《机械设计》-第十八章 直线导轨

第一节概述直线导轨的作用是支承和引导运动部件按给定的方向做往复直线运动。两个做相对运动的部件形成一对导轨副。在如图18一1所示导轨副中，设在支承部件2上的配合面称为静导轨，它比较长;设在运动部件1上的配合面称为动导轨，动导轨面一般比较短。具有动导轨的运动部件常称为工作台、滑台、滑板、导靴、头架等。动导轨可以是一个专门的零件，也可以是一个零件上起导向作用的部分。一、导轨的分类按摩擦性质导轨可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨的两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦。按其摩擦状态又分为:静压导执、动压导轨和普通滑动导轨。静压导轨和动压导轨的工作原理分别与静压滑动轴承和动压滑动轴承的相同，导轨面间有一层液体膜，可实现液体摩擦。静压导轨适用于各种大型、重型机床，精密机床，数控机床的工作台。下一页返回第一节概述动压导轨主要用于速度高、精度要求一般的机床主运动导轨。滑动导轨常指普通滑动导轨，其摩擦状态一般为边界摩擦或混合摩擦。这是滑动导轨最常见的一种，可广泛应用于各类机械。滚动导轨两导轨面间的摩擦性质是滚动摩擦。它分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。滚动导轨广泛应用于各类精密机械、数控机床、精密机床、纺织机械等。按受力情况，导轨又可分开式导轨和闭式导轨两类。开式导轨必须借助于外力(例如重力)才能保证动、静导轨面间的接触(图18一2(a))，从而保证运动部件按给定方向作直线运动，这种导轨承受垂直于导轨面方向的载荷能力较大，承受偏载和倾覆力矩的能力较差;闭式导轨则依靠导轨本身的几何形状保证动、静导轨面间的接触(图18一2(b))，这种导轨可承受任何方向载荷的作用。上一页下一页返回第一节概述二、导轨的基本要求(1)导向精度。导向精度是指运动部件按给定方向做直线运动的准确程度，它主要取决于导轨本身的几何精度及导轨配合间隙。导轨的几何精度一般包括:垂直平面和水平平面内的直线度;两条导轨面间的平行度。可用导轨全长上的误差或单位长度上的误差表示导轨几何精度值。(2)精度保持性。精度保持性是指导轨在工作过程中保持原有几何精度的能力。导轨的精度保持性主要由导轨耐磨性决定。耐磨性主要取决于导轨副材料与匹配、受力情况、加工精度、润滑方式和防护装置的性能等因素。(3)运动精度。包括低速运动平稳、无爬行、定位准确。它与导轨结构和润滑、动静摩擦系数差值，以及传动系统刚度有关。上一页下一页返回第一节概述(4)足够的刚度。在载荷的作用下，导轨的变形不应超过允许值。刚度不足不仅会降低导向精度，还会加快导轨面的磨损。刚度主要与导轨的类型、尺寸以及导轨材料有关。(5)结构工艺性好。导轨的结构应力求简单，便于制造、检验和调整，从而降低成本。(6)具有良好的润滑和防护装置。三、导轨的设计程序及内容(1)根据机器的工作条件、性能特点、精度要求，选择导轨的结构类型、导轨截面形状。(2)进行导轨的力学计算，确定结构尺寸。(3)确定导轨副的间隙、公差和加工精度。上一页下一页返回第一节概述(4)选择导轨材料、摩擦面硬度匹配、表面精加工和热处理方法。(5)选择导轨的预紧载荷，设计预紧载荷的加载方式与装置。(6)选择导轨面磨损后的补偿方式和调整装置。(7)选择导轨的润滑方式，设计润滑系统和防护装置。上一页返回第二节滑动导轨一、滑动导轨的类型、特点及应用导轨由凸形和凹形两种形式相互配成导轨副(图18-3)。当凸形导轨为下导轨时，不易积存切屑、脏物，但也不易保存润滑油，故宜做低速导轨，例如车床的床身导轨。凹形导轨做下导轨则相反，可做高速导轨，如磨床的床身导轨，但需有良好的保护装置，以防切屑、脏物掉入。

