第四章 支承件及导轨2016

1、第四章 支承件及导轨 1998-11-61 支承件(Structural elements) 4功用 4基本要求 4受力分析 4静刚度 4结构设计 提高自身刚度 减少热变形 提高局部刚度 材料和热处理 提高接触刚度 结构工艺性 提高抗振性 焊接结构 1998-11-62 第一节 支承件的功用及基本要求 1998-11-63 4支承件床身、立柱、横梁、摇臂 、底座、刀架、工作台、箱体和升降 台等尺寸及重量较大的零件大件 1998-11-64 4在切削时，刀具与工件之间相互作用的力沿着大 部分支承件逐个传递并使之变形。 4机床的动态力(如变动的切削力，往复运动件的 惯性，旋转件的不平衡等)使支承件

2、和整机振动 4支承件的热变形改变执行件的相对位置或运动轨 迹。 4影响加工精度和表面质量 4支承件是机床十分重要的构件 1998-11-65 一、功用 4支承机床各部件，承受切削力、重力 、惯性力、摩擦力等静态力和动态力 4保证各部件之间的相对位置精度和运 动部件的相对运动轨迹的准确关系。 4内部空间可存放切削液、润滑液、液 压油的油箱、电动机 1998-11-66 二、基本要求 41足够的静刚度和较高的刚度重量比 要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超 过一定的数值。 重量占机床总重量的80以上，应尽量减轻支 承件的重量。 42良好的动态特性 包括较大的动刚度和阻尼； 与其它部件相配合，使

3、整机的各阶固有频率不 致与激振频率重合而产生共振； 不会发生薄壁振动而产生噪声等。 1998-11-67 43应具有较好的热变形特性，使整机的热 变形较小或热变形对加工精度的影响较小 由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力 在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应 力，使支承件变形。 热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关 系和相对运动轨迹，影响加工精度。 44应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好 的工艺性以便于制造和装配。 1998-11-68 支承件的设计步骤 4根据其使用要求进行受力分析 4根据所受的力和其它要求(如排屑、安装别的零 部件等)，并参考现有机床的同类型件，初步决 定其形状和尺

4、寸。 4可以用有限元法(Finite element method)借助计 算机进行验算，求得其静态和动态特性。 4据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选 择最佳方案。 4这样，在设计阶段就可以预测支承件的性能，以 避免盲目性，提高一次成功率。 1998-11-69 第二节 支承件的受力分析 1998-11-610 4支承件是机床的一个组成部分 4分析支承件的受力必须首先分析机床的受力 4了解支承件的受力情况，产生的变形以及由此引 起的加工误差是合理设计支承件结构的依据。 4为简化分析，根据机床所受载荷的特点，对不同 类型机床的受力分析各有所侧重。 1998-11-611 4机床根据其所受

5、的载荷的特点，可分为三大类: 4 中、小型机床 载荷以切削力为主 工件的重量、移动部件(如车床的刀架)的重量 等相对较小，在受力和变形分析时可忽略不计( 例如车床刀架从床身的一端移至床身中部时，引 起的床身弯曲变形的变化可忽略不计) 如中型车床、铣床、钻床、加工中心等 1998-11-612 4精密和高精度机床 以精加工为主，切削力较小 载荷以移动件的重力和热应力为主 例如双柱立式坐标镗床，分析横梁受力和变形 时，主要考虑主轴箱从横梁的一端移至中部，引 起的横梁弯曲和扭转变形。 1998-11-613 4大型机床 工件重，切削力较大，移动件的重量也较 大 4载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移

6、动件的 重力。 4 例如重型车床、落地镗铣床和龙门式机床等。 1998-11-614 三大类支承件 4(1)一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件 如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等梁 类件 4 (2)两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件 如底座、工作台、刀架等板类件 4 (3)三个方向的尺寸都差不多的零件 如箱体、升降台等箱形件 1998-11-615 一、摇臂钻床的受力分析 1998-11-616 摇臂钻床的受力状况 4切削载荷切削转矩T 进给力Ff 4切削载荷经主要支承件主轴箱 4、摇臂3、立柱2和1，传递至 底座5 4上述支承件产生弹性变形弯曲或扭转 4变形的结果主轴轴线在yz平面

