导轨的结构设计.doc

直线导轨得结构设计（含转动导轨）1 导轨得作用与设计要求当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上得导轨起支承与导向得作用，即支承运动件与保证运动件在外力（载荷及运动件本身得重量）得作用下，沿给定得方向进行直线运动。对导轨得要求如下： 1、一定得导向精度。导向精度就是指运动件沿导轨移动得直线性，以及它与有关基面间得相互位置得正确性。 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、良好得耐磨性。导轨得耐磨性就是指导轨长期使用后，能保持一定得使用精度。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、足够得刚度。运动件所受得外力，就是由导轨面承受得，故导轨应有足够得接触刚度。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得条件下，仍能正常工作。 6、结构工艺性好。在保证导轨其它要求得条件下，应使导轨结构简单，便于加工、丈量、装配与调整，降低本钱。 不同设备得导轨，必须作具体分析，对其提出相应得设计要求。必须指出，上述六点要求就是相互影响得。 2 导轨设计得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，选择合适得导轨类型。 2、选择导轨得截面外形，以保证导向精度。 3、选择适当得导轨结构及尺寸，使其在给定得载荷及工作温度范围内，有足够得刚度，良好得耐磨性，以及运动轻便与平稳。 4、选择导轨得补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要得导向精度。 5、选择公道得润滑方法与防护装置，使导轨有良好得工作条件，以减少摩擦与磨损。 6、制订保证导轨所必须得技术条件，如选择适当得材料，以及热处理、精加工与丈量方法等。 3 导轨得结构设计1、 滑动导轨 (1) 基本形式（见图21-10） 三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它得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，在导轨高度不变得条件下，采用较大得顶角（110120）；为进步导向性，采用较小得顶角（60）。假如导轨上所受得力，在两个方向上得分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力得作用方向尽可能垂直于导轨面。 矩形导轨：优点就是结构简单，制造、检验与修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它得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：燕尾形导轨得调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面得间隙，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，高度尺寸受限制得场合。 圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密得配合，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出平面，但不能承受大得扭矩。宜用于承受轴向载荷得场合。 (2)常用导轨组合形式 三角形与矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨得工艺性好，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与两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。 矩形与矩形组合：承载面与导向面分开，因而制造与调整简单。导向面得间隙用镶条调整，接触刚度低。见图双三角形导轨：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，假如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得场合。(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得间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨得间隙如依靠刮研来保证，要废很大得劳动量，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与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得低面间隙，其方法有：a）刮研或配磨下压板得结合面；b）用螺钉调整镶条位置；c）改变垫片得片数或厚度；见图21-13。 在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它得侧面间隙。见图21-14。 圆形导轨得间隙不能调整。