5第五章导轨

第五章导轨内容：机床导轨的功用、分类和应满足的要求及设计步骤；滑动导轨、滚动导轨的设计特点。要求：对机床导轨具有结构分析及初步的设计能力。导轨副：机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副。动导轨相对于支承导轨只有一个自由度。动导轨：在导轨副中，运动的一方。支承导轨：在导轨副中，不动的一方。第一节导轨的功用、分类和应满足的要求一、导轨的功用和分类1、功用：导向和承载。导轨主要用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。2、分类：（1）按运动轨迹分：直线和圆周运动导轨（2）按运动性质分：主运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运动的速度较高。进给运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运动的速度较低。移置导轨：只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工时没有相对运动。（3）按摩擦性质分：滑动导轨滚动导轨：在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦的性质，广泛地应用于进给运动导轨和旋转主运动导轨。静压导轨：油膜压强靠液压泵建立，两导轨面间有一层静压油膜，多用于进给运动导轨。动压导轨：当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应使导轨油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦。只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨。普通滑动导轨（4）按受力状况分：开式导轨：在部件自重和外载作用下，导轨面在全长上可以始终贴合的导轨。闭式导轨：在较大的倾覆力矩时，部件自重不能使导轨面贴合，必须用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合的导轨。二、导轨应满足的要求导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导向精度精度保持性低速运动平稳性结构简单、工艺性好1．导向精度导向精度:指动导轨运动轨迹的准确度。它是保证导轨工作质量的前提，是对导轨的基本要求。影响因素:导轨的几何精度和接触精度、结构型式、装配质量、导轨与支承件的刚度、热变形及油膜刚度（指动、静压导轨）。（1）几何精度反映了导轨在低速空载运动时的导向精度。直线运动导轨的几何精度:导轨在竖直平面内的直线度。导轨在水平平面内的直线度。两导轨面间的平行度。(2)接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按JB2278的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或25×25mm2面积内的接触点数衡量。2．精度保持性（耐磨性）影响精度保持性的主要因素是磨损。必须提高导轨的耐磨性，尽可能减小导轨的磨损的不均匀程度（沿导轨全长的均匀和不均匀磨损都会影响其精度），并使磨损后能自动补偿或调整。影响因素：导轨的材料、热处理、加工的工艺方法、磨擦性质及受力情况（即导轨的比压、润滑和防护）等有关。3．低速运动平稳性当动导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现爬行现象。进给运动爬行，影响被加工工件的粗糙度、加工精度。定位运动爬行，将降低定位精度。垂直运动不可能出现爬行现象。影响因素：导轨的结构、材料、润滑；动、静摩擦系数的差值；运动部件的质量；传动导轨运动的传动链的刚度等。消除爬行现象的主要措施：（1）减少动、静摩擦系数的之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性。1）用滚动摩擦代替滑动摩擦；2）采用卸荷导轨和静压导轨；3）采用减摩材料；4）采用导轨油。（2）提高传动机构的刚度。4．结构简单、工艺性好在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。对于刮研导轨，应尽量减少刮研量。对于镶装导轨，应做到更换容易。第二节导轨的材料导轨的材料：铸铁、钢、有色金属、塑料等。