7、xz平面内产生偏转，使轴线 不垂直于底座的顶面 1998-11-617 4钻床精度标准规定了主轴在一定的轴向力( 模拟Ff)作用下，主轴轴线在yz和zx面内允 许的偏转角。 4轴向力的大小，因机床的种类、大小而异 ，见各类钻床的精度标准。 1998-11-618 4分析时，立柱和摇臂可看作是梁类件 4底座可看作是板类件 4主轴箱可看作是箱形件 4这里主要分析摇臂和立柱，都可看作是一端固 定的悬臂梁 1998-11-619 摇臂的受力分析 4进给力Ff使摇臂在yz面内受到一弯矩M1， 最大值FfL，产生弯曲变形 4主轴与摇臂中性轴之间的距离为e，故受到 绕y轴的扭矩M2=Ffe，产生扭转变形 4

8、切削转矩T作用于摇臂，使它在zy 平面内产生弯曲变形 4T比FfL要小得多 1998-11-620 4摇臂所受的载荷，主要是竖直(yz)面内 的弯矩M1和绕y轴的扭矩M2 4使摇臂产生弯曲和扭转变形 4使主轴偏离其正确位置 1998-11-621 4摇臂的左端锁紧在立柱上,右端悬空 4简化为一端固定的悬臂梁 4钻削时，主轴上受的轴向进给力F，使摇臂在x-y 平面内受Mw力矩的作用而产生弯曲变形 4Mw在摇臂的长度上呈三角形分布，最大力矩 Mw=FL 4主轴中心偏离摇臂中心轴的距离为e，F又产生扭 矩Tn1=Fe，使摇臂产生扭转变形 4扭矩Tn1 在摇臂的长度上是均匀分布的 4主轴上的钻削扭矩T

9、n2在摇臂的长度上也是均匀分 布的，而且使摇臂产生的变形很小，可以忽略不 计1998-11-622 4摇臂的变形主要X-Y平面内的弯曲变形 绕X轴的扭转变形 4它们将影响所钻孔的位置精度，各孔中心线的平 行度和对基准面的垂直度。 4摇臂上越接近立柱的地方承受的力矩越大，摇臂 设计成变截面，在越接近立柱的地方越显粗壮。 4为了减小摇臂的扭转变形，应尽量减小e值，所 以摇臂钻床主轴箱应设计得扁平。 4为此传动系统应平面布置，并使摇臂的截面具有 较大的扭转截面矩。 1998-11-623 二.卧式车床床身的受力分析 1998-11-624 4工件两端分别支承在主轴和尾 架的顶尖上 4刀尖上的切削力可

10、分解成Fx、Fy和Fz三个分力 4轴向力Fx使床身产生拉伸变形，影响小，可忽略 4Fy和Fz使床身受弯曲和扭转 4为便于分析受力及变形，在受扭转时，可将床身 视为两端固定的梁 4在受弯曲时，可将床身视为简支梁 1998-11-625 4在垂直（X-Z）平面内，Fz经 刀架作用在床身上，经工件 作用于主轴箱和尾架上的力为F1和F2 4由Fz将引起床身在垂直方向的弯矩为Mwz 4Fz的作用点到主轴中心线的距离为d/2（d工件直 径)，在床身上还作用有扭矩Tnz= Fzd/2 1998-11-626 4在水平（x-y ）平面内，Fy 经 刀架作用在床身上，其反作用力 F3和F4经工件作用在主轴箱和尾

11、架上 4由Fy将引起床身在水平方向的弯矩为Mwy 由于Fy 的作用点到床身中心轴的距离为h，对床身还作 用有扭矩Tny=Fyh 4车床床身变形的主要形式是垂直和水平面内 的弯曲，以及由Tnz和Tny联合作用下的扭转 1998-11-627 1998-11-628 车床床身变形对加工精度的影响 4根据车床床身在水平面内的弯曲变形变形（近似 以1：1反映为工件的半径误差）、在垂直平面内 的弯曲变形及扭转变形对加工精度的影响 4水平面内的弯曲变形大于垂直面内的影响 4扭转变形使刀尖在y方向产生较大的偏移 4设计车床床身时，主要应提高水平面内的弯曲刚 度 4在设计长床身时，也要注意提高扭转刚度 199

