直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含滾動(dòng)導(dǎo)軌） |
| 1 導(dǎo)軌的作用和設(shè)計(jì)要求 當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運(yùn)動(dòng)件和保證運(yùn)動(dòng)件在外力（載荷及運(yùn)動(dòng)件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。對導(dǎo)軌的要求如下： 1.一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌移動(dòng)的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準(zhǔn)確性。 2.運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)。工作時(shí)，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)應(yīng)無爬行現(xiàn)象。 3.良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 4.足夠的剛度。運(yùn)動(dòng)件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓；設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。 5.溫度變化影響小。應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。 6.結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的前提下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、測量、裝配和調(diào)整，降低成本。 不同設(shè)備的導(dǎo)軌，必須作具體分析，對其提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。必須指出，上述六點(diǎn)要求是相互影響的。 2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌應(yīng)包括下列幾方面內(nèi)容： 1.根據(jù)工作條件，選擇合適的導(dǎo)軌類型。 2.選擇導(dǎo)軌的截面形狀，以保證導(dǎo)向精度。 3.選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運(yùn)動(dòng)輕便和平穩(wěn)。 4.選擇導(dǎo)軌的補(bǔ)償及調(diào)整裝置，經(jīng)長期使用后，通過調(diào)整能保持需要的導(dǎo)向精度。 5.選擇合理的潤滑方法和防護(hù)裝置，使導(dǎo)軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。 6.制訂保證導(dǎo)軌所必須的技術(shù)條件，如選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。 3 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1. 滑動(dòng)導(dǎo)軌 (1) 基本形式（見圖21-10）
矩形導(dǎo)軌：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗(yàn)和修理方便；導(dǎo)軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。但它的導(dǎo)向精度沒有三角形導(dǎo)軌高；導(dǎo)軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。 燕尾形導(dǎo)軌：燕尾形導(dǎo)軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗(yàn)不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運(yùn)動(dòng)速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。 圓形導(dǎo)軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達(dá)精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動(dòng)，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。 (2)常用導(dǎo)軌組合形式 三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導(dǎo)軌為導(dǎo)向面，導(dǎo)向精度較高，而平導(dǎo)軌的工藝性好，因此應(yīng)用最廣。 這種組合有V-平組合、棱-平組合兩種形式。V-平組合導(dǎo)軌易儲(chǔ)存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導(dǎo)軌不能儲(chǔ)存潤滑油，只用于低速移動(dòng)。見圖21-11。
矩形和矩形組合：承載面和導(dǎo)向面分開，因而制造和調(diào)整簡單。導(dǎo)向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。見圖21-12。
(3）間隙調(diào)整 為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動(dòng)表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會(huì)增加摩擦阻力；間隙過大，會(huì)降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動(dòng)量，而且導(dǎo)軌經(jīng)過長期使用后，會(huì)因磨損而增大間隙，需要及時(shí)調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。 矩形導(dǎo)軌需要在垂直和水平兩個(gè)方向上調(diào)整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調(diào)整它的低面間隙，其方法有：a）刮研或配磨下壓板的結(jié)合面；b）用螺釘調(diào)整鑲條位置；c）改變墊片的片數(shù)或厚度；見圖21-13。 在水平方向上，常用平鑲條或斜鑲條調(diào)整它的側(cè)面間隙。見圖21-14。 圓形導(dǎo)軌的間隙不能調(diào)整。
