第四章 机电装备支承件和导轨设计 Bearing Part And Guideway Design for Electro-mechanical Equipment,4.6 导轨的类型及基本要求 4.7 滑动导轨设计 4.8 卸荷导轨设计 4.9 滚动导轨设计 4.10 润滑与防护、提高耐磨性的措施,本节主要内容,4.6 导轨的类型及基本要求,4.61 功用和分类 功用：使运动部件沿一定的轨迹(直线或圆周)运 动，并承受运动部件上的载荷即起导向和承载作 用。在导轨副中，运动的一方称作运动导轨，不 动的一方称作支承导轨。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运动。,按运动导轨的轨迹分： 直线运动导轨副：一个直线运动自由度 圆周运动导轨副：一个旋转自由度 按导轨面间的摩擦特性分： 滑动摩擦导轨副：是基础 滚动摩擦导轨副：导向精度高 液体摩擦导轨副：吸振性好，摩擦系数小 导轨面间有一层油膜，实现液体摩擦，导轨间不相互接 触，摩擦因数为0.00050.0010，不会磨损，有利于保持 导轨的导向精度，在低速下不宜产生爬行，在机床上得到 广泛应用。,分类,按结构形式分 ：开式导轨和闭式导轨,开式导轨： 必须借助于运动件的自重或外载荷，保证在一定的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。 结构简单，但不能承受较大颠覆力矩的作用。,闭式导轨： 借助导轨副本身的封闭式结构，保证在变化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面都能始终保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。,4.6.2 导轨副应满足的要求 1、导向精度 定义：运动导轨的实际运动方向与给定运动方向之间的偏差。 影响导向精度的主要因素：导轨的几何精度、导轨的结构形式、装 配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形等。 2、接触精度 定义：导轨副摩擦表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比。 3、精度保持性 主要由导轨的耐磨件决定。影响因素有磨损性质、载荷状况、 导轨材料、工艺方法和润滑防护条件等。 4、低速运动平稳性 低速运动速度可达0.05mm/min 。 5、刚度 6、结构简单、工艺性好等。(刮研),4.7 滑动导轨,4.7.1 材料与热处理 1. 对导轨材料的要求和匹配 材料应具有良好的耐磨件、摩擦因数小和动静摩擦因 数差小； 加工和使用时产生的内应力小，工艺性和尺寸稳定性 好及成本低等性能； 导轨副应尽量由不同材料组成，如果选用相同材料， 应采用不同的热处理或不同的硬度； 通常动导轨用较软、耐磨性低的材料，固定导轨用较 硬和耐磨材料制造。,导轨材料匹配及其相对寿命,注：导轨材料前边为动导轨，后面为定导轨,2.导轨材料与热处理 铸铁（灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁）铸铁是一种成本低、有良好的减振性和耐磨性、易于铸造和切削加 工的金属材料。 灰铸铁： 应用最多的灰铸铁是HT200，铸铁铸铁的导轨摩擦副适 用于需要手工刮研的导轨；对加工精度保持性要求不高的中等精度 和运动速度低的导轨。 孕育铸铁： 在铁水中加入少量孕育剂硅和铝而构成的孕育铸铁，可 使铸件获得到均匀的强度和硬度。 耐磨铸铁： 高磷铸铁、磷铜钛铸铁和钒钛铸铁。高磷铸铁是指磷的质量分数高于0.3的铸铁、耐磨性比孕育铸铁提高1倍多。磷铜钛铸铁和钒钛铸铁是提高机床导轨耐磨性的好材料。具有力学性能好、耐磨性比孕育铸铁高1.52.0倍、铸铁质量容易控制等优点，但成本较高。目前多用于精密机床。,铸铁导轨的淬火 接触电阻淬火淬硬深度很浅，对导轨耐磨性提高的 幅度不大。 感应淬火有高频与中频感应加热淬火两种，硬度可达 4555HRC，耐磨性可提高近两倍。中频加热淬硬层 较深，可达23mm。高频与中频淬火后的导轨面要进 行磨削加工。