導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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. 直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計（含轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌） 1 導(dǎo)軌的作用和設(shè)計要求 當(dāng)運動件沿著承導(dǎo)件作直線運動時，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力（載荷及運動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運動。對導(dǎo)軌的要求如下： 1.一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運動件沿導(dǎo)軌移動的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的正確性。 2.運動輕便平穩(wěn)。工作時，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時應(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，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整。 4.足夠的剛度。運動件所受的外力，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)軌其它要求的條件下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、丈量、裝配和調(diào)整，降低本錢。 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)計要求。必須指出，上述六點要求是相互影響的。 2 導(dǎo)軌設(shè)計的主要內(nèi)容 設(shè)計導(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)軌的截面外形，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，以及運動輕便和平穩(wěn)。 4.選擇導(dǎo)軌的補償及調(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.選擇公道的潤滑方法和防護(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、精加工和丈量方法等? 3 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. 滑動導(dǎo)軌 (1) 基本形式（見圖21-10） 三角形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌磨損后能自動補償，故導(dǎo)向精度高。它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定，一般為90。為增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110～120）；為進(jìn)步導(dǎo)向性，采用較小的頂角（60）。假如導(dǎo)軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應(yīng)采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導(dǎo)軌面。 矩形導(dǎo)軌：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便；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；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，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，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)軌易儲存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導(dǎo)軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。見圖21-11。 圖21-11 為使導(dǎo)軌移動輕便省力和兩導(dǎo)軌磨損均勻，驅(qū)動元件應(yīng)設(shè)在三角形導(dǎo)軌之下，或偏向三角形導(dǎo)軌。 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 雙三角形導(dǎo)軌：由于采用對稱結(jié)構(gòu)，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導(dǎo)向精度高，但工藝性差，四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，假如運動部件熱變形不同，也不能保證四個面同時接觸，故不宜用在溫度變化大的場合。 (3）間隙調(diào)整 為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導(dǎo)軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(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。 圖21-13 圖21-14 (4）夾緊裝置 有些導(dǎo)軌（如非水平放置的導(dǎo)軌）在移動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械鎖緊和液壓鎖緊。見圖21-15。 (5）進(jìn)步耐磨性措施 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)。進(jìn)步導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長的時間內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。進(jìn)步導(dǎo)軌耐磨性的措施有： 1)選擇公道的比壓 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)減輕運動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動部件的重量。但減小中心距受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，同時中心距太小，將導(dǎo)致運動不穩(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)件或運動件鑄成一體，其材料常用灰口鑄鐵。它具有本錢低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點。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，可進(jìn)步導(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。若加進(jìn)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)上不便于從下面伸進(jìn)螺釘固定時，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。 用環(huán)氧樹脂膠接，膠接面之間的間隙不超過0.25毫米。膠粘導(dǎo)軌具有一定的膠接剛度和強度，尚有一定的抗沖擊性能，工藝簡單，本錢較低。 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、靜摩擦系數(shù)低（0.04），可消除低速爬行現(xiàn)象，在實際應(yīng)用中取得良好的效果。 3)熱處理 為進(jìn)步鑄鐵導(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，對低速運動，潤滑可以防止"爬行"；對高速運動，可減少摩擦熱，減少熱變形。 導(dǎo)軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動油泵和自動潤滑等。 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，在運動導(dǎo)軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護(hù)罩，使導(dǎo)軌不過露等辦法。 (6) 結(jié)構(gòu)尺寸的驗算 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)軌間隙驗算。為了保證工作時不致卡住，導(dǎo)軌的最小間隙應(yīng)大于或即是零，即 Δmin≥0 導(dǎo)軌的最小間隙用下式計算： Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)] (mm) 式中t-工作溫度（C） t0-制造時溫度（C） Dmin-包容件在t0時的最小尺寸（mm） dmax-被包容件在t0時的最大尺寸（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)小于或即是答應(yīng)值，即Δmax≤[Δmax] 導(dǎo)軌的最大間隙用下式計算： Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)] (mm) 式中 Dmax-包容件在t0時的最大尺寸（mm） dmin-被包容件在t0時的最小尺寸（mm） 2)不自鎖條件和導(dǎo)軌間隙計算 當(dāng)初定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式和尺寸后，應(yīng)留意作用力的方向和作用點的位置，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。