有些導(dǎo)軌（如非水平放置的導(dǎo)軌）在移動(dòng)之后要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖（夾）緊裝置。常用的鎖緊方式有機(jī)械鎖緊和液壓鎖緊。見圖21-15。
導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法，以及使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長的時(shí)間內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。提高導(dǎo)軌耐磨性的措施有： 1)選擇合理的比壓 單位面積上的壓力成為比壓，即 p=P/S（公斤/厘米2） 式中 P-作用在導(dǎo)軌上的力（公斤） S-導(dǎo)軌的支承面積（厘米2） 由上式可知，要減小導(dǎo)軌的比壓，應(yīng)減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量和增大導(dǎo)軌支承面的面積。減小兩導(dǎo)軌面之間的中心距，可以減小外形尺寸和減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量。但減小中心距受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，同時(shí)中心距太小，將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。 降低導(dǎo)軌比壓的另一辦法，是采用卸荷裝置，即在導(dǎo)軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作用力，以抵消導(dǎo)軌所承受的部分載荷。 2)選擇合適材料 目前常采用的導(dǎo)軌材料有以下幾種： 鑄鐵- 導(dǎo)軌與承導(dǎo)件或運(yùn)動(dòng)件鑄成一體，其材料常用灰口鑄鐵。它具有成本低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。在潤滑和防護(hù)良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200較為合適。適當(dāng)增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可提高導(dǎo)軌的耐磨性。若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用耐磨鑄鐵，如高磷鑄鐵，硬度為HB=180～220，耐磨性能比灰口鑄鐵高一倍左右。若加入一定量的銅和鈦，成為磷銅鈦鑄鐵，其耐磨性比灰口鑄鐵高兩倍左右。但高磷系鑄鐵的脆性和鑄造應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)蔫T造工藝。 此外，還可使用低合金鑄鐵及稀土鑄鐵。 鋼-要求較高的或焊接機(jī)架上的導(dǎo)軌，常用淬火的合金鋼制造。淬硬的鋼導(dǎo)軌的耐磨性比普通灰鑄鐵高5～10倍。常用的有20Cr鋼滲碳淬火和40Cr高頻淬火。 鋼導(dǎo)軌鑲接的方法有： 螺釘連接，應(yīng)使螺釘不受剪切；為避免導(dǎo)軌上有孔（孔內(nèi)積存贓物而加速磨損），一般采用倒裝螺釘。結(jié)構(gòu)上不便于從下面伸入螺釘固定時(shí)，可采用如圖21-16所示的方法。螺釘固緊后，將六角頭磨平，使導(dǎo)軌上的螺釘孔和螺釘頭之間沒有間隙。
塑料-用聚四氟乙烯為基材，添加不同的填充劑作為導(dǎo)軌材料。它具有耐磨、抗振以及動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低（0.04），可消除低速爬行現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。 3)熱處理 為提高鑄鐵導(dǎo)軌的耐磨性，常對導(dǎo)軌表面進(jìn)行淬火處理。表面淬火方法有：火焰淬火、高頻淬火和電接觸淬火。 4)潤滑和防護(hù) 潤滑油能使導(dǎo)軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導(dǎo)軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長導(dǎo)軌的使用壽命。同時(shí)，對低速運(yùn)動(dòng)，潤滑可以防止"爬行"；對高速運(yùn)動(dòng)，可減少摩擦熱，減少熱變形。 導(dǎo)軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動(dòng)油泵和自動(dòng)潤滑等。 導(dǎo)軌的防護(hù)裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導(dǎo)軌表面，以免使導(dǎo)軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此，在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護(hù)罩，使導(dǎo)軌不外露等辦法。 (6) 結(jié)構(gòu)尺寸的驗(yàn)算 1)校核溫度變化對導(dǎo)軌間隙的影響 導(dǎo)軌在溫度變化較大的環(huán)境中工作，應(yīng)在選定精度和配合后，作導(dǎo)軌間隙驗(yàn)算。為了保證工作時(shí)不致卡住，導(dǎo)軌的最小間隙應(yīng)大于或等于零，即 Δmin≥0 導(dǎo)軌的最小間隙用下式計(jì)算： Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)] (mm) 式中t-工作溫度（°C） t0-制造時(shí)溫度（°C） Dmin-包容件在t0時(shí)的最小尺寸（mm） dmax-被包容件在t0時(shí)的最大尺寸（mm） αk-包容件材料的線膨脹系數(shù)（1/°C） αz-被包容件材料的線膨脹系數(shù)（1/°C） 為保證導(dǎo)向精度，導(dǎo)軌的最大間隙Δmax應(yīng)小于或等于允許值，即Δmax≤[Δmax] 導(dǎo)軌的最大間隙用下式計(jì)算： Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)] (mm) 式中 Dmax-包容件在t0時(shí)的最大尺寸（mm） dmin-被包容件在t0時(shí)的最小尺寸（mm） 2)不自鎖條件和導(dǎo)軌間隙計(jì)算 當(dāng)初定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式和尺寸后，應(yīng)注意作用力的方向和作用點(diǎn)的位置，力求使導(dǎo)軌的傾斜力矩小，否則使導(dǎo)軌的摩擦力增大，磨損加快，從而降低導(dǎo)軌的靈活性和導(dǎo)向精度，甚至回使導(dǎo)軌卡住。