直線導軌的結構設計.doc

直線導軌的結構設計（含滾動導軌）newmaker1 導軌的作用和設計要求 當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，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，沿給定的方向進行直線運動。對導軌的要求如下： 1.一定的導向精度。導向精度是指運動件沿導軌移動的直線性，以及它與有關基面間的相互位置的準確性。 2.運動輕便平穩(wěn)。工作時，應輕便省力，速度均勻，低速時應無爬行現(xiàn)象。 3.良好的耐磨性。導軌的耐磨性是指導軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導軌在使用過程中要磨損，但應使磨損量小，且磨損后能自動補償或便于調整。 4.足夠的剛度。運動件所受的外力，是由導軌面承受的，故導軌應有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導軌面寬度，以降低導軌面比壓；設置輔助導軌，以承受外載。 5.溫度變化影響小。應保證導軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。 6.結構工藝性好。在保證導軌其它要求的前提下，應使導軌結構簡單，便于加工、測量、裝配和調整，降低成本。 不同設備的導軌，必須作具體分析，對其提出相應的設計要求。必須指出，上述六點要求是相互影響的。 2 導軌設計的主要內容 設計導軌應包括下列幾方面內容： 1.根據(jù)工作條件，選擇合適的導軌類型。 2.選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度? 3.選擇適當?shù)膶к壗Y構及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)。 4.選擇導軌的補償及調整裝置，經(jīng)長期使用后，通過調整能保持需要的導向精度。 5.選擇合理的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。 6.制訂保證導軌所必須的技術條件，如選擇適當?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。 3 導軌的結構設計 1. 滑動導軌 (1) 基本形式（見圖21-10） 圖21-10三角形導軌：該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110120）；為提高導向性，采用較小的頂角（60）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。 矩形導軌：優(yōu)點是結構簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高；導軌間隙需用壓板或鑲條調整，且磨損后需重新調整。 燕尾形導軌：燕尾形導軌的調整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調節(jié)各面的間隙，且高度小，結構緊湊；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。 圓形導軌：制造方便，外圓采用磨削，內孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調整間隙。為防止轉動，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)常用導軌組合形式 三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導軌為導向面，導向精度較高，而平導軌的工藝性好，因此應用最廣。 這種組合有V-平組合、棱-平組合兩種形式。V-平組合導軌易儲存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。見圖21-11。 圖21-11為使導軌移動輕便省力和兩導軌磨損均勻，驅動元件應設在三角形導軌之下，或偏向三角形導軌。 矩形和矩形組合：承載面和導向面分開，因而制造和調整簡單。導向面的間隙用鑲條調整，接觸剛度低。見圖21-12。 圖21-12雙三角形導軌：由于采用對稱結構，兩條導軌磨損均勻，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，如果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）間隙調整 為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。導軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調整，故導軌應有間隙調整裝置。 矩形導軌需要在垂直和水平兩個方向上調整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調整它的低面間隙，其方法有：a）刮研或配磨下壓板的結合面；b）用螺釘調整鑲條位置；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整它的側面間隙。見圖21-14。 圓形導軌的間隙不能調整。 圖21-13圖21-14(4）夾緊裝置 有些導軌（如非水平放置的導軌）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）提高耐磨性措施 導軌的使用壽命取決于導軌的結構、材料、制造質量、熱處理方法，以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長的時間內保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。提高導軌耐磨性的措施有： 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-作用在導軌上的力（公斤） S-導軌的支承面積（厘米2） 由上式可知，要減小導軌的比壓，應減輕運動部件的重量和增大導軌支承面的面積。減小兩導軌面之間的中心距，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構尺寸的限制，同時中心距太小，將導致運動不穩(wěn)定。 降低導軌比壓的另一辦法，是采用卸荷裝置，即在導軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作用力，以抵消導軌所承受的部分載荷。 2)選擇合適材料 目前常采用的導軌材料有以下幾種： 鑄鐵- 導軌與承導件或運動件鑄成一體，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。在潤滑和防護良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200HT400，硬度以HB=180200較為合適。適當增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可提高導軌的耐磨性。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=180220，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力較大，易產(chǎn)生裂紋，應采用適當?