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直线导轨的结构设计
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文章附图
1 导轨的作用和设计要求

当运动件沿着承导件作直线运动时,承导件上的导轨起支承和导向的作用,即支承运动件和保证运动件在外力(载荷及运动件本身的重量)的作用下,沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下:

1.一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性,以及它与有关基面间的相互位置的准确性。
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.良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后,能保持一定的使用精度。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.足够的刚度。运动件所受的外力,是由导轨面承受的,故导轨应有足够的接触刚度。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的条件下,仍能正常工作。
6.结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下,应使导轨结构简单,便于加工、测量、装配和调整,降低成本。

不同设备的导轨,必须作具体分析,对其提出相应的设计要求。必须指出,上述六点要求是相互影响的。

2 导轨设计的主要内容

设计导轨应包括下列几方面内容:

1.根据工作条件,选择合适的导轨类型。
2.选择导轨的截面形状,以保证导向精度。
3.选择适当的导轨结构及尺寸,使其在给定的载荷及工作温度范围内,有足够的刚度,良好的耐磨性,以及运动轻便和平稳。
4.选择导轨的补偿及调整装置,经长期使用后,通过调整能保持需要的导向精度。
5.选择合理的润滑方法和防护装置,使导轨有良好的工作条件,以减少摩擦和磨损。
6.制订保证导轨所必须的技术条件,如选择适当的材料,以及热处理、精加工和测量方法等。

3 导轨的结构设计

1. 滑动导轨

(1) 基本形式(见图21-10)


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。它的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,在导轨高度不变的条件下,采用较大的顶角(110°~120°);为提高导向性,采用较小的顶角(60°)。如果导轨上所受的力,在两个方向上的分力相差很大,应采用不对称三角形,以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。

矩形导轨:优点是结构简单,制造、检验和修理方便;导轨面较宽,承载力较大,刚度高,故应用广泛。但它的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:燕尾形导轨的调整及夹紧较简便,用一根镶条可调节各面的间隙,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,高度尺寸受限制的场合。

圆形导轨:制造方便,外圆采用磨削,内孔珩磨可达精密的配合,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,但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合。

(2)常用导轨组合形式

三角形和矩形组合:这种组合形式以三角导轨为导向面,导向精度较高,而平导轨的工艺性好,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和两导轨磨损均匀,驱动元件应设在三角形导轨之下,或偏向三角形导轨。

矩形和矩形组合:承载面和导向面分开,因而制造和调整简单。导向面的间隙用镶条调整,接触刚度低。见图21-12。


图21-12

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,如果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的场合。

(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的间隙。间隙过小,会增加摩擦阻力;间隙过大,会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证,要废很大的劳动量,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和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的低面间隙,其方法有:a)刮研或配磨下压板的结合面;b)用螺钉调整镶条位置;c)改变垫片的片数或厚度;见图21-13。

在水平方向上,常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。见图21-14。

圆形导轨的间隙不能调整。


图21-13


图21-14

(4)夹紧装置

有些导轨(如非水平放置的导轨)在移动之后要求将它的位置固定,因而要用专用的锁(夹)紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。见图21-15。

(5)提高耐磨性措施

导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法,以及使用与维护。提高导轨的耐磨性,使其在较长的时间内保持一定的导向精度,就能延长设备的使用寿命。提高导轨耐磨性的措施有:

1)选择合理的比压 单位面积上的压力成为比压,即

p=P/S(公斤/厘米2)

式中 P-作用在导轨上的力(公斤)
S-导轨的支承面积(厘米2)

由上式可知,要减小导轨的比压,应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。减小两导轨面之间的中心距,可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。但减小中心距受到结构尺寸的限制,同时中心距太小,将导致运动不稳定。