其驗(yàn)算公式見表21-6。 表21-6 在承導(dǎo)件和運(yùn)動(dòng)件之間放入一些滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個(gè)導(dǎo)軌面不直接接觸的導(dǎo)軌，稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時(shí)不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)。因此，滾動(dòng)導(dǎo)軌在要求微量移動(dòng)和精確定位的設(shè)備上，獲得日益廣泛的運(yùn)用。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面和滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，抗振性差，接觸應(yīng)力大，故對導(dǎo)軌的表面硬度要求高；對導(dǎo)軌的形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求高。 (1)結(jié)構(gòu)形式 滾珠導(dǎo)軌-圖示21-17為V-平截面的滾珠導(dǎo)軌、雙V形截面的滾珠導(dǎo)軌和圓形截面滾珠導(dǎo)軌。由于滾珠和導(dǎo)軌面是點(diǎn)接觸，故運(yùn)動(dòng)輕便，但剛度低，承載能力小。常用于運(yùn)動(dòng)件重量、載荷不大的場合。
滾柱導(dǎo)軌支承為標(biāo)準(zhǔn)部件，具有安裝、潤滑簡單，調(diào)整防護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖21-19所示。由于滾柱在封閉的滾道內(nèi)滾動(dòng)，故可用于行程很大的導(dǎo)軌上。
1)結(jié)構(gòu)形式的選擇：滾動(dòng)導(dǎo)軌按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為開式和閉式兩種。開式滾動(dòng)導(dǎo)軌用于外加載荷作用在兩條導(dǎo)軌中間，依靠運(yùn)動(dòng)件本身重量即可保持導(dǎo)軌良好接觸的場合。閉式導(dǎo)軌則相反。 滾珠導(dǎo)軌的靈活性最好，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但承載能力小，剛度低，常用于精度要求高、運(yùn)動(dòng)靈活、輕載的場合。滾柱（針）導(dǎo)軌剛度大，承載能力強(qiáng)，但對位置精度要求高。滾動(dòng)導(dǎo)軌采用標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，潤滑方便。宜用于中等精度的場合。為了增加滾動(dòng)導(dǎo)軌的承載能力，可施預(yù)加載荷。這時(shí)剛度大，且沒有間隙，精度相應(yīng)提高，但阻尼比無預(yù)加載荷時(shí)大，制造復(fù)雜，成本高。故多用于精密導(dǎo)軌。 2)選擇長度：一般應(yīng)在滿足導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)行程的前提下，盡可能使導(dǎo)軌的長度短一些。 為防止?jié)L動(dòng)體在行程的極端位置時(shí)脫落，運(yùn)動(dòng)件的長度應(yīng)為 L=l+2a+Smax/2 式中 L-運(yùn)動(dòng)件或承導(dǎo)件的長度，計(jì)算時(shí)取較短者的長度（毫米）； l-支承點(diǎn)的距離（毫米）； a- 在極端位置時(shí)的余量；如圖21-21。
滾動(dòng)體尺寸和數(shù)目：滾動(dòng)體直徑大，承載能力大，摩擦阻力小。對于滾珠導(dǎo)軌，滾珠直徑增大，剛度增高（滾柱導(dǎo)軌的剛度與滾柱直徑無關(guān)）。因此，如果不受結(jié)構(gòu)的限制，應(yīng)有限選用尺寸較大的滾動(dòng)體。 滾針導(dǎo)軌的摩擦阻力較大，且滾針可能產(chǎn)生滑動(dòng)。所以盡可能不采用滾針導(dǎo)軌（特別是滾針直徑小于4毫米時(shí)）。 當(dāng)滾動(dòng)體的數(shù)目增加時(shí)，導(dǎo)軌的承載能力和剛度也增加。但滾動(dòng)體的數(shù)目不宜太多，過多會(huì)增加載荷在滾動(dòng)體上分布的不均勻性，剛度反而下降。若滾動(dòng)體數(shù)目太少，制造誤差將會(huì)顯著地影響運(yùn)動(dòng)件的導(dǎo)向精度。一般在一個(gè)滾動(dòng)帶歸上，滾動(dòng)體的數(shù)目最少為12個(gè)。經(jīng)驗(yàn)表明：運(yùn)動(dòng)部件的重量，使?jié)L柱單位長度上的載荷q≥4公斤/厘米時(shí)；對于滾珠導(dǎo)軌，在每個(gè)滾珠上的載荷為p≥3（d）1/2公斤時(shí)，（d為滾珠直徑，毫米），載荷的分布比較均勻。 在滾柱導(dǎo)軌中，增加滾柱的長度，可減小接觸應(yīng)力和增大剛度，但載荷分布的不均勻性也增大。對于鋼制摸削導(dǎo)軌，滾柱導(dǎo)軌和直徑之比l/d<1.5，對于鑄鐵導(dǎo)軌，l/d可增大些（滾柱直徑一般不小于6毫米，滾針直徑不小于4毫米）。 3) 滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法：如圖21-22所示，
為減小導(dǎo)軌變形，提高剛度，除合理選擇滾動(dòng)體的形狀、尺寸、數(shù)量和適當(dāng)增加工作臺(tái)的厚度外，常用預(yù)加載荷的辦法來提高導(dǎo)軌的剛度。圖21-18所示的燕尾形滾動(dòng)導(dǎo)軌，用移動(dòng)導(dǎo)軌板獲得并控制預(yù)加載荷。 寧波三泰軸承有限公司 NINGBO SUNTHAI BEARING COMPANY 商標(biāo) BRANDS:三泰 SUNTHAI , 飛帆 F&F
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