳素钢(40、T8A)、合金钢(20Cr、40Cr)渗碳、高频淬火等；镶装导轨有色金属黄铜、锡青铜、超硬铝、铸铝工程塑料聚四氟乙烯、聚酰胺等涂层、软带、复合导轨板三、机床导轨修理中常用的检具和量具（一）常用检具1.平尺主要用作导轨的刮研和测量的基准。平尺有桥形平尺、平行平尺和角度平尺3种。a)桥形平尺b)平行平尺c)角度平尺①桥形平尺上表面为工作面，用来刮研或测量机床导轨。②平行平尺有两个相互平行的工作面。③角度平尺用来检查燕尾导轨。平尺用灰口铸铁铸成，经机加工和热处理以消除内应力。工作面要刮削至25点／(25mm×25mm)(1级平尺)或20点／(25mm×25mm)(2级平尺)。2.方尺和直角尺用来检查机床部件之问垂直度的量具。常用的有方尺、平角尺、宽底座角尺和直角平尺4种。a)方尺b)平角尺c)宽底座角尺d)直角平尺3.垫铁一种检验导轨精度的辅助工具，主要用作水平仪和百分表等精密量具的垫铁。材料多为铸铁，根据使用目的和导轨形状不同，制成多种形状。a)平面垫铁b)凹v形等边垫铁c)凸V形等边垫铁d)凹v形不等边垫铁e)直角垫铁f)55°角形垫铁4.检验棒主要用来检查机床主轴和套筒类零部件的径向跳动、轴向窜动、同轴度、平行度等，是机床修理、装配的常用工具。检验棒一般用工具钢制成，经热处理和精密加工，精度较高。为减轻质量可制成空心结构，为便于装拆、保管，可做出拆卸螺纹和吊挂用孔。用完后应清洗、涂油、吊挂保存。检验棒按主轴结构和检验项目不同，可制成不同的结构形式。a)长检验棒b)短检验棒1—莫氏锥柄2—退卸螺母3—测量圆柱面c)圆柱检验棒5.检验桥板检验机床导轨面间相互位置精度的一种工具，一般与水平仪结合使用。根据不同形状的导轨，可制作不同结构的检验桥板，如图所示为常用的一种。检验桥板与导轨接触部分及本身的跨度可以更换和调整，以适应多种床身导轨组合的测量。1—半圆棒2—丁字板3一桥板4、5—圆柱螺钉6--滚花螺钉7—滑动支承板8—调整杆9—盖板10—垫板11—接触板12—圆柱头铆钉13—六角螺母14—平键（二）常用量仪水平仪主要用来测量导轨在垂直平面内的直线度、工作台面的平面度及零件问的垂直度和平行度等。有条形水平仪、框式水平仪和合象水平仪等。a)条形水平仪b）框式水平仪c)合象水平仪四、机床导轨的保护随着大型机床向高速、重载、高精度以及自动化方向的发展，改善机床导轨的工作条件，如何提高并保持机床导轨的精度日益引起人们的注意。由于铸铁导轨具有良好的减振耐磨性、稳定性、成本较低，一直是大多数机床设计人员的首选。但铸铁存在硬度低、组织疏松、毛坯缺陷多等弱点，承载较重的大型机床，容易造成导轨磨损、拉伤，从而降低了机床精度，影响产品质量。因此提高导轨表面的耐磨性与表面缺陷的快速修复十分必要。实践证明，表面淬火、电刷镀方法保护导轨是目前理想的手段。（一）导轨电接触表面淬火电接触表面淬火的主要原理是：用一个电极（石墨或紫铜滚轮）与工件紧密接触（图12），通过滚轮的低压强电流，在电极与工件接触表面形成电阻热使接触表面迅速加热，并通过压缩空气使工件表面迅速冷却，保证导轨表面形成极细的马氏体与片状石墨，达到表面淬火的目的，同时滚轮以一定的速度向前移动，这样就可以达到对整条导轨进行表面淬火的要求，经过实际测试采用此种方法淬火层可达到0.3～0.4mm，硬度为59～61HRC，淬火后再用磨光机对表面进行磨平处理，完全保证了机床导轨的设计要求，同时由于采用此种方法导轨变形小、投资少、操作简单、速度快，经济效益非常明显。目前集团公司的大型机床的平导轨、V形导轨均采用此种淬火、磨平方法，简单有效，其中一台淬火机一天可以完成3～5台长12～15m的机床导轨的表面淬火。图12（二）用电刷镀保护机床导轨在导轨表面刷镀金属或合金作为工作层也可以强化其表面硬度提高耐磨性，达到进一步降低粗糙度的要求，一般选用快速镍、镍钻钨合金、镍钨D合金作为工作层。其中快速镍合金电沉积速度快、硬度与45号钢相当，耐磨性好于淬火45号钢；镍钻钨合金和镍钨D合金性能相似，都具有很高的硬度（58～60HRC），耐磨性为45号钢的两倍，但电沉积速度较快速镍慢，因此对于一般中、小机床电刷镀快速镍即可达到保护导轨的目的，对于大型机床或精密度要求较高的机床，用镍钨D合金或镍钻钨合金工作层较理想。1.电刷镀配方