12、8-11-629 第三节 支承件的静刚度 1998-11-630 一、支承件的静刚度 4支承件的变形包括 自身变形 局部变形 接触变形 4支承件的静刚度 自身刚度 局部刚度 接触刚度 1998-11-631 4如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上 4变形包括变形包括床身自身的变形床身自身的变形 导轨部分局部的变形导轨部分局部的变形 导轨表面的接触变形导轨表面的接触变形 4不能忽略局部变形和接触变形。它们有时甚至占不能忽略局部变形和接触变形。它们有时甚至占 主要地位主要地位 4如床身，如设计不合理，导轨部分过于单薄，导如床身，如设计不合理，导轨部分过于单薄，导

13、 轨处的局部变形就会相当大轨处的局部变形就会相当大 4又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能 占相当大的比重占相当大的比重 1998-11-632 （一）自身刚度 4摇臂钻床摇臂和普通车床床身的受力和变 形，主要是指支承件自身变形 4自身刚度支承件抵抗自身变形的能力 4自身刚度主要为弯曲刚度和扭转刚度 4取决于支承件材料、构造、形状、尺 寸和隔板的布置等 1998-11-633 （二）局部刚度 4抵抗局部变形的能力局部刚度 4局部变形发生在载荷较集中的局部结构处 4取决于受载部位的构造、尺寸及筋的配置 4例如，导轨与伸出 床壁外面部分的弯 曲变形；

14、 1998-11-634 4主轴箱在主轴支承附近的部位 1998-11-635 4摇臂钻床立柱与摇臂的配合部位以及底座装立柱 的部位。 1998-11-636 （三）接触刚度 4两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微 观不平度，所以只是一些高点相接触 4支承件各接触面抵抗接触变形的能力接触刚 度 1998-11-637 接触刚度与自身刚度的区别 4接触刚度是平均压强与变形之比Kj 即Kj=p 4Kj不是一个固定值，与p的关系是非线性的 4当压强很小时，两个面之间只有少数高点接触， 接触刚度较低 4压强较大时，这些高点产生了变形，实际接触面 积增加，接触刚度提高 1998-11-638 4支

15、承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有 影响 4如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强的分布 基本上是均匀的，接触刚度也较高 4如自身刚度或局部刚度不足，则在集中载荷作用 下，构件变形较大，使接触压强分布不均，使接 触变形分布也不均，降低了接触刚度 1998-11-639 第四节 支承件的结构设计 1998-11-640 设 计 方 法 4支承件的设计通常是根据使用要求和受力 情况，参考同类型机床，初步确定其形状 和尺寸 4较重要的支承件要进行验算或膜型试验， 根据验算或试验结果作适当修改 1998-11-641 设计时应考虑的问题 m保证良好的静刚度和动态特性 m减少热变形 m合理选用材料和

16、热处理方式 m有较好的结构工艺性等 1998-11-642 一、提高支承件自身刚度 (一)正确选择截面的形状和尺寸 4支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷 4自身刚度主要考虑弯曲刚度和扭转刚度 4在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗 弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。 4材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相 差很大。 1998-11-643 1998-11-644 1998-11-645 刚度 （1）截面积相同时：空心大于实心 （2）方形截面的抗弯刚度高于圆形截面 抗扭刚度则较低 （3）不封闭截面比封闭的截面刚度显著下降，特 别是抗扭刚度 数控车床床身 1998-11-646 （二）

17、合理布置隔板 4在两壁之间起连接作用的内壁 隔板 4隔板功用把作用于支承件局部地区的载荷传 递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较 均匀的承受载荷 4当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板 来提高支承件的自身刚度 1998-11-647 隔板布置的三种基本形式 纵向隔板主要提高抗弯刚度 横向隔板主要提高抗扭刚度 斜向隔板兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效 果 1998-11-648 1998-11-649 必须注意隔板的布置方向： 4纵向隔板应布置在弯曲平面内，此时隔板对X轴 的惯性矩为：l3b/12 4若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时， 则惯性矩为lb312 4两者之比为l2：b

18、2 4由于lb ，所以图a的 抗弯刚度比图b要大得多 1998-11-650 （三）合理开孔和加盖 4支承件外壁开孔，会降低抗弯及抗扭刚度，对抗 扭刚度的影响更大。 4开孔对抗扭刚度影响较大。 4应该尽量避免在主要承受扭矩的支承件上开孔 4孔宽或孔径不超过支承件宽度的0.25倍 1998-11-651 1998-11-652 二、提高局部刚度 （一）合理选择连接部位的结构 4设图a的一般凸缘连接 相对连接刚度为1.0 4则图b有加强筋的 凸缘连接为1.06 4图c的凹槽式为1.80 4图dU型加强筋结构为1.85 4图c和图d两种结构 4最好特别是用来承受力 矩效果更好 4缺点结构复杂。 19