1.导轨截面的基本形式按导轨的截面形状，滑动导轨可分为V形、矩形、燕尾形和圆形等(图18一3)。(1)V形导轨。导轨磨损后能自动补偿，故导向精度较高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为900。为增加承载面积，减小压强，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角(1100~1200)为提高导向性，采用较小的顶角(600)。下一页返回第二节滑动导轨(2)矩形导轨。矩形导轨的特点是结构简单，制造、检验和修理较易。矩形导轨可以做得较宽，因而承载能力和刚度较大，应用广泛。缺点是磨损后不能自动补偿间隙，用镶条调整时，会降低导向精度。(3)燕尾形导轨。主要优点是结构紧凑，调整间隙方便。缺点是几何形状比较复杂，难于达到很高的配合精度，并且导轨中的摩擦力较大，运动灵活性较差，因此，通常用在结构尺寸较小及导向精度与运动灵活性要求不高的场合。(4)圆形导轨。圆形导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于获得较高的精度;缺点是导轨间隙不能调整，特别是磨损后间隙不能调整和补偿，闭式圆形导轨对温度变化比较敏感。为防止转动，可在圆柱表面开槽或加工出平面(图18-4)。上一页下一页返回第二节滑动导轨2.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3一4条导轨。常用滑动导轨的组合形式有:(1)双V形组合(图18-5(a))。两条导轨同时起着支承和导向作用，故导轨的导向精度高，承载能力大，两条导轨磨损均匀，磨损后能自动补偿间隙，精度保持性好。但这种导轨的制造、检验和维修都比较困难，因为它要求四个导轨面都均匀接触，刮研劳动量较大。此外，这种导轨对温度变化比较敏感。

(z)v形和平面形组合(图18-5(b))。这种组合保持了双v形组合导向精度高、承载能力大的特点，避免了由于热变形所引起的配合状况的变化，且工艺性比双v形组合导轨大为改观，因而应用很广。缺点是两条导轨磨损不均匀，磨损后不能自动调整间隙。上一页下一页返回第二节滑动导轨(3)矩形和平面形组合(图18一5(c))。承载能力高，制造简单。间隙受温度影响小，导向精度高，容易获得较高的平行度。侧导向面间隙用镶条调整，侧向接触刚度较低。(4)双矩形组合(图18-5(d))。特点与矩形和平面形组合相同，但导向面之间的距离较大，侧向间隙受温度影响大，导向精度较矩形和平面形组合差。(5)燕尾形和矩形组合(图18一5(e))。能承受倾覆力矩，用矩形导轨承受大部分压力，用燕尾形导轨做侧导向面，可减少压板的接触面，调整间隙简便。(6)V形和燕尾形组合(图18-5(f))。组合成闭式导轨的接触面较少，便于调整间隙。V形导轨起导向作用，导向精度高。但加工和测量都比较复杂。上一页下一页返回第二节滑动导轨(7)双圆形组合(图18-5(g))。结构简单，圆柱面既是导向面又是支承面。对两导轨的平行度要求严。导轨刚度较差，磨损后不易补偿。(8)圆形和矩形组合(图18一5(h)。矩形导轨可用镶条调整，对圆形导轨的位置精度要求较双圆形组合要求低。二、导轨间隙的调整为了保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小会增大摩擦力，间隙过大又会降低导向精度。为此，常采用镶条和压板来调整导轨的间隙。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。上一页下一页返回第二节滑动导轨平镶条如图18-6所示，它是靠调整螺钉1移动镶条2的位置来调整间隙的。