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軌，常用淬火的合金鋼制造。淬硬的鋼導軌的耐磨性比普通灰鑄鐵高510倍。常用的有20Cr鋼滲碳淬火和40Cr高頻淬火。 鋼導軌鑲接的方法有： 螺釘連接，應使螺釘不受剪切；為避免導軌上有孔（孔內積存贓物而加速磨損），一般采用倒裝螺釘。結構上不便于從下面伸入螺釘固定時，可采用如圖21-16所示的方法。螺釘固緊后，將六角頭磨平，使導軌上的螺釘孔和螺釘頭之間沒有間隙。 圖21-16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，成本較低。 塑料-用聚四氟乙烯為基材，添加不同的填充劑作為導軌材料。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，在實際應用中取得良好的效果。 3)熱處理 為提高鑄鐵導軌的耐磨性，常對導軌表面進行淬火處理。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 潤滑油能使導軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長導軌的使用壽命。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。 導軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動油泵和自動潤滑等。 導軌的防護裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導軌表面，以免使導軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此，在運動導軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護罩，使導軌不外露等辦法。 (6) 結構尺寸的驗算 1)校核溫度變化對導軌間隙的影響 導軌在溫度變化較大的環(huán)境中工作，應在選定精度和配合后，作導軌間隙驗算。為了保證工作時不致卡住，導軌的最小間隙應大于或等于零，即 min0 導軌的最小間隙用下式計算： min=Dmin1+k(t-t0)-dmax1+z(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） k-包容件材料的線膨脹系數(shù)（1/C） z-被包容件材料的線膨脹系數(shù)（1/C） 為保證導向精度，導軌的最大間隙max應小于或等于允許值，即maxmax 導軌的最大間隙用下式計算： max=Dmax1+k(t-t0)-dmin1+z(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)不自鎖條件和導軌間隙計算 當初定導軌的結構形式和尺寸后，應注意作用力的方向和作用點的位置，力求使導軌的傾斜力矩小，否則使導軌的摩擦力增大，磨損加快，從而降低導軌的靈活性和導向精度，甚至回使導軌卡住。其驗算公式見表21-6。 表21-6 2.滾動導軌 在承導件和運動件之間放入一些滾動體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個導軌面不直接接觸的導軌，稱為滾動導軌。 滾動導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，滾動導軌在要求微量移動和精確定位的設備上，獲得日益廣泛的運用。 滾動導軌的缺點是：導軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差，接觸應力大，故對導軌的表面硬度要求高；對導軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高。 (1)結構形式 滾珠導軌-圖示21-17為V-平截面的滾珠導軌、雙V形截面的滾珠導軌和圓形截面滾珠導軌。由于滾珠和導軌面是點接觸，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。 圖21-17滾柱（滾針）導軌-滾柱導軌中的滾柱與導軌面是線接觸，故它的承載能力和剛度比滾珠導軌大，耐磨性較好，靈活性稍差。如圖21-18，滾柱對導軌的不平度較敏感，容易產(chǎn)生側向偏移和滑動，而使導軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。滾柱的直徑越大，對導軌的不平度越為敏感。 圖21-18當結構尺寸受限制時，可采用直徑較小的滾柱，這種導軌稱為滾針導軌。 滾柱導軌支承為標準部件，具有安裝、潤滑簡單，調整防護容易等優(yōu)點。其結構如圖21-19所示。由于滾柱在封閉的滾道內滾動，故可用于行程很大的導軌上。 滾動導軌支撐 1-本體 2-滾柱 3-導向片 4-反射器滾柱導軌可采用標準的滾動軸承，裝在偏心軸上，如圖21-20所示，以便于調整。其偏心量一般取0.2-0.5毫米。 圖21-20(2)滾動導軌設計的一般問題 1)結構形式的選擇：滾動導軌按其結構特點，分為開式和閉式兩種。開式滾動導軌用于外加載荷作用在兩條導軌中間，依靠運動件本身重量即可保持導軌良好接觸的場合。閉式導軌則相反。 滾珠導軌的靈活性最好，結構簡單，制造容易，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）導軌剛度大，承載能力強，但對位置精度要求高。滾動導軌采用標準滾動軸承，結構簡單，制造容易，潤滑方便。宜用于中等精度的場合。為了增加滾動導軌的承載能力，可施預加載荷。這時剛度大，且沒有間隙，精度相應提高，但阻尼比無預加載荷時大，制造復雜，成本高。故多用于精密導軌。 2)選擇長度：一般應在滿足導軌運動行程的前提下，盡可能使導軌的長度短一些。 為防止?jié)L動體在行程的極端位置時脫落，運動件的長度應為 L=l+2a+Smax/2 式中L-運動件或承導件的長度，計算時取較短者的長度（毫米）； l-支承點的距離（毫米）； a- 在極端位置時的余量；如圖21-21。 采用循環(huán)式的滾動導軌支承時，運動件的行程長度不受限制。 滾動體尺寸和數(shù)目：滾動體直徑大，承載能力大，摩擦阻力小。對于滾珠導軌，滾珠直徑增大，剛度增高（滾柱導軌的剛度與滾柱直徑無關）。因此，如果不受結構的限制，應有限選用尺寸較大的滾動體。 滾針導軌的摩擦阻力較大，且滾針可能產(chǎn)生滑動。所以盡可能不采用滾針導軌（特別是滾針直徑小于4毫米時）。 當滾動體的數(shù)目增加時，導軌的承載能力和剛度也增加。但滾動體的數(shù)目不宜太多，過多會增加載荷在滾動體上分布的不均勻性，剛度反而下降。若滾動體數(shù)目太少，制造誤差將會顯著地影響運動件的導向精度。一般在一個滾動帶歸上，滾動體的數(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q4公斤/厘米時；對于滾珠導軌，在每個滾珠上的載荷為p3（d）1/2公斤時，（d為滾珠直徑，毫米），載荷的分布比較均勻。 在滾柱導軌中，增加滾柱的長度，可減小接觸應力和增大剛度，但載荷分布的不均勻性也增大。對于鋼制摸削導軌，滾柱導軌和直徑之比l/d1.5，對于鑄鐵導軌，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) 滾動導軌剛度及預緊方法：如圖21-22所示， 圖21-22(a) 當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當導軌移動到位置或時，兩端滾動