19、98-11-653 (二）合理选择螺钉尺寸和布置 4当受力矩时，螺钉应主要布置在受拉伸的 一侧 4当受转矩时，螺钉应均匀分布在连接部位 的四周 4螺钉尺寸应经过计算，使它足以能承受外 载荷的作用 1998-11-654 ( 三）注意床身与导轨连接处的 局部过渡 4图a为床身与导轨以单壁连接，结构简单，刚度 较差，适用于承受小载荷 4图b为单壁减薄与加强筋结构，刚度较前一种形 式好，适用于中等载荷； 1998-11-655 4图c为双壁连接，结构较复杂，刚度较高，适用 于中等载荷及重载荷； 4图d为直接连接，没有过渡壁，导轨的局部刚度 最高。 1998-11-656 （四）合理配置加强筋 4当支

20、承件的内部要安装其它机构，不但不 能封闭，安置隔板也会有所妨碍采用 加强筋提高刚度 4合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方 法 4加强筋的高度可取为壁厚的45倍，筋的 厚度取壁厚的0.81倍 1998-11-657 4图a和b的筋分别用来提高导轨和轴承座处的局部 刚度 4图c、d、e为当壁板面积大于400X400mm2时,为避 免薄壁振动而在内表面加的筋，以提高壁板的抗 弯刚度 1998-11-658 三、提高接触刚度 4最好方法：减少接触面的层次 4如将车床床身和床腿做成整体式 4但具体设计时，常限于结构或功能上的原因而不 能减少接触面的层次，例如车床的刀架。 1998-11-659 4（1

21、）导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配 磨刮研时，每2525mm2： 高精度机床为12点 精密机床为8点 普通机床为6点 并使接触点均匀分布 4固定结合面配磨时，表面粗糙度值应小于Ra1.6 1998-11-660 4（2）以固定螺钉连接时通常应使接触面间的平 均预压压强不得小于2MPa，以消除表面微观不平 度的影响，并据此确定固定螺钉的直径、数量、 布置位置以及拧紧螺钉时施加的力。 4不能用活扳手来拧紧螺钉 4用测力扳手 4决定固定螺钉的直径、数量、 距离、以及拧螺钉时的力矩 1998-11-661 四、提高支承件的抗振性 4支承件是一个多自由度系统。就定性分析而言， 对单自由度系统抗振性的

22、分析也适用于多自由度 系统。 4在一个幅值为F,角频率为的正弦交变激振力作 用下，单自由度有阻尼系统受迫振动的幅值为 2 2 2 2 1 1 n n K F A 1998-11-662 如何减小系统受迫振动的幅值 4减小振源的激振力F 4提高系统的静刚度K 4增大系统的阻尼比 4提高系统的固有频率n或改变激振频率，使 两者远离均可以。 1998-11-663 4当激振频率远小于系统的固有频率n时，受 迫振动的振幅近似等于与激振力幅值F相等的静 态力作用下系统的静变位FK。在这个区域中， 动态和静态差别不大，提高抗振性的关键是提高 静刚度。这个区域称为“准静态区”。 4当激振频率远高于系统的固有

23、频率n时，受 迫振动的振幅主要取决于系统的惯性，可用加大 质量的办法来提高抗振柱。这个区域称为“惯性 区”。 1998-11-664 4当激振频率接近于系统的固有频率n时，受 迫振动的振幅急剧增加。这个区域称为“共振区 ”。在共振区内阻尼的影响很大。 4阻尼愈小，共振表现得愈强烈。 1998-11-665 提高抵抗受迫振动的能力 4首先应避开共振区，使支承件的固有频率远离激 振频率。由于一般振源的频率较低，所以可以采 用提高静刚度或减小质量的方法来提高支承件的 固有频率。 4其次是提高静刚度和设法加大阻尼。 4提高静刚度不仅能减少静态受力下的变形，而且 降低低频振动时的振幅，以提高抗振性。 4