火焰表面淬火的导轨因淬硬层深而使导轨耐磨性有 较大的提高，但淬火后的变形较大，增加了磨削加工 量。,钢： 采用淬火钢和氮化钢的镶钢导轨，可大幅度地提高导轨的耐磨性。 镶钢导轨材料有几类： 合金工具钢或轴承钢，牌号为9Mn2V、GrWMn、GGr l5 等。整体淬硬，硬度60 HRC； 高碳工具钢，牌号为T8A、T10A等，整体淬硬，硬度 58HRC； 中碳钢。牌号为45或40C r ，整体淬硬，硬48HRC； 低碳钢，牌号为20 C r，渗碳淬硬，硬度61HRC ； 氮化钢，牌号为38CrMoAlA以，氮化处理，表面硬度 850HV。,有色金属 用于镶装导轨的有色金属板的材料，主要有：锡青铜 ZCuSn6Pb6Zn3、铝青铜ZCuAL9Mn2和锌合金ZZnAl-10-5等。多用于重型机床的动导轨上，与铸铁的支撑导轨相配偶，用于防止撕伤、保证运动的平稳性和提高移动精度。从摩擦状态和耐磨性来看: 铝青铜ZCuAl9Mn2锡青铜ZCuSn6Pb6Zn3 ZZnAl-10-5高，但锌合金的抗撕伤能力比较强。 从成本来看 锌合金ZZnAl-10-5铝青铜ZCuAl9Mn2锡青铜ZCuSn6Pb6Zn3,高分子材料 镶装高分子材料导轨具有摩擦因数低、耐磨性好、 抗损伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性和化学 稳定性好、工艺简单和成本低等优点，在各类机床的 动导轨上都有应用，在精密、数控和重型机床动导轨 上的应用在逐渐增多。塑料导轨可与不淬硬的铸铁导轨组成对偶摩擦副，也可与镶钢导轨组成对偶摩擦副。,4.7.2 结构形式,a)凸矩形 b)凹矩形,矩形导轨：刚度高，加工、检验和维修都较方便的优点。但矩形导轨存在侧向间隙，导向性差。 矩形导轨适用于载荷较大而导向性要求略低的机床。矩形导轨的承载面(顶面) 和导向面(侧面)分开，精度保持性较好。导向面磨损量直接影响导向精度。凹矩形导轨易存润滑油，但也易积灰尘污物，必须进行防护。,直线运动导轨：,a)凸三角形 b)凹三角形,三角形导轨：承载面与导向面重合，磨损量能自动补偿，导向精度较高。顶角在60120度内变化，顶角越小，导向精度越高，但摩擦力也越大。 小顶角用于轻载精密机械，大顶角用于大型机械； 凸三角形支承导轨，不易积存切屑，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； 凹三角形支承导轨，能得到较充足的润滑，除用于精密与大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，但是必须很好地防护，以免落入切屑和灰尘。,a)凸燕尾形 b)凹燕尾形,燕尾形导轨：在承受颠覆力矩的条件下高度较小，用于多坐标多层工作台，使总高度减小。 加工、维修较困难，磨损后不能自动补偿； 可用镶条来调整间隙，结构紧凑。,上三种导轨形状均由直线组成，称为棱柱面导轨。,a)凸圆形 b)凹圆形,圆形导轨：制造方便，工艺性好，但磨损后难于调整间隙。多用于只承受轴向力的部件，如立式导轨。,天津海特直线轴承,直线运动导轨的组合形式：,双矩形组合：两条矩形导轨的组合突出了矩形导轨承载能力较大的特点，但导向性稍差。 多用于普通精度的机床和重型机床。 由一条导轨的两侧导向时，为窄式组合； 分别由两条导轨的外侧导向时，为宽式组合。 导轨受热膨胀时宽式组合的矩形导轨比窄式变形量大，调整时应留较大的侧向间隙，因而导向性较差。双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些。,双三角组合： 两条三角形导轨的组合突出了三角形导轨的优缺点。 导向性和精度保持性； 由于超定位，加工、检验和维修都比较困难。 多用于精度要求较高的机床，如丝杠车床、单柱坐标镗床和齿轮加工机床等。,矩-三角组合：兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点，承载能力优于双三角组合，导向性优于双矩形组合，工艺性介于二者之间，应用广泛。,双圆柱导轨：常用于只受轴向力的场合，如拉床、攻螺纹机和机械手等。