第三章-機床主要部件設計(3)新

2023年2月5日機械制造裝備設計

第三章機床主要部件設計第三章機床主要部件設計

第三節(jié)導軌設計第四節(jié)滾珠絲杠螺母副機構

◆

移置導軌可調整部件之間的相對位置，在機床中沒有相對運動。如：臥式車床的尾座導軌。第三節(jié)導軌設計

一、導軌的功用和分類

1.功用：承受載荷和導向。承受安裝在導軌上的運動部件及工件的質量和切削力，引導運動部件沿一定的軌跡運動。

◆主運動導軌用于刨床、拉床、插齒機的主運動導軌。

◆進給運動導軌用于機床的進給系統(tǒng)中。（1）按運動性質分為2.分類及應用第三節(jié)導軌設計

（2）按摩擦性質分為滑動導軌、滾動導軌。

靜壓滑動導軌液體摩擦，導軌間有壓力油膜層，靠液壓系統(tǒng)提供壓力油膜。用于高精度機床進給導軌。

動壓滑動導軌液體摩擦，動壓油膜的形成是利用滑移速度帶動潤滑油從大間隙處向狹窄處流動形成的。適用于主運動導軌。

普通滑動導軌混合摩擦，導軌間有一定動壓效應，速度較低，導軌面處于接觸狀態(tài)。用于大多數普通機床。

滾動導軌導軌面之間裝有滾動元件（鋼球），靠鋼球的滾動摩擦引導部件運動。廣泛用于數控、精密和高精度機床。第三節(jié)導軌設計

（3）按結構形式分為開式導軌、閉式導軌。

開式導軌

是利用部件質量和載荷，使導軌副在全長上始終保持接觸的導軌。

開式導軌不能承受較大顛覆力矩。用于大型機床的水平導軌。

閉式導軌能保持導軌副始終接觸，故能承受較大的顛覆力矩。

如圖，壓板和床身導軌下底面a組成的輔助導軌。閉式導軌

是在開式導軌上增加輔助導軌而構成。第三節(jié)導軌設計

二、滑動導軌結構設計1.導軌的截面形狀選擇

要使動導軌嚴格按規(guī)定的軌跡運動，必須限制五個自由度。因導軌的摩擦面寬度較小，故導軌可視為窄定位板。

兩個窄支承平面a、b構成一個定位面，限制3個自由度窄支承平面c限制2個自由度①雙矩形導軌

導軌制造容易，剛度和承載能力大，安裝調整方便。但側導向需用鑲條調整間隙補償導軌面的磨損。廣泛用于普通精度的中型車床、組合機床、升降臺銑床、數控機床等。第三節(jié)導軌設計②