对导轨材料的主要要求：耐磨性高、工艺性好、成本低等。一、铸铁1、特点：成本低，有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工。2、材料：灰铸铁HT200。孕育铸铁HT300。耐磨铸铁加入合金元素，如高磷铸铁、磷铜钛铸铁、钒钛铸铁，耐磨性比孕育铸铁高一倍，力学性能好，成本高，多用于精密机床3、铸铁导轨的淬火：感应淬火和火焰淬火。目的：提高导轨表面的硬度，提高耐磨性。二、钢1、应用：镶钢支承导轨。2、特点：可大幅度地提高导轨的耐磨性。工艺复杂、加工较困难、成本也较高。3、常用材料：•45或40Cr，整体淬硬，HRC≥48。•20Cr，渗碳淬硬，HRC≥60。三、有色金属1、应用：用有色金属板材镶装导轨在动导轨上，与铸铁的支承导轨相搭配。2、特点：耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移动精度。3、材料：锡青铜ZQSn6—6—3、铝青铜ZQAl9-4、（黄铜H62、H68）。四、塑料1、应用：在动导轨上镶装塑料软带。与淬硬的铸铁支承导轨和镶钢支承导轨组成导轨副。2、特点：摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点。3、材料：（1）塑料软带：氟塑料导轨软带（2）三层复合材料的导轨板•在镀铜的钢板上烧结一层多孔青铜粉，在青铜的孔隙中轧入聚四氟乙烯极其填料•形成金属—氟塑料的导轨板•特点：具有两种材料的优点，既有氟塑料的优点又具有刚性和导热性•适用于中、小型精密机床和数控机床•用于竖直导轨更显它的优点五、导轨副材料的选用1、选用原则：（1）为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应分别采用不同的材料。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。（2）在直线运动导轨中，长导轨用较耐磨、硬度较高的材料制造。2、滑动导轨副中，常用材料匹配（1）动导轨采用镶装氟塑料导轨软带，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁；（2）动导轨采用不淬火铸铁，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁。（3）高精度机床，因需采用刮研进行导轨的精加工，可采用不淬火的耐磨铸铁导轨副。（4）只有移置导轨或不重要的导轨，才采用不淬火的普通灰铸铁导轨副。第三节滑动导轨的结构一、导轨的截面形状与组合1、直线运动滑动导轨截面形状：主要有三角形、矩形、燕尾形、圆柱形，都有凹凸之分。•滑动摩擦导轨截面的常用形式凸形导轨–不易存屑、脏物、润滑油，低速使用。凹形导轨–与上相反，高速导轨，需保护装置。三角形导轨：磨损后，能自动补偿间隙，导向精度随其顶角的减小而提高，但顶角的减小使承载能力和刚性下降；三角形导轨的制造工艺较复杂。矩形导轨：承载能力大，刚性较高，形状规则，制造和维修方便；但矩形导轨侧面有间隙，导向精度较低。燕尾形导轨：高度尺寸小，结构紧凑，能承受颠复力矩；但燕尾形导轨磨擦阻力大，制造工艺复杂。圆柱形导轨：导向性好，刚性高；但其制造精度要求较高，磨损后，导轨间隙调整较困难。2、组合直线运动导轨一般由两条导轨组合。工作台面宽度＞3米时，可采用3条或3条以上导轨的组合方式。•a)双三角形导轨不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验、维修不便，用于精度高的机床，如丝杠车床，导轨磨床，齿轮磨床。•b)c)双矩形导轨承载能力大，制造简单，多用在普通精度机床和重型机床中，如重型车床，组合车床，升降台铣床。•宽式组合：由两条导轨的外侧导向，侧向间隙较大，用镶条调整图b•窄式组合：由一条导轨的两侧导向图c•3、圆周运动导轨•回转运动导轨的截面形状有三种：•平面环形、锥面环形和双锥面环形导轨。•（1）平面环形导轨：•结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力，但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受径向载荷•（2）锥面环形导轨：•除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比平面环形好，但制造较困难，锥面与轴心线的同轴度不容易保证•（3）双锥面导轨：•能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠覆力矩，制造研磨均较困难，同轴度不容易保证，当床身与工作台热变形不同时，两导轨面不同时接触二、导轨间隙的调整导轨接合面之间都存在间隙。