第十二章机床导轨的设计介绍.ppt

第十二章机床导轨的设计,第一节概述机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，运动一方为动导轨，不动的一方为支承导轨一、功用和分类1、功用：导向和承载2、分类：按摩擦性质分滑动导轨滚动导轨,滑动导轨：动压滑动导轨静压滑动导轨普通滑动导轨滚动导轨：滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨,按受力状况分开式导轨闭式导轨,二、导轨应满足的要求1、导向精度几何精度直线度水平平面竖直平面平行度接触精度按JB2278规定25x25mm2接触点数磨削和刮研2、刚度高、承载能力大包括自身刚度和接触刚度,3、精度保持性好主要由耐磨性决定导轨的磨损有：磨粒磨损粘接磨损（咬合）接触疲劳4、低速运动平稳性导轨低速运动或微量位移时，不产生爬行平稳性与导轨的结构、材料、润滑、动、静摩擦系数差值、传动链刚度有关5、结构简单、工艺性好,第二节普通滑动导轨,一、直线运动导轨1、直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形每种导轨副中还有凹、凸之分它们可互相组合（见图）,矩形导轨：承载能力大、刚度高、制造简单、检验和维修方便等优点。适于载荷较大而导向精度要求略低的机床,三角形导轨：磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙，导向精度高。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种,燕尾形导轨：承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚度性较差，加工检验维修都不大方便。适于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部位圆柱形导轨：制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的轨，应用较少,2、导轨的组合形式（1）双三角形导轨：不需要鑲条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验和维修都不方便,（2）双矩形导轨：承载能力大、制造简单。导向方式有两种宽式组合和窄式组合,（3）矩形和三角形导轨的组合：导向性好，刚性高，制造方便，应用最广,（4）矩形和燕尾形导轨的组合：能承受较大力矩,调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中,双圆柱导轨组合：常用于拉床、机械手上,二、圆周运动导轨回转运动导轨的截面形状有三种：平面环形、锥面环形和双锥面环形导轨。（1）平面环形导轨：结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力，但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受经向载荷,（2）锥面环形导轨：除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比平面环形好，但制造较困难，锥面与轴心线的同轴度不容易保证,（3）双锥面导轨：能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠覆力矩，制造研磨均较困难，同轴度不容易保证，当床身与工作台热变形不同时，两导轨面不同时接触,三、导轨间隙的调整导轨面的间隙对机床工作性能有直接影响，如果间隙过大，影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快。因此必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整常用压板、鑲条来调整导轨的间隙（1）压板：用来调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩,压板调整导轨面的间隙有三种结构：,（2）鑲条：调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。常用的鑲条有平鑲条和斜鑲条(楔形)两种平鑲条：,斜鑲条：（厚度的变化）斜度为1100140,第三节导轨的材料,对导轨材料的要求：耐磨性高、工艺性好、成本低主要材料有：铸铁、钢、有色金属、塑料一、铸铁铸铁具有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工，成本低铸铁导轨：良好的抗振性，工艺性和耐磨性,常用铸铁：灰铸铁HT200用于次要导轨、移置导轨孕育铸铁HT300加入孕育剂，耐磨性好，应用较广泛耐磨铸铁加入合金元素，如高磷铸铁、磷铜钛铸铁、钒钛铸铁，耐磨性比孕育铸铁高一倍，力学性能好，成本高，多用于精密机床,铸铁导轨的淬火采用铸铁作支承导轨的，多数都要淬硬导轨表面淬火的方法：感应淬火高频淬火中频淬火硬度可达4555HRC，耐磨性可提高近2倍火焰淬