三角形和矩形導軌的組合

導軌的導向性好，制造方便、剛度高。廣泛用于車床、磨床、龍門銑床、龍門刨、滾齒機、坐標鏜床的床身導軌。

對于三角形導軌，減小其頂角α，導軌的導向性能提高，但承載能力下降。

一般機床取α=900，重型機床取α≥900，精密機床和滾齒機取α

<900。第三節(jié)導軌設計③雙三角形導軌

這種導軌不需要鑲條調整間隙，接觸剛度好，導向性和精度保持性好。但工藝性差，加工、檢驗和維修不方便，只能配加工。

多用于精密機床，如絲杠車床、導軌磨床、齒輪磨床等。

④燕尾形和矩形導軌的組合

這組導軌調整方便，承載力矩大。廣泛用在機床的橫梁、立柱、搖臂導軌中。第三節(jié)導軌設計第三節(jié)導軌設計⑤雙燕尾形導軌

是一種不用輔助導軌副的閉式導軌。導軌高度小，可承受顛覆力矩。

燕尾導軌是過定位，必須用鑲條調整摩擦面的間隙。由于結構原因，此導軌剛度差，加工、檢驗、維修不方便。

用于受力小，結構層數多，間隙調整方便處，如牛頭刨床滑枕導軌、臥式車床的刀架導軌等。第三節(jié)導軌設計2.導軌間隙的調整

（1）輔助導軌間隙調整

采用壓板調整輔助導軌面間隙，承受顛覆力矩。

圖a：通過精磨或刮削壓板厚度調整間隙。

圖b：通過改變墊片層數和墊片厚度調整間隙。

圖c：通過壓板和導軌間的平鑲條調節(jié)間隙。第三節(jié)導軌設計

（2）矩形導軌和燕尾導軌的間隙調整

圖a、圖b：平鑲條較薄，全長只由幾個螺釘調整間隙，鑲條在幾個點上受力，因此鑲條易變形，剛度較低。

圖c：間隙調整后，再擰緊緊固螺栓。平鑲條調整方便。

采用鑲條來調整矩形導軌和燕尾導軌的側面間隙。鑲條應裝在導軌受力較小的一側，以提高剛度。①平鑲條調整間隙第三節(jié)導軌設計②斜鑲條調整間隙

調整方式：將動導軌的一面做成與鑲條斜度相同，方向相反的斜面，通過斜面配合，縱向移動鑲條來調整導軌橫向間隙。

缺點：螺釘的凸肩和鑲條溝槽間的間隙會引起鑲條在運動中竄動。

圖a：用螺釘推動鑲條縱向移動，結構簡單，調整方便。第三節(jié)導軌設計

圖c：將螺釘凸肩變?yōu)閹A柱銷的調整套，圓柱銷與圓孔配作，通過配合精度控制鑲條的竄動。調整方便，但縱向尺寸較長。

圖b：用雙螺釘調節(jié)，能避免鑲條竄動，性能較好。

孕育鑄鐵廣泛應用在臥式車床、轉塔車床、升降臺銑床及磨床等機床上。

三、滑動導軌的材料及選擇

（1）鑄鐵導軌常用的有灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵等。1.滑動導軌的材料選擇

1）對耐磨性能要求高、精加工為磨削、且與床身做成一體的導軌，廣泛采用孕育鑄鐵HT300。

孕育鑄鐵是在鐵水中加入少量孕育劑硅、錳、鋁、稀土等，以獲得均勻的珠光體和細片狀石墨組織，而提高強度和硬度。并通過電接觸淬火或高頻淬火，進一步提高耐磨性。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

鉻鉬銅耐磨鑄鐵可用于制造中、小型精密機床、儀表機床的床身導軌。

2）耐磨鑄鐵是在灰鑄鐵中添加磷、銅、鈦、鉬、釩等細化晶粒的元素，其耐磨性比HT300提高1~2倍以上。

高磷耐磨鑄鐵可用于普通機床的床身、溜板、工作臺及其導軌，且應用日趨廣泛。

釩鈦耐磨鑄鐵適用于制造各類中、小型機床的導軌，其機械性能好，優(yōu)于高磷耐磨鑄鐵，溶鑄工藝簡單，耐磨性能比孕育鑄鐵HT300提高近2倍。

磷銅鈦耐磨鑄鐵

鑄件質量較高，適用于制造坐標鏜床、螺紋磨床等精密機床的床身、立柱和工作臺等導軌。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

（2）鑲鋼導軌是將淬硬的碳素鋼或合金鋼導軌，分段地鑲裝在鑄鐵和或鋼制的床身上。以提高導軌的耐磨性。

鑲鋼導軌工藝復雜、加工較困難。主要用于數控機床和加工中心的導軌中。

在鑄鐵床身上，鑲裝鋼導軌常用螺釘或楔塊擠緊固定。

在鋼制床身上，鑲裝鋼導軌一般用焊接方法連接。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

適用于中小型精密機床和數控機床，特別是潤滑不良（如立式導軌）或無法潤滑的導軌。

（3）塑料導軌

是用粘結法或噴涂法覆蓋在導軌面上。以提高耐磨性。

粘貼軟帶以聚四氟乙烯為基體，添加各種無機物和有機粉末等填料制成。

1）

粘貼塑料軟帶導軌

聚四氟乙烯軟帶導軌的特點是：①摩擦系數小，耗能低；②動靜摩擦系數接近，低速運動平穩(wěn)性好；③阻尼特性好，抗振性好；④耐磨性好，能自身潤滑，使用壽命長；⑤結構簡單，維修方便，磨損易更換，經濟性好。⑥剛性較差，受力后產生變形，對高精度的機床有影響。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