•间隙过小，增加运动阻力，加速导轨磨损•间隙过大，降低导向精度，容易产生振动调整方法：采用镶条（刹铁）和压板。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。常用的有平镶条和楔形镶条。放在导轨受力较小的一侧。（1）平镶条（2）楔形镶条楔形镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高。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。2．压板压板用于调整辅助导轨面的间隙、承受颠覆力矩。三角形－平面导轨•（一）滑动导轨•从摩擦性质来看，滑动导轨具有一定动压效应的混合摩擦状态。导轨的动压效应主要与导轨的滑动速度，润滑油粘度、导轨面的油沟尺寸和型式等有关。速度较高的主运动导轨，如立式车床的工作台导轨，应合理地设计油沟型式和尺寸，选择合适粘度的润滑油，以产生较好的动压效果。第四节各种滑动导轨的设计特点•滑动导轨的优点:结构简单，制造方便，抗振性良好。•滑动导轨的缺点：磨损快。•为提高耐磨性,常采用以下措施:•1、粘贴塑料软带导轨•采用较多的粘贴塑料软带是以聚四氟乙烯为基体，添加各种无机物和有机粉末等填料。•特点：摩擦因数小，耗能低，动、静摩擦因数接近，低速运动平稳性好，阻尼特性好，能吸振，抗振性好，耐磨性好，有自润滑作用，没润滑油也能正常工作，使用寿命长，结构简单，维修方便，磨损后易更换，经济性好。•缺点；刚性差，受力后产生变形，对精度要求高的机床有影响。•粘贴塑料软带一般粘贴在较短的动导轨上，表面开直线形或三字形油槽，配对金属导轨面的粗糙度要求在0.4~0.8μm，硬度在25HRC以上。•（厚度在0.1~10mm环氧树脂室温24小时，厚的用埋头螺钉固定）2、金属塑料复合导轨•金属塑料复合导轨板有三层，内层为钢板，它保证导轨板机械强度和承载能力，钢板上烧结一层多孔青铜，形成多孔中间层，在青铜间隙中压入聚四氟乙烯及其它填料。•塑料可提高导轨板的导热性,当青铜与配合面摩擦发热，热膨胀系数远大于金属的聚四氟乙烯及其它填料从多孔层中的孔隙中挤出，向摩擦表面转移补充，形成表面厚约0.01~0.05mm的表面自润滑塑料层。这种复合板与铸铁导轨组合，静摩擦因数小（0.04~0.06），摩擦阻力显著降低，具有良好的阻尼特性，良好的低速平稳性，成本低，刚度高。•3、塑料涂层•应用较多的有环氧涂层，含氟涂层，HNT耐磨涂层，它们以环氧树脂为基体，加固体滑润剂二硫化钼和胶体石墨及其它铁粉填充剂而成，这种涂层有较高的耐磨性，硬度，强度，导热率；在无润滑油的情况下，能防止爬行，改善导轨的运动特性，特别是低速平稳性。•4、镶钢导轨•镶钢导轨是将淬硬的碳素钢（45）或合金钢导轨，分段地镶装在铸铁或钢制的床身上，以提高导轨的耐磨性。•在铸铁床身上镶装钢导轨常用螺钉或楔块挤紧固定••在钢制床身上镶装导轨一般用焊接方法连接。•（二）静压导轨•工作原理同静压轴承相似，在动导轨面上均匀分布有油腔和封油面，把具有一定压力的液体或气体介质经节流器送至油腔内，使导轨面之间产生一定压力，将动导轨微微抬起，与支承导轨脱离实际接触，浮在压力油膜或气膜上。•优点：摩擦系数小，在启动、停止时没有磨损，精度保持性好。•缺点：结构复杂，要求一套专门液压或气压设备，维护调整麻烦。•用途：精密、高精密机床，低速运动机床。•分类：按结构形式分为开式和闭式闭式静压导轨•（三）卸荷导轨•重型机床工作台或工件重量大，若全由导轨承受，则导轨承载截面很宽，摩擦阻力很大，消耗了驱动功率，产生爬行。•卸荷导轨用来降低轨面的压力，减小摩擦阻力，提高导轨的耐磨性和低速运动平稳性。刚度合适的弹簧第六节直线滚动导轨滚动导轨：在相配的两导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦•优点：•摩擦系数小，运动轻便，摩擦发热少，磨损小，动、静摩擦系数接近，可避免出现爬行，定位精度高。•缺点：•抗振性差，结构复杂，成本高，对脏物比较敏感滚珠导轨典型结构型式•力封式滚珠导轨典型结构型式•自封式滚珠导轨改善措施•预先磨出一窄条圆弧面的浅槽•采用双圆弧滚珠导轨滚珠导轨其它结构型式－滚珠导轨其它结构型式－滚珠循环导轨这种导轨的结构特点为滚柱与与导轨之间线接触，承载能力较同规格滚珠导轨高一个数量级，刚度高。滚柱导轨对导轨面的平面度敏感，制