降低导轨比压的另一办法,是采用卸荷装置,即在导轨载荷的相反方向,增加弹簧或液压作用力,以抵消导轨所承受的部分载荷。

2)选择合适材料 目前常采用的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。它具有成本低,工艺性好,热稳定性高等优点。在润滑和防护良好的情况下,具有一定的耐磨性。常用的是HT200~HT400,硬度以HB=180~200较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量,减少含硅量,可提高导轨的耐磨性。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=180~220,耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。若加入一定量的铜和钛,成为磷铜钛铸铁,其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。但高磷系铸铁的脆性和铸造应力较大,易产生裂纹,应采用适当的铸造工艺。

此外,还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。

钢-要求较高的或焊接机架上的导轨,常用淬火的合金钢制造。淬硬的钢导轨的耐磨性比普通灰铸铁高5~10倍。常用的有20Cr钢渗碳淬火和40Cr高频淬火。

钢导轨镶接的方法有:

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入螺钉固定时,可采用如图21-16所示的方法。螺钉固紧后,将六角头磨平,使导轨上的螺钉孔和螺钉头之间没有间隙。


图21-16

用环氧树脂胶接,胶接面之间的间隙不超过0.25毫米。胶粘导轨具有一定的胶接刚度和强度,尚有一定的抗冲击性能,工艺简单,成本较低。

塑料-用聚四氟乙烯为基材,添加不同的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的效果。

3)热处理 为提高铸铁导轨的耐磨性,常对导轨表面进行淬火处理。表面淬火方法有:火焰淬火、高频淬火和电接触淬火。

4)润滑和防护 润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜,阻止或减少导轨面直接接触,减小摩擦和磨损,以延长导轨的使用寿命。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。

导轨润滑的方式有浇杯、油杯、手动油泵和自动润滑等。

导轨的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、生锈和过早的磨损。为此,在运动导轨端部安装刮板;采用各种式样的防护罩,使导轨不外露等办法。

(6) 结构尺寸的验算

1)校核温度变化对导轨间隙的影响 导轨在温度变化较大的环境中工作,应在选定精度和配合后,作导轨间隙验算。为了保证工作时不致卡住,导轨的最小间隙应大于或等于零,即 Δmin≥0

导轨的最小间隙用下式计算:

Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)] (mm)

式中t-工作温度(°C)
t0-制造时温度(°C)
Dmin-包容件在t0时的最小尺寸(mm)
dmax-被包容件在t0时的最大尺寸(mm)
αk-包容件材料的线膨胀系数(1/°C)
αz-被包容件材料的线膨胀系数(1/°C)

为保证导向精度,导轨的最大间隙Δmax应小于或等于允许值,即Δmax≤[Δmax]

导轨的最大间隙用下式计算:

Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)] (mm)

式中 Dmax-包容件在t0时的最大尺寸(mm)
dmin-被包容件在t0时的最小尺寸(mm)

2)不自锁条件和导轨间隙计算

当初定导轨的结构形式和尺寸后,应注意作用力的方向和作用点的位置,力求使导轨的倾斜力矩小,否则使导轨的摩擦力增大,磨损加快,从而降低导轨的灵活性和导向精度,甚至回使导轨卡住。其验算公式见表21-6。

表21-6

2.滚动导轨

在承导件和运动件之间放入一些滚动体(滚珠、滚柱或滚针),使相配的两个导轨面不直接接触的导轨,称为滚动导轨。

滚动导轨的特点是摩擦阻力小,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,滚动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上,获得日益广泛的运用。

滚动导轨的缺点是:导轨面和滚动体是点接触或线接触,抗振性差,接触应力大,故对导轨的表面硬度要求高;对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。

(1)结构形式

滚珠导轨-图示21-17为V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨。由于滚珠和导轨面是点接触,故运动轻便,但刚度低,承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。


图21-17

滚柱(滚针)导轨-滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触,故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大,耐磨性较好,灵活性稍差。如图21-18,滚柱对导轨的不平度较敏感,容易产生侧向偏移和滑动,而使导轨的阻力增加,磨损加快,精度降低。滚柱的直径越大,对导轨的不平度越为敏感。