塑料涂層都是以環(huán)氧樹脂為基體，加入固體潤滑劑和膠體石墨及其它鐵粉填充劑混合而成。2）塑料涂層導軌

根據涂層材料的組織和性能不同，可分別適用于大、中、小型精密機床導軌和數控機床導軌。

涂塑導軌在西歐國家，普遍用于數控機床的制造中。

環(huán)氧樹脂塑料涂層的特點：①有較高的耐磨性、硬度、強度和熱導率；②在無潤滑情況下，能防止爬行，改善導軌的運動特性，特別是低速運動平穩(wěn)性較好。

塑料涂層應用較多的有環(huán)氧涂層、含氟涂層和HNT涂層。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施5）精密和高精度機床，導軌面需刮削，可采用耐磨鑄鐵導軌副，但動導軌的硬度比支承導軌的硬度低15~45HB。1）導軌副應采用不同的材料制造，以提高導軌副的耐磨性，防止粘結磨損。導軌副材料的選用原則：2）采用相同的材料，應采用不同的熱處理，使其雙方具有不同的硬度。3）滑動長導軌各處的使用機率不等，磨損不勻。因此，長導軌應采用耐磨性好、硬度較高的材料制造。4）普通機床的動導軌多采用聚四氟乙烯導軌軟帶，支承導軌采用淬硬的孕育鑄鐵。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施2．導軌面的精加工方法及其精度提高導軌的表面精度，增加真實的接觸面積，能提高導軌的耐磨性。導軌表面一般要求≤0.8μm。精刨導軌時刨刀沿一個方向切削，使導軌表面疏松，易引起粘著磨損，所以導軌的精加工盡量不用精刨。磨削導軌能將導軌表層疏松組織磨去，提高耐磨性，可用于導軌淬火后的精加工。

第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

刮削導軌表面接觸均勻，不易產生粘著磨損，不接觸的表面可儲存潤滑油，提高耐磨性；但刮削工作量大。因此，長導軌面一般采用精磨；短導軌面和動導軌面可采用刮削。精密機床（如坐標鏜床、導軌磨床）導軌副，導軌表面質量要求高，可在磨削后刮研。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施3．導軌的許用壓強對導軌耐磨性的影響導軌的壓強是影響導軌耐磨性的主要因素之一。導軌的許用壓強選取過大，會導致導軌磨損加快；若選取過小，又會增加導軌尺寸。

動導軌材料為鑄鐵、支承導軌材料為鑄鐵或鋼時，中型通用機床，主運動導軌和滑動速度較大的進給運動導軌，平均許用壓強為0.4～0.5，最大許用壓強為0.8～1.0；滑動速度較低的進給運動導軌，平均許用壓強為1.2～1.5，最大許用壓強為2.5～3.0。

第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

動導軌粘貼聚四氟乙烯軟帶和導軌板時，如滑移速度，則許用壓強與滑移速度的乘積為≤；如滑移速度≥，則許用壓強為。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

導軌運動精度要求高的機床和承載能力大的重型機床，為減少導軌面的接觸壓強，減小靜摩擦因數，提高導軌的耐磨性和低速運動的平穩(wěn)性，可采用卸荷導軌。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施4．導軌的潤滑對耐磨性的影響從摩擦性質來看，普通滑動導軌處于具有一定動壓效應的混合摩擦狀態(tài)?；旌夏Σ恋膭訅盒蛔阋园褜к壞Σ撩娓糸_。提高動壓效應，改善摩擦狀態(tài)，可提高導軌的耐磨性。導軌的動壓效應主要與導軌的滑移速度、潤滑油粘度、導軌面上油槽的形式和尺寸有關。導軌副相對滑移速度越高，潤滑油的粘度越大，動壓效應越顯著。

第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

潤滑油的粘度可根據導軌的工作條件和潤滑方式選擇，如低載荷（壓強p≤0.1）的速度較高的中小型機床進給導軌可采用N32全損耗系統(tǒng)用油；

中等載荷（壓強p＞0.1～0.4）的速度較低的機床導軌(大多數機床屬于此類)和垂直導軌可采用N46號全損耗系統(tǒng)用油；

重型機床（壓強p＞0.4）的低速導軌可采用N68、N100號全損耗系統(tǒng)用油。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

導軌面上的油槽尺寸、油槽形式對動壓效應的影響，在于儲存潤滑油的多少，儲存潤滑油越多，動壓效應越大；導軌面的長度與寬度之比（L/B）越大，越不容易儲存潤滑油。因此，在動導軌上加工橫向油槽，相當于減少導軌的長寬比，提高了儲存潤滑油能力，從而提高了動壓效應。第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