,旋转运动的导轨：,平面环形导轨只能承受轴向载荷，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受径向载荷。这种导轨适用于由主轴定心的各种回转运动导轨的机床，例如立式车床。 2锥面导轨母线倾角在15度45度范围内变化，常取30度。除轴向载荷外还能承受一定的径向载荷。,1平面环形导轨承载能力大、结构简单、工艺性较好、制造方便的优点。,双锥面(v形)导轨 除轴向载荷和径向载荷外，能承受一定颠覆力矩。其缺点是工艺性差，在与主轴联合使用时既要保证导轨面的接触，又要保证导轨面与主轴的同心是相当困难的，因此有被平面环形导轨取代的趋势。,20度70度,4.7.3导轨压强计算： 分析导轨面上的受力和比压； 探讨合适的导轨结构，减小导轨的比压； 力求磨损均匀，使导轨结构上保证磨损后对 加工精度影响尽可能的小； 磨损后能调整间隙。,比压计算：,许用压强的选择方法，见表5-2（导轨的许用压强）,4.7.4 静压导轨,工作原理与静压轴承相同。在导轨的油腔中通入一定压强的润 滑油，使动导轨微微抬起，在导轨面间充满润滑油所形成的油膜， 使导轨处于纯液体摩擦状态。 优点： 静压油膜使导轨面分开，导轨即使在起动和停止阶段也没有磨 损，精度保持性好。 静压导轨的油膜较厚，有均化误差的作用，可以提高精度。 摩擦因数很小，大大降低传动功率，减少摩擦发热。 低速移动准确、均匀，运动平稳性好。 与滚动导轨相比，静压的油膜具有吸振作用。 缺点： 结构比较复杂，增加了液压设备。 调整比较麻烦。多用于精密级和高精度级机床的进给运动和低速运动导轨。,4.8 卸荷导轨设计,机械卸荷导轨 导轨上的一部分载荷由支承在辅助导轨面4上的滚动轴承3承受。卸荷力的大小通过螺钉1和碟形弹簧2调节。卸荷点的数目取决于动导轨的载荷和卸荷系数的大小。为了减小滚动轴承的支承轴的中心线与支承导轨面不平行的影响，可 以采用自动调心的球面轴承。,卸荷导轨的特点和应用： 采用卸荷导轨可以减轻支承导轨的负荷和降低导轨的 静摩擦因数； 提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，减少或防止 爬行； 手动操作的部件采用卸荷导轨后，可使操作轻便； 卸荷导轨由于导轨面仍然是直接接触的，刚度较高。 卸荷导轨多用于要求精度高和接触刚度高的机床。 导轨的卸荷方式有液压卸荷、机械卸荷和气压卸荷， 其中液压和机械卸荷方式应用较多。,4.9 滚动导轨设计,滚动导轨是在静、动导轨面之间放置滚动体如滚珠、滚柱、滚针或滚动导轨块而构成的。 滚动导轨与滑动导轨相比具有以下特点。 (1) 摩擦因数小(0.0030.005)，运动灵活； (2) 动、静摩擦因数很接近，因而起动阻力小，低速运动平稳性好，且不易发生爬行 (3)可以预紧，刚度高。,(4) 寿命长。 (5) 精度高。定位精度可达0.10.2m，重复精度 可达0.2m。 (6) 润滑方便，可以采用润滑脂，一次装填，长期 使用。 (7) 由专业厂生产，可外购选用。 (8) 结构比较复杂、制造比较困难、成本比较高。 (9) 抗振和抗冲击能力差，对灰尘屑末较敏感，必 须有良好的防护装置。,滚动导轨设计举例：,PC是当量载荷,求导轨的额定寿命：,计算额定动载荷，根据算出的额定动载荷，查产品的手册，选出最终的导轨型号，本例中为：HJG-DA20A型的滚动导轨副。,4.10 润滑与防护、提高耐磨性的措施,润滑的目的： 降低摩擦力以提高机械效率；减少磨损以延长寿命；降低温度以改善工作条件；防止生诱。 润滑的要求： 保证按规定供应清洁的润滑油，油量可以调节，尽量采用自动和强制润滑，润滑元件可靠,润滑油的选择 导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂。 滑动导轨用润滑油，滚动导轨则两种润滑剂都能用。 导轨润滑油的黏度可以根据导轨的工作条件和润滑方 式选择。例如，低载荷（压强p0.1Mpa）的高、中速的中、小型机床进给导轨，可采用N32全损耗系统用油；中等载荷(压强p0.2MPa) 的中、低速机床导轨，采用N46或N68全损耗系统用油，重型机床(压强p0.4MPa)的低速导轨，可用N68或N100全损耗系统用油；竖直导轨和倾斜导轨，可采用N46或N68全损耗系统用油。,