其驗算公式見表21-6。 2.轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌 在承導(dǎo)件和運動件之間放進(jìn)一些轉(zhuǎn)動體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個導(dǎo)軌面不直接接觸的導(dǎo)軌，稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌。 轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的特點是摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運動均勻平穩(wěn)。因此，轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌在要求微量移動和精確定位的設(shè)備上，獲得日益廣泛的運用。 轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的缺點是：導(dǎo)軌面和轉(zhuǎn)動體是點接觸或線接觸，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)軌的外形精度和轉(zhuǎn)動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)軌面是點接觸，故運動輕便，但剛度低，承載能力小。常用于運動件重量、載荷不大的場合。 滾柱（滾針）導(dǎo)軌-滾柱導(dǎo)軌中的滾柱與導(dǎo)軌面是線接觸，故它的承載能力和剛度比滾珠導(dǎo)軌大，耐磨性較好，靈活性稍差。如圖21-18，滾柱對導(dǎo)軌的不平度較敏感，輕易產(chǎn)生側(cè)向偏移和滑動，而使導(dǎo)軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。滾柱的直徑越大，對導(dǎo)軌的不平度越為敏感。 當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸受限制時，可采用直徑較小的滾柱，這種導(dǎo)軌稱為滾針導(dǎo)軌。 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)輕易等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)如圖21-19所示。由于滾柱在封閉的滾道內(nèi)轉(zhuǎn)動，故可用于行程很大的導(dǎo)軌上。 轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌支撐 1-本體 2-滾柱 3-導(dǎo)向片 4-反射器 滾柱導(dǎo)軌可采用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)動軸承，裝在偏心軸上，如圖21-20所示，以便于調(diào)整。其偏心量一般取0.2-0.5毫米。 2)轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌設(shè)計的一般題目 1)結(jié)構(gòu)形式的選擇：轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌按其結(jié)構(gòu)特點，分為開式和閉式兩種。開式轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌用于外加載荷作用在兩條導(dǎo)軌中間，依靠運動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，制造輕易，但承載能力小，剛度低，常用于精度要求高、運動靈活、輕載的場合。滾柱（針）導(dǎo)軌剛度大，承載能力強，但對位置精度要求高。轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌采用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動軸承，結(jié)構(gòu)簡單，制造輕易，潤滑方便。宜用于中等精度的場合。為了增加轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的承載能力，可施預(yù)加載荷。這時剛度大，且沒有間隙，精度相應(yīng)進(jìn)步，但阻尼比無預(yù)加載荷時大，制造復(fù)雜，本錢高。故多用于精密導(dǎo)軌。 2)選擇長度：一般應(yīng)在滿足導(dǎo)軌運動行程的條件下，盡可能使導(dǎo)軌的長度短一些。 為防止轉(zhuǎn)動體在行程的極端位置時脫落，運動件的長度應(yīng)為 L=l+2a+Smax/2 式中L-運動件或承導(dǎo)件的長度，計算時取較短者的長度（毫米）； l-支承點的間隔（毫米）；a- 在極端位置時的余量；如圖。 采用循環(huán)式的轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌支承時，運動件的行程長度不受限制。 轉(zhuǎn)動體尺寸和數(shù)目：轉(zhuǎn)動體直徑大，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，假如不受結(jié)構(gòu)的限制，應(yīng)有限選用尺寸較大的轉(zhuǎn)動體。 滾針導(dǎo)軌的摩擦阻力較大，且滾針可能產(chǎn)生滑動。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）。 當(dāng)轉(zhuǎn)動體的數(shù)目增加時，導(dǎo)軌的承載能力和剛度也增加。但轉(zhuǎn)動體的數(shù)目不宜太多，過多會增加載荷在轉(zhuǎn)動體上分布的不均勻性，剛度反而下降。若轉(zhuǎn)動體數(shù)目太少，制造誤差將會明顯地影響運動件的導(dǎo)向精度。一般在一個轉(zhuǎn)動帶回上，轉(zhuǎn)動體的數(shù)目最少為12個。經(jīng)驗表明：運動部件的重量，使?jié)L柱單位長度上的載荷q≥4公斤/厘米時；對于滾珠導(dǎo)軌，在每個滾珠上的載荷為p≥3（d）1/2公斤時，（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) 轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法：如圖所示， a) 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端轉(zhuǎn)動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的轉(zhuǎn)動體變形大，受力小的轉(zhuǎn)動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置Ⅰ時，兩端轉(zhuǎn)動體受力相等，工作臺保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置Ⅱ或Ⅲ時，兩端轉(zhuǎn)動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜α角，由此造成誤差。此外，轉(zhuǎn)動體支承工作臺，若工作臺剛度差，見下圖，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 為減小導(dǎo)軌變形，進(jìn)步剛度，除公道選擇轉(zhuǎn)動體的外形、尺寸、數(shù)目和適當(dāng)增加工作臺的厚度外，常用預(yù)加載荷的辦法來進(jìn)步導(dǎo)軌的剛度。圖21-18所示的燕尾形轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌，用移動導(dǎo)軌板獲得并控制預(yù)加載荷。 試驗證實：隨著過盈量的增加，導(dǎo)軌的剛度開始急劇增加，達(dá)到一定程度后，再增加過盈量，剛度不會明顯進(jìn)步。牽引力隨著過盈量增加而增大，但在一定限度內(nèi)變化不大，過盈量超過一定值后，則急劇增加。因此，公道的過盈量應(yīng)使導(dǎo)軌剛度較好而牽引力不大。 4)技術(shù)要求：導(dǎo)軌的質(zhì)量取決于它的制造精度和安裝精度，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)使用要求，制定出轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的若干技術(shù)條件，下列項目和數(shù)據(jù)可供參考： 兩導(dǎo)軌面間的不平度一般為3微米； 導(dǎo)軌不直度一般為10-15微米，精密的小于10微米。 轉(zhuǎn)動體的直徑差，對于一般的導(dǎo)軌，全部轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于2微米，每組轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于1微米；對于精密導(dǎo)軌，全部轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于1微米，每組轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于0.5微米； 滾柱的錐度在滾柱長度范圍內(nèi)，大小端直徑差小于0.5-1微米； 表面光潔度通常應(yīng)刮研；在2525厘米2內(nèi)，其接觸斑點為20-25個點，精密的取上限，一般的取下限。 (end) .