导轨的结构设计说明.doc

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1、直线导轨的结构设计（含转动导轨）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 的正确性。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

2、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条件下，应使导轨结构简单，便于加工、丈量、装配和 调整，降低本钱。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，上述六点要相互影响 的。2导轨设计的主要容设计导轨应包括下列几方面容：1. 根据工作条件，选择合适的导轨类型。2. 选择导轨的截面外形，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围，有足够的刚度，良好的耐磨性, 以及运动轻便

3、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. 选择公道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、精加工和丈量方法等。 3导轨的结构设计1.滑动导轨基本形式（见图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;为进步导向性，采用较小的顶角（60。假如导轨上所受的力，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

4、 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，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

5、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，假如运动部 件热

6、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

7、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 ）进步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。进步导轨的耐磨性，使其 在较长的时间保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。进步导轨耐磨性的措施有：1）选择公道的比压 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

8、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。它具有本钱低，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HT200HT400，硬度以HB=180200较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可进步导轨的耐磨性。若灰口铸铁不能满足耐磨

9、性要求，可使用 耐磨铸铁，如高磷铸铁，硬度为HB=180220 ,耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。若加进一定量的铜和钛，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510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进螺钉固定时，可采用如图21-16所示的方法。螺钉固紧

10、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。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，本钱较低。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 为进步铸铁导轨的耐磨性，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

11、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，使导轨不过露等办法。（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即是零，即 mi n0导轨的最小间隙用下式计算： min=Dmi n1+ ak（t-to）-dmax1+ az（t-to） （mm）式中t-工作温度（C）tO-制造时温度（C）Dm

12、in-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 ） ak包容件材料的线膨胀系数（1/ ） az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 max应小于或即是答应值，即 max max导轨的最大间隙用下式计算： max=Dmax1+a k（t-t）-dmin 1+ az（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，应留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

13、，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。a-不白豪亲卄 , |iLJj*作同力在牛轨的平且甬导紈的違动方向嵐翠前抽尙力F1-U 伽 2fi n Y 1-1/ cos 一 f-S i n/L)迄动件的槿向人寸护 计；匚一沟童摩擦系 數=n力柞用点离皐亂L*執面土承占件】力印行干号秋i rtp/L i；-咸 讥i/i ft为便号躺灵曲，布聖L/H值* 一住吋于-型辛护那导林可駁H/1 ：2f一宵询屠捧命觌詞干圜邯导轨，寸取R/L 1-5L-1f/3T対于艇毘型导軌打剧 HJL 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

14、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/d1.5，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）转动导轨刚度及预紧方法：如图所示，a）当工作台往复移动时，工作台压在两端转动体上的压力会发生变化，受力大的转动体变形大，受力小的转动 体变形小。当导轨在位置I时，两端转动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置n或川时，两端转动 体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜a角，由此造成误差。此外，转动体支承工作台，若工作台刚度差，见下图，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

15、还可能出现波浪形），影响导轨的精度。net为减小导轨变形，进步刚度，除公道选择转动体的外形、尺寸、数目和适当增加工作台的厚度外，常用预加载荷的办法来进步导轨的刚度。图 21-18 所示的燕尾形转动导轨，用移动导轨板获得并控制预加载荷。试验证实： 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， 刚度不会明显进步。 牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。因此，公道的过盈 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，制定出转动导轨的若干技术 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。 转动体的直径差，对于一般的导轨，全部转动体的直径差不大于 2 微米，每组转动体的直径差不大于 1 微米； 对于精密导轨，全部转动体的直径差不大于 1 微米，每组转动体的直径差不大于 0.5 微米； 滚柱的锥度在滚柱长度围，大小端直径差小于 0.5-1 微米；表面光洁度通常应刮研；在25X25厘米2，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取下限。（end）