24、增加阻尼可以显著地提高抗振性，尤其是激振频 率较高接近于固有频率时，可以大大地降低其振 幅，抑制振动。 1998-11-666 增加阻尼的常用方法 41）在支承件内腔充填泥芯或混凝土等具有高内 阻尼的材料。 42）采用具有阻尼性能的焊接结构。如采用间断 焊缝、焊减振接头等来加大摩擦阻尼。 1998-11-667 43）对于弯曲振动结构尤其是薄壁结构，在其表 面喷涂一层具有高内阻尼的粘滞性材料，如沥青 基制成的胶泥减振剂、高分子聚合物和油漆腻子 等，或采用石墨纤维的约束带和内阻尼高、剪切 膜量极低的压敏式阻尼胶等。 1998-11-668 4 4）采用环氧树脂粘结的结构，其抗振性超过铸 造和焊接

25、结构。 45）采用较粗糙的加工面或在接触面间垫以弹性 材料，也能增加阻尼提高抗振性。但此时接触刚 度有所降低。 1998-11-669 五、减少支承件的热变形 4 机床工作时存在各种热源，如电动机。液压系 统、切削热和摩擦热等，使各部件因温度分布不 均匀而产生变形，这就是热变形。 4热变形对于普通中小型机床加工精度的影响不太 明显。 4但对精密机床、自动机床及重型机床加工精度的 影响却很大。 1998-11-670 （一）散热和隔热 4适当加大散热面积，加设散热片，发热较多的部 件应使其周围空气流动畅通，等都能改善散热条 件。 4隔离热源是减少热变形的一个有效措施 4例:单柱坐标镗床，电动机外

26、有隔热罩，立柱后 壁设进气口，顶部有排气口，电动机风扇使气流 向上运动，图中箭头所示，与自然通风气流一致 ，以加强散热 1998-11-671 （二）均热 4由于支承件各处受热情况不同，质量不均，使各 部位的温度不均，热膨胀也就不均，不均匀的热 膨胀对加工精度的影响更大，因此要考虑均热问 题。 4例如车床床身，可以用改变传热路线的办法来减 少温度不均， 1998-11-672 （三）使热变形对精度影响较小 4同样的热变形，由于结构形式不同，对精度的影 响是不同的。 4例如图4-15a所示为单柱卧式坐标镗床，由于主 轴箱温升，引起立柱前、后壁温度不同，将使主 轴轴线产生位移。 4如果采用图4-1

27、5b所示的双柱对称结构，就可使 热变形对主轴轴线位移的影响大大减少。 1998-11-673 六、合理选择支承件材料和热处理 4支承件的重量在机床总重量中占有很大比重，因 此必须合理选择材料。 4支承件的材料，主要为铸铁和钢 4铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸 铁的牌号应根据导轨的要求选择 4如果导轨是镶装上去的，或者支承件上没有导轨 ，则一般可采用HT150 4如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q235AF或 Q275碳素结构钢钢1998-11-674 4 在铸造或焊接中的残余应力，将使支承件产生 变形。 4进行时效处理可以消除残余应力 4普通精度机床的支承件在粗加工后安排一次热时

28、 效处理即可，精密机床最好进行两次热时效处理 ，即粗加工前、后各一次 4高精度机床在进行热时效处理后，还进行天然时 效处理，即把铸件堆放在露天一年左右，让它们 充分地变形 1998-11-675 支承件的其它材料 4预应力钢筋混凝土支承件(主要为床身、立柱、 底座等）近年来有较大的发展。混凝土的比重是 钢的13，弹性膜量是钢的110115，阻尼 高于铸铁，适合于制造受载均匀，截面积大、抗 振性要求较高的支承件。 4采用钢筋混凝土可节约大量钢材，降低成本。但 钢筋混凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支承件 连接刚度不足等问题，有待进一步研究解决。 1998-11-676 七、支承件的结构工艺性 19

29、98-11-677 （一）铸件结构工艺性 4（1）铸件形状简单造型和拔膜容易；型芯少且 便于支撑，安装简单可靠。 4（2）避免产生缩孔、气孔和裂纹壁厚应尽量均 匀。 4（3）便于清砂 特别是便于清理砂芯。 4（4）大型铸件要铸出起吊孔 1998-11-678 （二）机械加工工艺性 41）较长的支承件（如车床床身）应尽量避免两 端有加工面，避免支承件内部深处有加工面以及 倾斜的加工面。 42）尽可能使加工面集中，以减少加工时的翻转 及装夹次数。同一方向的加工平面，应处于一个 平面内，以便一次刨出或铣出。 43）所有加工面都应有支承面较大的基准，以便 加工时进行定位、测量和夹紧。 1998-11-