普通滑動導軌橫向油槽數與導軌長寬比的關系≤10＞10~20＞20~30＞30~401～42～64～108～13第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施普通滑動導軌潤滑油槽的尺寸

(單位：mm)BabcR>20～401.534～60.5>40～601.536～80.5>60～80368～101.5>80～1003610～121.5>100～15051014～182>150～20051020～252>200～30051430～502第三節(jié)導軌設計-提高導軌耐磨性措施

靜壓導軌是依靠液壓系統(tǒng)產生的壓力油，形成承載油膜的導軌

四、靜壓導軌

靜壓導軌的優(yōu)點：

①摩擦系數小，機械效率高；②導軌面被油膜隔開，不產生粘結磨損，導軌精度保持好；③導軌的油膜較厚，有均化表面誤差的作用；④油膜的阻尼比大，導軌的抗振性能良好；⑤導軌低速運動平穩(wěn)，防爬行性能良好。

靜壓導軌結構復雜，需要一套完整的液壓系統(tǒng)。

工作原理能夠將具有一定壓強的潤滑油，經節(jié)流器通入動導軌的縱向油槽中，形成承載油膜，使導軌副的摩擦面隔開，實現(xiàn)液體摩擦。第三節(jié)導軌設計

應用：

靜壓導軌適用于具有液壓傳動系統(tǒng)的精密機床和高精度機床的水平進給運動導軌。

導軌面的油腔形成一個個獨立的液壓支承點，在液壓的作用下，動導軌及其運動部件便浮動起來，形成液體摩擦。

如圖：常用的閉式靜壓導軌，液壓泵產生的壓力油，經可變節(jié)流器節(jié)流后，通入導軌面油腔A和輔助導軌面油腔B第三節(jié)導軌設計

與滑動導軌相比，滾動導軌其特點如下：

優(yōu)點：是摩擦因數小，動、靜摩擦因數很接近。

缺點:

抗振性差，但可以通過預緊方式提高，結構復雜，成本高。(1)滾動導軌的類型按滾動體分類：滾珠、滾柱、滾針

五、滾動導軌第三節(jié)導軌設計(1)滾動導軌的類型

按循環(huán)方式分類：循環(huán)式和非循環(huán)式

五、滾動導軌第三節(jié)導軌設計(2)直線滾動導軌及其工作原理直線滾動導軌又稱單元直線滾動導軌。它除導向外還能承受顛覆力矩，其制造精度高，可高速運行，并能長時間保持精度，通過預加負載可提高剛性，具有自調的能力，安裝基面允許誤差大。

五、滾動導軌第三節(jié)導軌設計(1)直線滾動導軌及其工作原理三、導軌的結構類型和特點第八節(jié)導軌設計4、滾動導軌

導軌體固定在不動部件上，滑塊固定在運動部件上。當滑塊沿導軌體移動時，滾珠在導軌體和滑塊之間的圓弧直槽內滾動，并通過端蓋內的滾道，從工作負荷到非工作負荷區(qū)，然后再滾動回到工作負載區(qū)，不斷循環(huán)，從而把滾動體和滑塊之間的移動變成了滾珠的滾動。為防止灰塵和臟物進入導軌滾道，滑塊兩端及下部均有塑料密封墊。滑塊上還有潤滑油注油杯，只要定期將鋰基潤滑脂放入潤滑油注油杯即可實現(xiàn)潤滑。

1）爬行是進給傳動機構的一種低速運動的不均勻現(xiàn)象，即在傳動件以很低的速度勻速轉動時，工件臺出現(xiàn)速度不均勻的跳躍式運動，或出現(xiàn)間歇式運動，速度時快時慢，時走時停。五、低速運動平穩(wěn)性1.爬行現(xiàn)象及產生原因第三節(jié)導軌設計

①運動不均勻的低速爬行，影響機床的加工精度、定位精度，使工件表面精度降低。

②爬行嚴重時會導致機床不能正常工作。特別是在精密機床、數控機床及大型機床中，爬行危害極大。2）爬行現(xiàn)象的危害

通常，爬行的臨界速度是評價機床性能的一個重要指標。

爬行是一種摩擦自激振動。主要原因是摩擦面上的動摩擦系數小于靜摩擦系數，且由于摩擦阻尼，動摩擦系數隨滑移速度的增加而減小，以及傳動系統(tǒng)的彈性變形。3）爬行的產生原因第三節(jié)導軌設計