(1)快速镍配方。硫酸镍254g/L；梭酸钱盐56g/L；醋酸钱23g/L；草酸按0.1g/L；氨水（25%～28%）105mL；比重1.15；耗电系数0.104A•h/dm2•μm。

(2)镍钨D合金配方。硫酸镍393g/L；钨酸钠23g/L；硼酸31g/L；柠檬酸42g/L；元明粉6.5g/L；硫酸钴2g/L；添加剂2.8g/L；冰醋酸20ML/L；氟化钠5g/L；十二烷基硫酸钠0.01～0.001g/L；pH值1.4～2.4；耗电系数0.214A•h/dm2•μm。

(3)电刷镀预处理工艺。工业汽油清洗导轨表面→水砂纸打磨→丙酮精洗→电解除油（电压12V、机床接负极）→水洗→Ⅱ号电净（工件接正极、电压7V）→水洗→Ⅲ号电净（工件接正极、电压10～14V，再使工件接负极、电压6～8V）→水洗。特殊镍作电刷镀过渡层、水洗、电刷镀快速镍或镍钨D合金或镍钻钨合金。2.电刷镀阳极材料及镀液循环

(1)阳极材料。目前电刷镀普遍采用石墨作阳极，石墨有良好的导电性能，没有其他金属离子污染电镀液，但由于石墨脆性大，在高密度电流下容易发生崩落，同时石墨强度低，不易制作大型电极，金属易成型强度高，因此可用高纯度金属作阳极，但金属作阳极容易造成大量金属离子纳入电镀液，故要求电镀液必须含有络合力较强的络合剂，络合多余的金属离子，以保证电镀液的稳定并且要防止金属阳极在高密度电流下的钝化。电刷镀快速镍、镍钨D合金或镍钻钨合金，都采用电解金属镍作阳极。

制作的阳极要平整，导电板与镍板用不锈钢焊条均匀点焊，并在阳极底部镍板上钻3mm大的梅花状小孔，电刷镀阳极见图13。图13(2)镀液循环。可采用封闭法和断续浇淋法。封闭法：是将镀液封闭在槽内，阳极浸泡在镀液内进行电刷镀，此时电刷镀层全部被镀液浸泡，电镀液不易被空气氧化而影响电刷镀质量，一般适用于镀液较贵、电沉积速度较慢的合金电镀液。断续浇淋法：是将电镀液间断的浇在阳极上，使其自然消耗，为了减少电镀液的流失可在阳极背面加工一个凹槽，阳极底部钻小孔，镀液从小孔渗透到脱脂棉上进行涂镀，此种方法电镀液流失较多，一般用于速度快、电镀液比较便宜的电刷镀。

