第2章 机械系统设计(4导向支承部件概述及滑动导轨副结构及选择)

1、第二章机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计,第三节导向支承部件的选择与设计,内容,支承部件概述滑动导轨副结构及选择滚动导轨副类型与选择静压导轨副工作原理,2机械系统设计,2机械系统设计导向支承部件,1支承部件概述,支承件功用支承件基本要求支承件的设计步骤导轨副的组成、种类及应满足要求,支承机床各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机,一、支承件功用(Structuralelements),1足够的静刚度和较高的刚度重量比要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一

2、定的数值。重量占机床总重量的80以上，应尽量减轻支承件的重量。2良好的动态特性包括较大的动刚度和阻尼；与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。,二、支承件基本要求,3应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度的影响较小由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力.在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形。热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。4应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。,根据其使用要求进行受力分析根据所受的力和其它要求(如排屑、安装别的零部件等

3、)，并参考现有机床的同类型件，初步决定其形状和尺寸。可以用有限元法(Finiteelementmethod)借助计算机进行验算，求得其静态和动态特性。据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案。,三、支承件设计步骤,支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。,四、导轨副的组成、种类及应满足要求,定义,组成：主要由定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件等组成。各种机械运行时，由导轨副保证执行件的正确运动轨迹，并影响执行件的运动特性。支承导轨用以支承和约束运动导轨，使之按功能要求作正确的运动。,导轨副的组成,导轨副的种

4、类,1)按导轨副运动导轨的轨迹分类（a）直线运动导轨副支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。（b）旋转运动导轨副支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。即只有一个自由度（直线或回转运动）,2)按导轨副导轨面间的摩擦性质分类,按两导轨面间的摩擦状态,按滚动体,3)按导轨副结构分类,（a）开式导轨依靠外载荷和部件自重，使两导轨面在全长上保持贴合的导轨。开式导轨一般受温度变化的影响较小。,只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触。可用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合。闭式导轨一般受温度变化的影响较小。,（b）闭式导轨,常用导轨

5、副结构示意图,4)按直线运动导轨副的基本截面形状分类,凹形,凸形,圆形,燕尾槽,不对称三角形,对称三角形,矩形,5）按工作性质分,主运动导轨进给运动导轨调位导轨调位导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动.例如车床尾架用的导轨,机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力、使用寿命,导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承，必须符合三点定位原理。,导轨副应满足的基本要求,(1)导向精度导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动

6、的准确程度。导向精度的高低，主要取决于:导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度；装配质量导轨的配合间隙，以及液体动压和静压导轨油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的刚度和热变形等。,直线运动导轨的几何精度:导轨在垂直平面内和水平平面内的直线度;两导轨面间的平行度，也叫扭曲度。,（2）刚度导轨的刚度就是抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。,导轨的刚度（要求）：导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。通常分为：静刚度抵抗恒定载荷的能力。动刚度抵抗交变载荷的

7、能力。每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部刚度。在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。,(3)精度的保持性它主要由导轨的耐磨性决定。耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。导轨的耐磨性，主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等。可采用润滑和保护。,精度保持性要求：指导轨副表面的耐磨性（耐磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。主要包括：初期耐磨性和耐磨精度保持性两部分，以及耐磨精度失效特性。初期耐磨性摩擦副

8、初期磨损阶段特性。耐磨精度保持性摩擦副正常磨损阶段特性。耐磨精度失效特性摩擦副剧烈磨损阶段特性。,(4)运动的灵活性和低速运动的平稳性低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。,(5)对温度的敏感性和结构工艺性导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。设计导轨时，要注意制造

9、、调整和维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。,结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从面最大限度的降低成本。,（6）疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。,注意：以上这些导轨运动副应达到的要求仅是导轨设计中最基本的要求，在导轨设计中，还应依据导轨应用的实际情况，采取相应的措施，尽可能的满足。,2滑动导轨副结构及选择,导轨副截面形状及特

10、点导轨副组合形式导轨副间隙的调整导轨副材料的选择提高导轨副耐磨性的措施导轨副设计,滑动导轨两大类凸形和凹形凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置,一、导轨副的截面形状及其特点,三角形导轨,支承导轨为凸形时山形导轨支承导轨为凹形时V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度。顶角增加,导向精度降低,承载面积增加,通常取=90。大型或重型机床，可取=110120，精密机床，常取90。导向精度较高，不对称三角形制造、检验和修理带来困难。,支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑

11、，也不易存留润滑油。适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨，必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘。,矩形导轨,优点：制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整。缺点：侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差。适用于载荷较大而导向性要求不高的机床。,燕尾形导轨,优点：结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩。缺点：磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂。一般用作中

12、、低速的多层导轨。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。,圆柱形导轨,优点：圆柱形导轨制造简单，要求加工时就直接达到较高精度。缺点：磨损后很难调整和补偿间隙。圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合。,圆周运动导轨截面,平面圆环导轨特点：制造容易，热变形后导轨仍能接触，只能承受轴向力，不能承受径向力，需与带径向滚动轴承的主轴相配合，来承受径向力。摩擦损失小，精度高，目前用得较多。适用于大直径的工作台和转盘，如滚齿机、立式车床导轨等。,锥形圆环导轨特点：能承受轴向力和较大的径向力，热变形也不影响导轨接触，导向性比平面好，但要保持锥面和主轴的同轴度较困难，母线倾斜角一般