图18-6(c)在间隙调整好后，再用螺钉3将镶条2紧固在动导轨上。平镶条调整方便，制造容易，但图18-6(a)和图18-6(b)所示的镶条较薄，而且只在与螺钉接触的几个点上受力，容易变形，刚度较低。图18-7是常用的楔形镶条。镶条的两个面分别与动导轨和静导轨均匀接触，以其纵向位移来调整间隙，所以比平镶条刚度高，但加工稍困难。楔形镶条的斜度为1:100~1:40，镶条越长斜度应越小，以免两端厚度相差太大。图18一7(a)所示调整方法是用调节螺钉1带动镶条2做纵向移动来调节间隙。镶条上的沟槽a在刮配好后加工。这种方法构造简单，但螺钉头凸肩和镶条上的沟槽之间的间隙会引起镶条在运动中窜动。图18一7(b)所示调整方法是从两端用螺钉3和5调节，避免了镶条4的窜动，性能较好。上一页下一页返回第二节滑动导轨图18一7(c)所示方法是通过螺钉6和螺母7以及定位零件9来调节镶条8，镶条8上的圆孔在刮配好后加工。这种方法调节方便而且能防止镶条的窜动，但纵向尺寸稍长。2.压板压板用于调整辅助导轨面的间隙并承受倾覆力矩，如图18一8所示。图18一8(a)所示结构是用磨或刮压板3的e和d面来调整间隙的。压板的d面和e面用空刀槽分开。间隙大时磨或刮d面，间隙太小时则磨或刮已面。这种方式结构简单，应用较多，但调整比较麻烦，适用于不常调整、导轨耐磨性好或间隙对精度影响不大的场合。图18一8(b)所示是用改变压板与接合面间垫片4的厚度的办法来调整间隙。垫片4是由许多薄铜片叠在一起，一侧用锡焊，调整时根据需要进行增减。这种方法比刮或磨压板方便，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。上一页下一页返回第二节滑动导轨三、滑动导轨的设计计算1.压强验算导轨的失效形式主要是磨损，而导轨的磨损又与导轨表面的压强密切相关。因此，当选定导轨的结构尺寸后，应验算导轨面的压强，使其限制在允许的范围内。(1)导轨面上的压强。为了便于计算，作如下假设:①导轨本身刚度大于接触刚度，只考虑接触变形对压强的影响;②接触变形和压强沿导轨长度方向线性分布，沿导轨宽度方向均匀分布。每个导轨面上的载荷都可以简化为一个集中力F和一个倾覆力矩M，如图18一9所示。当导轨面上作用有法向力F(N)和倾覆力矩M(N·m)时，其最大、最小及平均压强分别为上一页下一页返回第二节滑动导轨(2)主导轨面上的最大压强。当M/(FL)<1/6时，主导轨面上的最小压强为正，可以用开式导轨。这时，主导轨面上的最大压强用式(18一1)计算。当Ml(FL)>1/6时，主导轨面上的最小压强为负，应采用辅助导轨面和压板。此种情况下，主导轨面上的最大压强可按下式计算式中，Km为考虑压板和辅助导轨面的影响系数，如图18一10所示;K△为间隙影响系数，如图18一11(a)所示。K△值和压板与导轨的间隙△、接触刚度kH以及平均压强Pm有关。对于精度较高的一般机械和中型普通机床，可取△=20~30μm;接触刚度kH按表18一1选取。上一页下一页返回第二节滑动导轨当导轨上只有倾覆力矩作用时(F=0)，考虑间隙、刚度的影响，取式中，为由倾覆力矩引起的最大压强(MPa);系数k-1m根据参数m按表18-2选取，系数K-1

△根据参数m和kH

△