30、679 4第五节 导轨的功用、分类和基本要求 一、导轨的动用和分类 二、导轨应满足的基本要求 三、导轨的磨损形式 4第六节 滑动导轨 材料 结构 润滑与防护 验算 提高耐磨性 4第七节 低速运动的平稳性 4第八节 动压导轨、静压导轨、卸荷导轨 4第九节 滚动导轨 1998-11-680 第五节 导轨的功用、分类 和基本要求 1998-11-681 一.导轨的动用和分类 4功用: 导向和承载 4在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动 4动导轨运动的一方 4支承导轨不动的一方 4只有一个自由度 4直线或回转运动 1998-11-682 导轨可按下列性质分类： 4 1）按工作性质可分为： 主运动导

31、轨、 进给运动导轨 调位导轨 4调位导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加 工时没有相对运动 4例如车床尾架用的导轨 1998-11-683 2）按摩擦性质分 滑动导轨 滚动导轨 4滑动导轨：混合摩擦导轨 边界摩擦导轨 液体动压导轨 液体静压导轨 4滚动导轨：滚珠导轨 滚柱导轨 滚针导轨 按两导轨面间 的摩擦状态 按滚动体 1998-11-684 3） 按受力情况分 开式导轨依靠外载荷和部件自重，使两导轨 面在全长上保持贴合的导轨 4闭式导轨用压板作为辅助导轨面保证主导轨 面贴合的导轨 1998-11-685 二、导轨应满足的基本要求 4 机床导轨的质量在一定程度上决定了 机床的加工精度 工作

32、能力 使用寿命 1998-11-686 （一）导向精度 4导向精度：直线运动导轨的直线性 圆周运动导轨的真圆性 导轨同其它运动件之间相互位置的准确性 4影响因素: 导轨的几何精度 结构形式 导轨及其支承件的自身刚度 油膜刚度 热变形等 1998-11-687 (二）精度保持性 4刚度刚度 4耐磨性耐磨性 4刚度不足，影响部件之间的相对位置精度和导轨 的导向精度，使导轨面上的比压分布不均，加剧 导轨的磨损 4耐磨性导向精度能否长期保持 4导轨耐磨性与导轨材料、导轨面的摩擦性质、导 轨受力情况及两导轨相对运动速度等有关。 导向精度 1998-11-688 （三）低速运动平稳性 4保证在作低速运动或

33、微量位移时不出现不平稳现 象。 4影响：使加工表面粗糙度增大； 定位运动时的不平稳，将降低定位精度 4影响因素：导轨的结构和润滑 动、静摩擦系数的差值 传动动导轨运动的传动系统的刚度等 1998-11-689 （四）结构工艺性 4在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于 制造和维护 4对于刮研导轨，应尽量减少刮研量 4对于镶装导轨，应做到更换容易 1998-11-690 三、导轨的磨损形式 4滑动导轨磨损的基本形式 磨粒磨损 咬合磨损 4这两种磨损伴随发生，相互联系，相互影响 4磨粒磨损往往是咬合磨损的起因，咬合磨损反过 来又会加剧磨粒磨损，只是有时其中一种磨损可 能起主要作用。 4滚动导轨

34、疲劳磨损 1998-11-691 （一）磨粒磨损 4磨粒存在于导轨面之间的微小硬粒，如切屑 4磨粒在有一定的压强作用并作相对运动的导轨面 之间起着切刮或刻划导轨面的作用，使导轨面产 生划伤或磨损沟痕 4磨粒磨损与导轨间的相对滑动导轨面比压成正比 4这种磨损不可避免，只能采取某些措施，努力减 少这种磨损。 1998-11-692 （二）咬合磨损 4咬合磨损又称咬焊 4相对运动的两个表面互相咬合，并在表面产生撕 裂现象 4这是由于在导轨面相互运动时，导轨表面覆盖的 一层氧化膜因摩擦发热而受到破坏所造成的。裸 露的金属表面因分子间的相互吸引、粘结、咬焊 在一起，随着接触面继续相对运动，咬焊被拉开 ，