(3)镀层厚度控制。镀层厚度计算公式：δ=I•t/C•S。其中δ为镀层厚度（μm），I为电流（A），t为时间（h），S为面积（dm），C为镀液耗电系数（A•h/dm2•μm）。其中镀层厚度越均匀，导轨精度越高，镀层均匀性受阳极形状、阳极包套厚度均匀性、阳极导电性影响等，一般电镀层厚度在0.05～0.08mm，不均匀性可以控制在0.003mm之内。五、机床导轨的修理机床导轨及其它摩擦副，在长期的使用过程中，由于两个接触面间存在不同程度的摩擦，使摩擦副表面产生不同程度的磨损，严重时影响机床的加工精度和生产效率。机床导轨修理的常用方法有刮研修复法、配磨修复法、粘接修复法、电刷镀一钎焊法修复法等（一）刮研修复法通过导轨与标准检具(或与其相配的件)配研和刮削，使导轨精度达到要求的修复方法。刮研修复法具有精度高、表面美观、存油情况良好和耐磨性好等优点，但劳动强度大、生产效率低，一般适用于高精度机床，或者条件较差的工厂和车间的设备修理。机床导轨一般都是成组导轨，刮研时，首先按导轨修理原则确定出作为基准的导轨面，并利用标准检具研点进行刮削，使其平面度达到技术要求，然后再以它为基准，刮削其他导轨面，完成整个机床导轨的刮削并达到技术要求。（二）配磨修复法机床床身导轨和配合件(工作台、床鞍等)的导轨，都采用磨削加工来达到要求。因此不用手工刮研，大大地提高了劳动生产率，但在工艺装备中要提供一套合格的导轨副研具。（三）粘接修复法机床导轨局部磨损后，为了延长机床使用寿命,降低设备运行成本，采用聚四氟乙烯板代替金属板粘补导轨，修复磨损的导轨。1.聚四氟乙烯的特点和性能聚四氟乙烯俗称“塑料王”。它具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑、不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。能在+250℃至-180℃的温度下长期工作，各类聚四氟乙烯制品已在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁等国民经济领域中起到了举足轻重的作用。聚四氟乙烯的优点：①耐高温——使用工作温度达250℃。②耐低温——具有良好的机械韧性；即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率。③耐腐蚀——对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。④耐气候——有塑料中最佳的老化寿命。⑤高润滑——是固体材料中摩擦系数最低者为0.07—0.14。⑥不粘附——是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。⑦无毒害——具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应。2.粘结工艺和方法①粘结剂的准备和配方粘补材料采用活化填充聚四氟乙烯板,活化填充聚四氟乙烯板粘结面活化剂采用钠—萘离子混合物(配方为钠与萘重量比1∶5,150g钠萘混合物溶于1L无水四氢呋喃,隔绝水分与空气贮存,以防钠爆炸),铸铁导轨表面活化剂采用碘化钾—磷酸水溶液。粘结剂采用自配的双组分聚氨酯胶（用铁锚-10l聚氨酯胶，按甲组分：乙组分=100：50(质量份数)配制胶液，在胶液中拌入直径∮为0.1mm、长为20mm的细铜丝，使导轨与塑料板之间保持足够空隙，不致使胶液全部挤出。）②活化填充聚四氟乙烯板的表面处理1）用丙酮擦拭聚四氟乙烯板。清洗后的表面不要用手去摸，以免污染导轨面。用2-3#砂纸将胶结面交叉打毛2)用钠—萘离子络合物擦拭10min。3)用丙酮洗除残留混合物。4)用去离子水冲刷掉残留物。5)用电吹风吹干。③导轨的表面处理为了获得最佳的粘接强度，被粘接导轨面的表面粗糙度以Ra12.5--6.3um为宜。1)刨平轨面如下、6、7面，用2-3#砂纸打毛。2)用喷灯烘烤除油。3)用3%磷酸三钠和3%硫酸钠水溶液刷洗除油。4)用去离子水清洗掉残留物。5)用含50g/L碘化钾的50%磷酸水溶液刷洗,使表面形成一种特殊的氧化铁层。6)用去离子水清洗掉残留物。7)用电吹风干燥。④粘结1）在聚四氟乙烯和铸铁导轨两个粘接面都需分别涂刷聚氨酯两次，涂得薄而均匀,第一次涂完后,放置3-5min,再涂第二次,放置15-20min。2）待胶层发粘有拉丝现象后，再将塑料板与导轨叠合，用圆棒或大直径轴承进行推压，使胶接面内的空气排除干净。3）在另一导轨面涂磨一层薄薄的机油,防止与其粘住。将床鞍安装在床身导轨面上,或用压板,加压5×104~10×104Pa。因冬、夏温差大，会引起塑料膨胀或收缩，产生内应力而裂开，因此固化温度最好保持在20-25℃之间，固化时间1-2天。4）去压,用刮刀等工具修整工作面及边角，配刮导轨面，修整导轨直线度，平度，达到规定的要求，结合面接触面达到70%以上。（四）电刷镀一钎焊法修复法对于铸铁导轨而言由于铸铁导轨具有良好的减振耐磨性、稳定性、成本较低，一直是大多数机床设计人员的首选。但铸铁存在硬度低、组织疏松、毛坯缺陷多等弱点，承载较重的大型机床，容易造成导轨磨损、拉伤，从而降低了机床精度，影响产品质量。因此常采用电刷镀一钎焊法快速修复机床导轨的表面缺陷。铸铁含碳量较高，组织疏松，直接在上面钎焊结合力较差，为此可以选用镍作为过渡层，碱铜作中间层，其中镍作为过渡层或底层与基体结合力好，碱铜作为中间层既可与镍牢固结合，又可与钎焊层锡秘合金结合，并且锡秘合金熔点低、流动性、韧性、耐磨性都比较好，同时其硬度、熔点可根据合金成分在一定范围内调整，结合实际情况，制定具体工艺如下：1.表面处理

导轨表面处理（除油、灰尘）。电解除油→水洗→Ⅱ电净→Ⅲ电净→刷过渡层镍2～3μm→水洗→刷镀碱铜→水洗→酸洗→钎焊锡秘合金→磨平钎焊层→刷镀前处理→刷镀。

特别强调的是：刷镀前一定要将导轨损伤处的机油、灰、砂，用汽油洗净并除去严重的疲劳层，否则将严重影响焊层结合强度。刷镀碱铜层时易氧化，氧化层会影响焊层锡秘合金的结合强度，因此在焊前要用盐酸洗去氧化膜，同时盐酸不能涂得太多，否则会对基体产生腐蚀，使锡秘合金焊层产生许多针孔。

2.镍配方和工艺

硫酸镍330g/L；冰醋酸30mL/L；氨基乙酸20mL/L，耗电系数0.42A•h/dm2•μm；pH值0.8-1；阴阳极相对运动速度10～25