图21-13图21-14(4）夹紧装置 有些导轨（如非水平放置得导轨）在移动之后要求将它得位置固定，因而要用专用得锁（夹）紧装置。常用得锁紧方式有机械锁紧与液压锁紧。见图21-15。(5）进步耐磨性措施 导轨得使用寿命取决于导轨得结构、材料、制造质量、热处理方法，以及使用与维护。进步导轨得耐磨性，使其在较长得时间内保持一定得导向精度，就能延长设备得使用寿命。进步导轨耐磨性得措施有： 1)选择公道得比压 单位面积上得压力成为比压，即p=P/S（公斤/厘米2）式中 P-作用在导轨上得力（公斤）S-导轨得支承面积（厘米2）由上式可知，要减小导轨得比压，应减轻运动部件得重量与增大导轨支承面得面积。减小两导轨面之间得中心距，可以减小外形尺寸与减轻运动部件得重量。但减小中心距受到结构尺寸得限制，同时中心距太小，将导致运动不稳定。降低导轨比压得另一办法，就是采用卸荷装置，即在导轨载荷得相反方向，增加弹簧或液压作用力，以抵消导轨所承受得部分载荷。2)选择合适材料 目前常采用得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。它具有本钱低，工艺性好，热稳定性高等优点。在润滑与防护良好得情况下，具有一定得耐磨性。常用得就是HT200HT400，硬度以HB=180200较为合适。适当增加铸铁中含碳量与含磷量，减少含硅量，可进步导轨得耐磨性。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。若加进一定量得铜与钛，成为磷铜钛铸铁，其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。但高磷系铸铁得脆性与铸造应力较大，易产生裂纹，应采用适当得铸造工艺。 此外，还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。 钢-要求较高得或焊接机架上得导轨，常用淬火得合金钢制造。淬硬得钢导轨得耐磨性比普通灰铸铁高510倍。常用得有20Cr钢渗碳淬火与40Cr高频淬火。 钢导轨镶接得方法有： 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），一般采用倒装螺钉。结构上不便于从下面伸进螺钉固定时，可采用如图21-16所示得方法。螺钉固紧后，将六角头磨平，使导轨上得螺钉孔与螺钉头之间没有间隙。用环氧树脂胶接，胶接面之间得间隙不超过0、25毫米。胶粘导轨具有一定得胶接刚度与强度，尚有一定得抗冲击性能，工艺简单，本钱较低。 塑料-用聚四氟乙烯为基材，添加不同得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得效果。 3)热处理 为进步铸铁导轨得耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。表面淬火方法有：火焰淬火、高频淬火与电接触淬火。 4)润滑与防护 润滑油能使导轨间形成一层极薄得油膜，阻止或减少导轨面直接接触，减小摩擦与磨损，以延长导轨得使用寿命。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。 导轨润滑得方式有浇杯、油杯、手动油泵与自动润滑等。 导轨得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、生锈与过早得磨损。为此，在运动导轨端部安装刮板；采用各种式样得防护罩，使导轨不过露等办法。 (6) 结构尺寸得验算 1)校核温度变化对导轨间隙得影响 导轨在温度变化较大得环境中工作，应在选定精度与配合后，作导轨间隙验算。为了保证工作时不致卡住，导轨得最小间隙应大于或即就是零，即 min0 导轨得最小间隙用下式计算： min=Dmin1+k(t-t0)-dmax1+z(t-t0) (mm)式中t-工作温度（C）t0-制造时温度（C）Dmin-包容件在t0时得最小尺寸（mm）dmax-被包容件在t0时得最大尺寸（mm）k-包容件材料得线膨胀系数（1/C）z-被包容件材料得线膨胀系数（1/C）为保证导向精度，导轨得最大间隙max应小于或即就是答应值，即maxmax 导轨得最大间隙用下式计算： max=Dmax1+k(t-t0)-dmin1+z(t-t0) (mm)式中 Dmax-包容件在t0时得最大尺寸（mm）dmin-被包容件在t0时得最小尺寸（mm）2)不自锁条件与导轨间隙计算 当初定导轨得结构形式与尺寸后，应留意作用力得方向与作用点得位置，力求使导轨得倾斜力矩小，否则使导轨得摩擦力增大，磨损加快，从而降低导轨得灵活性与导向精度，甚至回使导轨卡住。其验算公式见表21-6。2、转动导轨在承导件与运动件之间放进一些转动体（滚珠、滚柱或滚针），使相配得两个导轨面不直接接触得导轨，称为转动导轨。转动导轨得特点就是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现爬行现象，故运动均匀平稳。因此，转动导轨在要求微量移动与精确定位得设备上，获得日益广泛得运用。转动导轨得缺点就是：导轨面与转动体就是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，故对导轨得表面硬度要求高；对导轨得外形精度与转动体得尺寸精度要求高。(1)结构形式 滚珠导轨-图示21-17为V-平截面得滚珠导轨、双V形截面得滚珠导轨与圆形截面滚珠导轨。