35、如此反复多次，就将产生撕裂现象。 1998-11-693 （三）疲劳磨损和压溃现象 4滚动导轨疲劳磨损主要是因为导轨表面受滚动体 局部应力作用而产生弹性变形，当滚动体离开时 ，变形得到恢复，这种现象连续发生，达到一定 循环次数后，就使导轨表层产生疲劳破坏，出现 点蚀。 4如果局部应力过大而使表层产生塑性变形而压出 凹坑，这就是压溃现象。 1998-11-694 （五）塑料 4塑料导轨具有良好的耐磨性能，落在导轨表面上 的硬粒可挤入导轨内部，避免了磨粒磨损和撕伤 4常用的塑料材料有锦纶、酚醛夹布塑料、环氧树 脂耐磨涂料和聚四氟乙烯基滑动导轨软带等。 1998-11-695 第六节第六节 滑动导轨

36、滑动导轨 1998-11-696 滑动导轨 4最常见的导轨 4其它类型的导轨都是在滑动导轨的基础上 逐步发展起来的 4结构简单 4有良好的工艺性 4刚度和精度易于保证 4在一般机床上广泛应用 1998-11-697 一、导轨材料及热处理一、导轨材料及热处理 1998-11-698 （一)对导轨材料的要求和搭配 4要求耐磨性好、工艺性好、成本低。 4常用材料铸铁、钢、有色金属和塑料 铸铁应用最为普遍 4为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支 承导轨应尽量采用不同的材料 4如果选用相同的材料，也一定要采取不同 的热处理方式以使其具有不同的硬度。 1998-11-699 直线运动导轨 4长导轨（支承导

37、轨）耐磨性较好、硬 度较高 4支承导轨各处使用机会难以均等，且修复 困难 4动导轨总是全长接触，且动导轨短，磨损 后易于维修 4长导轨不易防护 1998-11-6100 回转运动导轨 4动导轨：较软的材料 4因为花盘或圆工作台导轨比底座加工 方便些，磨损后可在机床上加工，以 减少修理的工作量。 1998-11-6101 （二）铸 铁 4铸铁成本低 有良好减振性和耐磨性 易于铸造和切削加工 4导轨常用的铸铁灰铸铁 孕育铸铁经过孕育孕育处理的灰铸铁铸铁称孕育铸铁孕育铸铁。 常用的孕育孕育剂有破铁、硅钙、稀土台金等，其中最 常用的是含有75Si的铁合金。孕育孕育剂的加入量大致在0.20.5，应视铸件

38、厚薄而定。 孕 育孕 育 剂 的 作 用 是 促 使 石 里 非 自 发 形 核 ， 因 而 孕 育 铸 铁孕 育 铸 铁 的 全 相 组 织 是 在 细 密 的 珠 光 体 基 . . . . . 耐磨铸铁 4灰铸铁应用最多的牌号是HT200 1998-11-6102 4常用的孕育铸铁牌号是HT300 4耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研 ，且成本较高。 4常用于较精密的机床导轨 1998-11-6103 4耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜 钛铸铁及钒钛铸铁 4与孕育铸铁相比，其耐磨性提高12倍， 但成本较高 4常用于精密机床导轨 1998-11-6104 4为了提高铸铁导轨的硬度，以

39、增强抗硬粒 磨损的能力和防止撕伤，铸铁导轨经常采 用高频淬火，中频淬火及电接触自冷淬火 等表面淬火方法。 4高频淬火是借助200300kHz的高频电流对 导轨面加热，淬火温度一般为900950C ，淬火层深度可达1.53mm，硬度达48 55HRC，可使普通铸铁耐磨性提高2倍左右 。 1998-11-6105 4中频淬火可采用8kHz左右的中频电流进行，淬火 温度一般为950C左右，淬硬层可达23mm，表 面硬度可达4050HRC。 4高频及中频淬火的优点是淬火质量稳定，生产效 率高，缺点是淬火后必须进行磨削加工。 4电接触自冷淬火表面硬度可达5560HRC，淬硬 深度可达0.20.4mm。这