图21-18

当结构尺寸受限制时,可采用直径较小的滚柱,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,调整防护容易等优点。其结构如图21-19所示。由于滚柱在封闭的滚道内滚动,故可用于行程很大的导轨上。


滚动导轨支撑
1-本体 2-滚柱 3-导向片 4-反射器

滚柱导轨可采用标准的滚动轴承,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。


图21-20

(2)滚动导轨设计的一般问题

1)结构形式的选择:滚动导轨按其结构特点,分为开式和闭式两种。开式滚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的场合。闭式导轨则相反。

滚珠导轨的灵活性最好,结构简单,制造容易,但承载能力小,刚度低,常用于精度要求高、运动灵活、轻载的场合。滚柱(针)导轨刚度大,承载能力强,但对位置精度要求高。滚动导轨采用标准滚动轴承,结构简单,制造容易,润滑方便。宜用于中等精度的场合。为了增加滚动导轨的承载能力,可施预加载荷。这时刚度大,且没有间隙,精度相应提高,但阻尼比无预加载荷时大,制造复杂,成本高。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的前提下,尽可能使导轨的长度短一些。

为防止滚动体在行程的极端位置时脱落,运动件的长度应为

L=l+2a+Smax/2

式中L-运动件或承导件的长度,计算时取较短者的长度(毫米);
l-支承点的距离(毫米);
a- 在极端位置时的余量;如图21-21。

采用循环式的滚动导轨支承时,运动件的行程长度不受限制。

滚动体尺寸和数目:滚动体直径大,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(滚柱导轨的刚度与滚柱直径无关)。因此,如果不受结构的限制,应有限选用尺寸较大的滚动体。

滚针导轨的摩擦阻力较大,且滚针可能产生滑动。所以尽可能不采用滚针导轨(特别是滚针直径小于4毫米时)。

当滚动体的数目增加时,导轨的承载能力和刚度也增加。但滚动体的数目不宜太多,过多会增加载荷在滚动体上分布的不均匀性,刚度反而下降。若滚动体数目太少,制造误差将会显著地影响运动件的导向精度。一般在一个滚动带归上,滚动体的数目最少为12个。经验表明:运动部件的重量,使滚柱单位长度上的载荷q≥4公斤/厘米时;对于滚珠导轨,在每个滚珠上的载荷为p≥3(d)1/2公斤时,(d为滚珠直径,毫米),载荷的分布比较均匀。

在滚柱导轨中,增加滚柱的长度,可减小接触应力和增大刚度,但载荷分布的不均匀性也增大。对于钢制摸削导轨,滚柱导轨和直径之比l/d<1.5,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) 滚动导轨刚度及预紧方法:如图21-22所示,


图21-22

(a) 当工作台往复移动时,工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化,受力大的滚动体变形大,受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时,两端滚动体受力相等,工作台保持水平;当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时,两端滚动体受力不相等,变形不一致,使工作台倾斜α角,由此造成误差。此外,滚动体支承工作台,若工作台刚度差,见图21-23,则在自重和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),影响导轨的精度。


图21-23

为减小导轨变形,提高刚度,除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的厚度外,常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。图21-18所示的燕尾形滚动导轨,用移动导轨板获得并控制预加载荷。

试验证明:随着过盈量的增加,导轨的刚度开始急剧增加,达到一定程度后,再增加过盈量,刚度不会显著提高。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,合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。

4)技术要求:导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度,设计时应根据使用要求,制定出滚动导轨的若干技术条件,下列项目和数据可供参考:

两导轨面间的不平度一般为3微米;

导轨不直度一般为10-15微米,精密的小于10微米。

滚动体的直径差,对于一般的导轨,全部滚动体的直径差不大于2微米,每组滚动体的直径差不大于1微米;对于精密导轨,全部滚动体的直径差不大于1微米,每组滚动体的直径差不大于0.5微米;

滚柱的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25×25厘米2内,其接触斑点为20-25个点,精密的取上限,一般的取下限。 (end)



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