/pM按图18一11(b)选取。(3)辅助导轨面上的最大压强。当导轨面上作用有法向力F和倾覆力矩M时，辅助导轨面最大压强可按下式计算式中，Dmax是主导轨面上的最大压强;K'是系数，其值如图18一12所示。上一页下一页返回第二节滑动导轨(4)许用压强。为了保证导轨有足够的耐磨性，设计导轨时，应使导轨面上的平均压强不超过许用平均压强，最大压强不超过许用最大压强，即不同工作条件下导轨的许用压强值不同。铸铁导轨的许用平均压强和许用最大压强见表18一3,钢导轨可将表中数值提高20%一30%。2.运动部件不被卡住的条件设计导轨时，必须合理确定驱动力的方向和作用点，使导轨的倾覆力矩尽可能小。否则，将使导轨中的摩擦力增大，磨损加剧，从而降低导轨运动灵活性和导向精度，严重时甚至使导轨卡住而不能正常工作。因此，需要研究运动部件不被卡住的条件。上一页下一页返回第二节滑动导轨设驱动力作用在通过导轨轴线的平面内，驱动力F的方向与导轨运动方向的夹角为a,作用点离导轨轴线的距离为H(图18一13)，为了便于计算，略去导轨面间的配合间隙和运动部件质量的影响。对于不同截面形状的组合导轨，由于两根导轨的摩擦力不同，驱动运动部件的驱动元件(螺旋副、齿轮一齿条或其他传动装置)的位置应随之不同。例如，对图18一14所示的V形一平面组合导轨，因V形导轨上的摩擦力要比平面导轨的大，摩擦力的合力作用在0点，且c>b，因此，驱动元件的位置应该设在0点，从而消除运动部件移动时转动的趋势，使运动部件移动平稳而灵活。3.导轨主要结构尺寸的确定导轨的主要尺寸有动导轨和静导轨的长度、导轨宽度、两导轨之间的距离等。上一页下一页返回第二节滑动导轨增大动导轨长度L，有利于提高导轨的导向精度和运动灵活性，但却使运动部件的尺寸和重量加大。因此，设计时一般取L=(1.2~1.8)a，其中a为两导轨之间的距离。如结构允许，则可取L≥a。静导轨的长度则主要取决于动导轨的长度及工作行程。导轨宽度b可根据导轨面上的压强不超过许用压强的条件求出。两导轨之间的距离a减小，则导轨尺寸减小，但导轨稳定性变差。设计时应在保证导轨工作稳定的前提下，减小两导轨之间的距离。四、提高导轨耐磨性的措施1.合理选择导轨的材料及热处理用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦系数小，并具有良好的加工和热处理性质。(1)铸铁。上一页下一页返回第二节滑动导轨(2)钢。(3)有色金属。(4)塑料。2.减小导轨面压强(1)静压卸载导轨(图18一15)。在运动件导轨面上开有油腔，通入压力为P的液压油，对运动件施加一个小于运动件所受载荷的浮力，以减小导轨面的压力。油腔中的液压油经过导轨表面宏观与微观不平度所形成的间隙流出导轨，回到油箱。(2)机械卸载导轨(图18一16)。选用刚度合适的弹簧，并调节其弹簧力，以减小导轨面直接接触处的压力。3.保证导轨良好的润滑和防护4.提高导轨的精度上一页返回第三节滚动导轨一、滚动导轨的类型及结构特点滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨等。(l)滚珠导轨。如图18一17(a)所示，具有结构紧凑、制造容易、成本相对较低的优点，缺点是刚度低、承载能力小。(z)滚柱导轨。如图18一17(b)所示，具有刚度大、精度高、承载能力大的优点，主要缺点是对配对导轨副平行度要求过高。(3)滚针导轨。如图18一17(c)所示，具有承载能力大，径向尺寸比滚珠导轨紧凑的优点，缺点是摩擦阻力稍大。(4)十字交叉滚柱导轨。如图18一17(d)所示，滚柱长径比略小于1。具有精度高、动作灵敏、刚度大、结构较紧凑、承载能力大且能够承受多方向载荷等优点，缺点是制造比较困难。下一页返回第三节滚动导轨按滚动体是否循环，滚动导轨分为循环式滚动导轨和非循环式滚动导轨。非循环式滚动导轨通常称为滚动导轨，而把循环式滚动导轨称为直线运动滚动支承。二、滚动导轨的预紧使滚动体与滚道表面产生初始接触弹性变形的方法称为预紧。预紧导轨的刚度比无预紧导轨的刚度大，在合理的预紧条件下，导轨磨损较小，但是导轨的结构较复杂，成本较高。(1)采用过盈装配形成预加载荷(图18一18(a))。