火淬硬层深，耐磨性好，但变形较大，增加了磨削加工量,二、钢用钢作导轨，多采用镶装结构，工艺复杂、成本较高，钢导轨表面不允许打孔淬火钢和氮化钢作支承导轨，可大幅提高导轨的耐磨性常用镶钢导轨材料有：合金工具钢或轴承钢9Mn2V、CrWMn、GCr15等HRC60高碳工具钢T8A、T10A等HRC58,中碳钢45、40CrHRC48低碳钢20Cr渗碳淬硬HRC60氮化钢38CrMoAlA渗氮处理表面硬度HV850（维氏硬度）,三、有色金属有色金属作导轨主要是镶装结构材料特点是耐磨性较高，可防止撕伤，保证运动的平稳性和移动精度与铸铁的支承导轨相搭配，多用于重型机床的动导轨上主要牌号：锡青铜ZQSn6-6-3铝青铜ZQAl9-4,四、塑料在动导轨上镶装塑料特点：摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低应用范围：在各类机床上都有应用，特别是用在精密机床、数控和重型机床的动导轨上,1、塑料软带主要是氟塑料导轨软带，粘接在动导轨上组成：以聚四氟乙烯为基体，添加一定比例的耐磨材料优点：摩擦系数低，约为铸铁铸铁的1/3动、静摩擦系数相近，防爬性能好耐磨性可提高12倍可自润滑磨损可更换，磨粒可嵌入塑料局部压强很大的导轨不宜采用,2、三层复合材料的导轨板在镀铜的钢板上烧结一层多孔青铜粉，在青铜的孔隙中轧入聚四氟乙烯极其填料形成金属氟塑料的导轨板特点：具有两种材料的优点，既有氟塑料的优点又具有刚性和导热性适用于中、小型精密机床和数控机床用于竖直导轨更显它的优点,五、导轨副材料的选用1、动、静导轨采用不同材料，防止咬焊，提高耐磨性2、相同材料导轨，采用不同热处理方法使其硬度不同,第四节滑动导轨的验算,滑动导轨应验算导轨的压强和压强的分布压强耐磨性压强分布磨损的均匀性和是否采用压板步骤：1、受力分析2、计算压强一、受力分析以数控车床刀架纵导轨为例P247,导轨所受外力：重力、切削力、牵引力等Fc切削力Ff进给力Fp背向力FQ牵引力W重力通过静力方程求解分别对X、Y、Z坐标取矩得：,各导轨面上的集中支反力：RA=FC+W-RBRB=MZ/eRC=FP各导轨面上的支反力矩：MA=MB=MX/2MC=MY牵引力：FQ=Ff+(FC+FP+W)f每条导轨载荷为一力一矩,二、导轨的压强设：沿导轨长度的接触变形和压强为线性分布，宽度方向为均布每一条导轨上的载荷为F和MF引起的压强为：PF=F/aLM引起的压强为：PM=6M/aL2因为：,导轨所受的最大、最小和平均压强分别为：,由上式可看出：当6M/FL=0，即M=0时，P=Pmax=Pmin=Pav压强按矩形分布当06M/FL1，即M/FL1/6时Pmin0,Pmax2Pav压强按梯形分布,当6M/FL=1，即M/FL=1/6时Pmin=0Pmax=2Pav压强按三角形分布这是一种使动导轨与支承导轨在全长接触的临界状态如压强分布属上述情况，则均可采用开式导轨,当6M/FL1，即M/FL1/6时，主导轨面上将有一段长度不接触，实际接触长度为：Lj颠覆力矩有可能造成导轨面的脱离，因此应采用有压板的闭式导轨,第五节滚动导轨,优点：摩擦系数小，运动轻便，摩擦发热少，磨损小，动、静摩擦系数接近，可避免出现爬行，定位精度高缺点：抗振性差，结构复杂，成本高，对脏物比较敏感,一、滚动导轨的结构形式1、直线滚动导轨副结构上有滚动体不循环的滚珠、滚柱、滚针导轨副，主要用于短行程导轨滚动体循环的直线滚动导轨副和滚动导轨块主要用于长行程导轨其工作原理见图：,2、配置与固定配置：直线滚动导轨副包括：导轨条和滑块使用中导轨条通常为两根，每根导轨条上有两个滑块，也有三个或以上的滑块移动件的刚度较高，可少装，否则可多装固定：两条导轨中，一条为基准导轨，上有基准面A，滑块上有基准面B另一条为从动导轨见图：,3、精度和预紧直线滚动支承的精度分为1、2、3、4、5、6级，数控机床采用1或2级不同精度和规格的导轨支承，对安装基面的形位公差要求不同，设计时应查样本手册预紧：在负间隙中有轻预紧和中预紧两种轻预紧用于精度要求较高但载荷较轻的场合中预紧用于对精度和刚度均要求较高具有冲击振动和进行重切削的场合,整体型的直线滚动导轨副，由制造厂用选配不同直径钢球的办法来决定间隙或预紧不需自己调整分离型滚动导轨副和滚子导轨块，则需用户自己按规定调整间隙,二、直线滚动导轨的计算与滚动轴承计算相仿，在一定载荷下行走一定距离，90%的支承不发生点蚀为依据载荷：额定载荷行走距离：额定寿命球导轨的额定寿命：50km滚子导轨额定寿命：100km计算公式如下：,滚动体为球时：滚动体为滚子时：,L预期寿命C额定动载荷F工作载荷fH硬度系数，HRC5864时为1.0HRC55时为0.8HRC50时为0.53fT温度系数工作温度不超100C时为1fC接触系数每个导轨条装两个滑块时fC=0.81装三个时为0.72装四个时0.66,fW载荷/速度系数无冲击振动v15m/min时，fW=11.5轻冲击振动15v60m/minfW=1.52有冲击振动v60m/minfW=2.03.5如果寿命以小时计，则l行程长度n每分钟往复次数,如果已选定滚动导轨型号，可估算出预期寿命（已知C估算L）如果给定预期寿命，可由Lh计算L，进而计算额定动载荷C