2）提高傳動系統(tǒng)的剛性（適當加大絲杠直徑以提高拉壓剛度，軸承適度預緊。縮短傳動鏈，合理分配傳動比。防止液壓傳動進給機構的氣穴、沖擊現(xiàn)象）。2.消除爬行的措施

降低爬行臨界速度的措施有：1）減少靜動摩擦系數之差，改變動摩擦系數隨速度變化的特性（滾動摩擦代替滑動摩擦，液體摩擦代替滑動摩擦，減摩材料，專用導軌油）。3）盡量減少動導軌及工作臺的質量。第三節(jié)結束第三節(jié)導軌設計2.工作原理第四節(jié)滾珠絲杠螺母副機構

一、滾珠絲杠副的工作原理及特點1.結構

滾珠絲杠副是將絲杠和螺母都加工成凹半圓弧形螺紋，且圓弧半徑略大于鋼珠半徑。在螺紋副間放入鋼珠，使絲杠和螺母之間的運動成為滾動的傳動機構。它由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。當絲杠、螺母相對轉動時，鋼珠沿螺旋滾道滾動，使螺紋摩擦為滾動摩擦。滾珠通過螺母兩端的回程導引裝置，自動返回入口而循環(huán)流動。從而實現(xiàn)高精度、高效率的傳動。

軸承鋼，淬硬磨削第四節(jié)滾動絲杠螺母副機構3.特點及應用

◆

傳動效率高達85%~98%，是普通滑動絲杠副的2~4倍，摩擦損失小，功率消耗小。

◆

適當預緊，能消除反向螺紋間隙，定位精度、剛度高。

◆運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。

◆

摩擦角小于10，不能自鎖。如果驅動升降運動，必須增加制動裝置。

滾珠絲杠螺母副常用于數控機床行程不太長的進給系統(tǒng)中，以提高進給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行。第四節(jié)滾動絲杠螺母副機構1.滾珠循環(huán)方式

如圖，絲杠螺母之外置有插管式回珠器5，螺母之內裝有擋珠器。

（1）外循環(huán)滾珠絲杠副

二、滾珠循環(huán)方式及軸向間隙調整

鋼珠每一個循環(huán)稱為一列，每一列內每個導程稱為一圈，外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈、3.5圈，剩下的半圈用作回珠。

絲杠勻速轉動時，擋珠器能迫使?jié)L珠轉幾圈后，經回珠器返回入口，完成一個滾動循環(huán)，同時準備開始新的循環(huán)。

內循環(huán)滾珠絲杠副的螺母內孔中，裝有接通相鄰滾道的返向回珠器，迫使?jié)L珠翻越螺紋的牙頂進入相鄰滾道。內循環(huán)滾珠絲杠的每一個循環(huán)（每列）只有一圈，一個螺母有3列、4列、5列等幾種。第四節(jié)滾動絲杠螺母副機構

（2）內循環(huán)滾珠絲杠副

如圖，絲杠勻速運動時，絲杠副中的鋼珠從A點走向B點、C點和D點，然后經反向回珠器4從內螺紋的頂上回到A點。螺紋每一圈形成一個鋼珠的循環(huán)閉路。第四節(jié)滾動絲杠螺母副機構2.軸向間隙的調整和施加預緊力的方法

為什么滾珠絲杠軸向間隙要能夠調整？怎樣調整？

滾珠絲杠副的軸向間隙會造成：

①

滾珠絲杠啟動、停止以及受沖擊載荷時運動不平穩(wěn)；

②

反向時存在空行程，影響傳動精度和定位精度。

調整方法:

采用雙螺母裝置消除軸向間隙。

第四節(jié)滾動絲杠螺母副機構

（1）墊片調隙式

用螺釘連接兩個螺母的凸緣，在凸緣間加墊片。

特點：結構簡單、可靠性好、剛度高，裝卸方便。

不足點：調整復雜。

調整方式：調整墊片厚度使螺母產生軸向位移，來消除間隙和產生預拉緊力。第四節(jié)滾動絲杠螺母副機構

（2）螺紋間隙式

特點：結構緊湊、調整方便；應用較廣泛。

不足點：雙螺母調整間隙欠精確。