13、为30。常用于径向力较大的机床,V型圆环导轨特点：V型圆环导轨能承受较大的轴向力、径向力和颠覆力矩，能保持很好的润滑，制造较复杂，床身和工作台热变形不同时，两导轨面将不同时接触。用于载荷大、速度高的立式车床,从限制自由度的角度出发，采用一条导轨即可。用一条导轨，移动部件无法承受颠覆力矩，直线运动导轨一般由两条导轨组合，重型机床常用三条或三条以上导轨的组合。,二、导轨副的组合形式,双三角形组合,优点：导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性。缺点：很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难。适用于精度要求较高的机床，如SG8630型刀架导轨和Y3150E立柱导轨等,双矩形组合,优点：具有

14、较大的承载能力、制造调整比较简单。缺点：导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响。多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作台导轨。,窄导向用一条导轨面的两侧面导向。导向精度高宽导向用两条导轨面的两外侧面导向。,三角形一矩形组合,特点：导向性好、制造方便和刚度高。应用最广泛如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、M1432A砂轮架导轨等。,三角形和平面导轨组合,具有三角形和矩形组合导轨的基本特点。由于没有闭合导轨装置，因此只能用于受力向下的场合。,燕尾形组合,特点：两个燕尾平面同时起导向及压板作用，用一根镶条调整各接触面的间隙。不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大。用

15、于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合，如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等。,燕尾形一矩形组合,特点：能承受较大力矩，间隙调整也比较方便，多用于横梁、立柱、摇臂等的导轨，如B2020型龙门刨床横梁导轨等。,燕尾导轨及其组合的间隙调整图1斜镶条2压板3直镶条,双圆柱形组合,特点：容易制造，耐磨性较好，但磨损后不易补偿。常用于仅受轴向力的场合，如压力机、机械手的导轨。,常用的调整方法有压板和镶条法两种方法。对燕尾形导轨可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。对矩形导轨可采用修副压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。,三、导轨副间隙的调整,压板

16、调整间隙和承受颠覆力矩。镶条调整矩形和燕尾形导轨的侧面间隙，以保证导轨面的正常接触。,斜镶条,导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。常使用铸铁-铸铁、铸铁-钢的导轨。为了提高导轨的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理，以使动、静导轨的硬度不同。,四、导轨副材料的选择,采用镶装导轨提高导轨的精度与改善表面粗糙度减小导轨单位面积上的压力,五、提高导轨副耐磨性的措施,针对磨损的措施,（一）力求无磨损磨损原因：配合面在一定的压强作用下直接接触并作相对运动。不磨损条件：相对运动时不直接接触或接触时则无相对运动。不直接接触保证完全的液体润滑，使润滑剂把摩擦

17、面完全分隔开。如静压导轨、静压轴承或其它的静压副。动压导轨和动压轴承也可以达到完全的液体润滑状态，但油膜压强与相对运动速度有关。因此，在起动或停止的过程中仍难免磨损。,(二）力求少磨损,l）降低导轨面间的压强方法加大导轨的接触面、减轻负荷。增加实际接触面积提高导轨面的直线度细化表面粗糙度加宽导轨面加长动导轨的长度减轻导轨负荷采用卸荷导轨,2)降低摩擦系数采用滚动导轨；正确选择摩擦副的材料；正确选择润滑油或采用循环润滑的方式。3)适当的热处理，提高导轨抗磨损的能力。支承导轨淬硬，动导轨表面贴塑料软带。4)加强防护可避免灰尘、切屑、砂轮屑等进入摩擦副，是提高导轨耐磨性的有效措施,（三）均匀磨损,磨

18、损是否均匀对零部件的工作期限影响很大。例如床身导轨，如果磨损是均匀的，对机床加工精度一般影响不大，而且可以补偿。磨损不均匀的主要原因在摩擦面上压强分布不均各个部分的使用机会不同,争取均匀磨损措施力求使摩擦面上压强均匀分布，例如导轨的形状和尺寸要尽可能对集中载荷对称；尽量减小扭转力矩和倾覆力矩；保证工作台、溜板等支承件有足够的刚度；摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高些，例如车床床身导轨的硬度应比床鞍导轨硬度高。,导轨的润滑和防护,（一）导轨的润滑目的减少磨损以延长导轨使用寿命；降低温度以改善工作条件；降低摩擦力以提高机械效率；保护导轨表面以防止发生锈蚀。,方法人工定期浇油或油杯供油；在机

19、床上装手动油泵，在工作前拉动油泵几次，进行人工润滑；现代机床上多采用压力油强制润滑。,润滑油,小载荷、低中速小型机床进给导轨：L-AN32机械油中等载荷，低中速机床导轨：L-AN46或L-AN68机械油重型机床低速导轨：L-AN68、L-AN80或L-AN100机械油竖直导轨或倾斜导轨：L-AN46或L-AN68机械油粘度：根据导轨的工作条件和润滑方式选择。,对滚动导轨：润滑油或润滑脂润滑脂优点：不会泄漏，不需经常加油缺点：尘屑进入后易磨损导轨特别注意防护措施,(二）导轨的防护,1刮板式2.隙缝式3整罩式4层叠式,根据工作条件，选择合适的导轨类型；选择导轨的截面形状，以保证导向精度好的耐磨性以及运动轻便和低速平稳性。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低速平稳性。,六、导轨副设计,导轨副的设计内容,选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后,通过调整能保持所需要的导向精度；选择合理的耐磨涂料、润滑方法相防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损；制订保证导轨所必需的技术条件