装配导轨时，根据滚动体的实际尺寸A，刮研压板与滑板的接合面或在其间加上一定厚度的垫片，从而形成包容尺寸A一△(△为过盈量)。上一页下一页返回第三节滚动导轨(2)用移动导轨板的方法实现预紧(图18一18(b))。预紧时先松开导轨体z的连接螺钉(图中未画出)，然后拧动侧面螺钉3,即可调整导轨体1和2之间的距离而预紧。此外，也可用镶条来调整，这样，导轨的预紧量沿全长分布比较均匀，故推荐采用。三、导轨主要参数的确定1.导轨的长度在满足导轨最大位移Smax的前提下，应尽可能减小动导轨的长度L。由图18一19可知上一页下一页返回第三节滚动导轨2.滚动体的尺寸和数量增大滚动体直径，可以减小摩擦系数和接触应力，不易产生滑动。若采用滚柱，推荐其直径d为6~8mm，滚柱的长径比b/d-1.5~2.0。滚动体的数量取决于导轨的长度和刚度条件，每一条导轨上一般不少于12~16个。若数量过多，会因制造误差引起载荷分布不均匀。推荐取滚珠数量滚柱数量3.导轨强度计算滚动导轨支承的运动件(图18一20)可能承受的外载荷有沿y-,z轴的力Fy,Fx和绕x,y,z轴的力矩Mx,My,Mz。通过力学计算可以求出受力最大的滚动体所受的力Fmax。上一页下一页返回第三节滚动导轨按接触区不产生塑性变形计算导轨面的静强度，强度条件为作用于一个滚动体上的许用载荷[F]由下式求得对滚珠导轨对滚柱导轨式中，d为滚珠或滚柱直径(mm);b为滚柱长度(mm);K1为材料系数(MPa)，按表18一4选取;K2为硬度系数，按表18一5选取;K3为精度系数，按表18一6选取。4.接触变形导轨的接触变形量为上一页下一页返回第三节滚动导轨对于滚珠导轨对于滚柱导轨上两式中，F为一个滚珠上的载荷(N);F1为一个滚柱单位长度上的载荷(N/μm);k为滚珠导轨的接触刚度(N/μm)，按图18一21(a)选取;k1为滚柱导轨的接触刚度(N/(μm·mm)，按图18一21(b)、(c)选取。5.直线滚动导轨副的选用计算直线运动滚动导轨副的典型结构如图18-22所示，它已标准化，由专业化工厂生产，采用这种导轨，能缩短导轨设计制造周期，提高质量。(1)额定寿命计算。直线运动滚动导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同，其计算公式为:上一页下一页返回第三节滚动导轨式中，L为额定寿命(km);C为基本额定动载荷(kN)，从样本中查取;Pd当量动载荷(KN);ε为寿命指数，当滚动体为球时，ε=3，当滚动体为滚子时，ε=10/3;K为额定寿命单位，当滚动体为球时，K=50km，当滚动体为滚子时，K=100km;fh为硬度系数，按图18一23选取，通常滚道硬度不低于58HRC,故可取.fh=1.ft为温度系数，按表18一7选取;fc为接触系数，按表18一8选取;fa为精度系数，按表18一9选取;fw为载荷系数，按表18一10选取。(2)额定静载荷。按导轨静强度作校核计算的公式为式中，Co为额定静载荷(KN)，从样本中查取;P0为静载荷或冲击载荷(KN)fs为静态安全系数，按表18一11选取。上一页下一页返回第三节滚动导轨四、滚动导轨的材料和热处理对滚动导轨材料的主要要求是硬度高、性能稳定以及良好的加工性能。滚动体的材料一般采用滚动轴承钢(GCr15)，淬火后硬度可达到60~66HRC。常用的导轨材料有:(1)低碳合金钢。如20Cr，经渗碳(深度1~1.5mm)淬火，渗碳层硬度可达60~63HRC。(2)合金结构钢。如40Cr，淬火后低温回火，硬度可达45~50HRC，加工性能良好，但硬度较低。(3}合金工具钢。如铬钨锰钢(CrWMn)，淬火后低温回火，硬度可达60~64HRC,这种材料的性能稳定，可以制造变形小、耐磨性高的导轨。上一页下一页返回第三节滚