由于滚珠与导轨面就是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大得场合。滚柱（滚针）导轨-滚柱导轨中得滚柱与导轨面就是线接触，故它得承载能力与刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，灵活性稍差。如图21-18，滚柱对导轨得不平度较敏感，轻易产生侧向偏移与滑动，而使导轨得阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱得直径越大，对导轨得不平度越为敏感。当结构尺寸受限制时，可采用直径较小得滚柱，这种导轨称为滚针导轨。 滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护轻易等优点。其结构如图21-19所示。由于滚柱在封闭得滚道内转动，故可用于行程很大得导轨上。转动导轨支撑1-本体 2-滚柱 3-导向片 4-反射器滚柱导轨可采用标准得转动轴承，装在偏心轴上，如图21-20所示，以便于调整。其偏心量一般取0、2-0、5毫米。2)转动导轨设计得一般题目 1)结构形式得选择：转动导轨按其结构特点，分为开式与闭式两种。开式转动导轨用于外加载荷作用在两条导轨中间，依靠运动件本身重量即可保持导轨良好接触得场合。闭式导轨则相反。 滚珠导轨得灵活性最好，结构简单，制造轻易，但承载能力小，刚度低，常用于精度要求高、运动灵活、轻载得场合。滚柱（针）导轨刚度大，承载能力强，但对位置精度要求高。转动导轨采用标准转动轴承，结构简单，制造轻易，润滑方便。宜用于中等精度得场合。为了增加转动导轨得承载能力，可施预加载荷。这时刚度大，且没有间隙，精度相应进步，但阻尼比无预加载荷时大，制造复杂，本钱高。故多用于精密导轨。 2)选择长度：一般应在满足导轨运动行程得条件下，尽可能使导轨得长度短一些。为防止转动体在行程得极端位置时脱落，运动件得长度应为L=l+2a+Smax/2 式中L-运动件或承导件得长度，计算时取较短者得长度（毫米）；l-支承点得间隔（毫米）；a- 在极端位置时得余量；如图。采用循环式得转动导轨支承时，运动件得行程长度不受限制。转动体尺寸与数目：转动体直径大，承载能力大，摩擦阻力小。对于滚珠导轨，滚珠直径增大，刚度增高（滚柱导轨得刚度与滚柱直径无关）。因此，假如不受结构得限制，应有限选用尺寸较大得转动体。滚针导轨得摩擦阻力较大，且滚针可能产生滑动。所以尽可能不采用滚针导轨（特别就是滚针直径小于4毫米时）。当转动体得数目增加时，导轨得承载能力与刚度也增加。但转动体得数目不宜太多，过多会增加载荷在转动体上分布得不均匀性，刚度反而下降。若转动体数目太少，制造误差将会明显地影响运动件得导向精度。一般在一个转动带回上，转动体得数目最少为12个。经验表明：运动部件得重量，使滚柱单位长度上得载荷q4公斤/厘米时；对于滚珠导轨，在每个滚珠上得载荷为p3（d）1/2公斤时，（d为滚珠直径，毫米），载荷得分布比较均匀。在滚柱导轨中，增加滚柱得长度，可减小接触应力与增大刚度，但载荷分布得不均匀性也增大。对于钢制摸削导轨，滚柱导轨与直径之比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）。3) 转动导轨刚度及预紧方法：如图所示，a) 当工作台往复移动时，工作台压在两端转动体上得压力会发生变化，受力大得转动体变形大，受力小得转动体变形小。当导轨在位置时，两端转动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端转动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，转动体支承工作台，若工作台刚度差，见下图，则在自重与载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨得精度。为减小导轨变形，进步刚度，除公道选择转动体得外形、尺寸、数目与适当增加工作台得厚度外，常用预加载荷得办法来进步导轨得刚度。图21-18所示得燕尾形转动导轨，用移动导轨板获得并控制预加载荷。 试验证实：随着过盈量得增加，导轨得刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会明显进步。牵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，公道得过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。 4)技术要求：导轨得质量取决于它得制造精度与安装精度，设计时应根据使用要求，制定出转动导轨得若干技术条件，下列项目与数据可供参考： 两导轨面间得不平度一般为3微米； 导轨不直度一般为10-15微米，精密得小于10微米。 转动体得直径差，对于一般得导轨，全部转动体得直径差不大于2微米，每组转动体得直径差不大于1微米；对于精密导轨，全部转动体得直径差不大于1微米，每组转动体得直径差不大于0、5微米； 滚柱得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2525厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密得取上限，一般得取下限。 (end)