40、种淬火方法具有设备简 单、操作方便、成本低、淬火变形小等优点，但 由于淬硬深度较浅等原因，对导轨耐磨性提高幅 度不大，目前主要用于维修。 1998-11-6106 （三） 钢 4耐磨性要求较高时，采用淬硬钢制成的镶钢导轨 4淬火钢的耐磨性比普通铸铁高510倍 4镶钢导轨常用材料： 45或40Cr表面淬硬或全淬透，硬度达到52 58HRC 20Cr、20CrMnTi等渗碳淬硬至5662HRC 4导轨工作面上不能钻孔，以免积存杂质导致磨损 4镶钢导轨工艺复杂，成本高，主要用于数控机床 的滚动导轨。 1998-11-6107 粘结粘结 焊接焊接 螺钉连接螺钉连接 1998-11-6108 (四）有色

41、金属 4有色金属镶装导轨常用于重型机床运动部 件的动导轨上，与铸铁的支承导轨搭配， 以防止咬合磨损、保证运动平稳性和提高 运动精度。 4常用的材料有锡青铜ZQSn6-6-3、铝青铜 ZQA19-2和锌合金ZZnAl10- 5等。 1998-11-6109 （五）塑料 4塑料导轨具有良好的耐磨性能，落在导轨 表面上的硬粒可挤入导轨内部，避免了磨 粒磨损和撕伤 4常用的塑料材料有锦纶、酚醛夹布塑料、 环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯基滑动导 轨软带等。 1998-11-6110 二.导轨的结构 1998-11-6111 （一）截面形状 4滑动导轨两大类凸形和凹形 4凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑

42、油，只 适合于低速运动 4凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防 止落入切屑等，必须配备良好的防护装置 1998-11-6112 1998-11-6113 三角形导轨 4支承导轨为凸形时山形导轨 4支承导轨为凹形时V形寻轨 4三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后 能自动补偿，不影响导向精度 4导向精度随顶角的增加而降低 4承载面积随的增加而增加 4通常取=90 4大型或重型机床，可取=110120 4精密机床，常取90 1998-11-6114 4支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑 ，也不易存留润滑油 4适用于不易防护、速度较低的进给运动导 轨 4支承导轨为V形时，由于能得到较充足

43、的润 滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外 ，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身 导轨 4必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘 1998-11-6115 矩形导轨 4矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大 ，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而 且两个导轨面的误差不会相互影响，便于 安装调整 4侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调 整装置，因此导向性较差 4适用于载荷较大而导向性要求不高的机床 1998-11-6116 燕尾形导轨 4燕尾形导轨结构紧凑、高度尺寸较小 ，可承受颠覆力矩 4磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整 ，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都 比较复杂 4一般用作中、低速的多层导轨

44、 1998-11-6117 圆柱形导轨 4圆柱形导轨制造简单 4要求加工时就直接达到较高精度 4磨损后很难调整和补偿间隙 4圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在 承受轴向载荷的场合 1998-11-6118 圆周运动导轨截面 4平面圆环导轨： 4制造容易，热变形后导轨仍能接触，只能 承受轴向力，不能承受径向力，需与带径 向滚动轴承的主轴相配合，来承受径向力 4摩擦损失小，精度高，目前用得较多。 4适用于大直径的工作台和转盘，如滚齿机 、立式车床导轨等。 1998-11-6119 锥形圆环导轨 4能承受轴向力和较大的径向力，热变形也 不影响导轨接触，导向性比平面好， 4但要保持锥面和主轴的同轴度

45、较困难 4母线倾斜角一般为30 4常用于径向力较大的机床 1998-11-6120 V型圆环导轨 4V型圆环导轨能承受较大的轴向力、径向力 和颠覆力矩 4能保持很好的润滑 4制造较复杂 4床身和工作台热变形不同时，两导轨面将 不同时接触 4用于载荷大、速度高的立式车床 1998-11-6121 （二)组合形式 4从限制自由度的角度出发，采用一条导轨 即可。 4用一条导轨，移动部件无法承受颠覆力矩 4直线运动导轨一般由两条导轨组合 4重型机床，常用三条或三条以上导轨的组 合 1998-11-6122 双三角形组合 4导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较 好的精度保持性， 4很难达到四个表面同时接

46、触的要求，制造 困难 4适用于精度要求较高的机床，如SG8630型 刀架导轨和Y3150E立柱导轨等 1998-11-6123 双矩形组合 4具有较大的承载能力、制造调整比较简单 4导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有 较大影响 4多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作 台导轨。 1998-11-6124 4窄导向用一条导 轨面的两侧面导向 4导向精度高 4宽导向用两条导 轨面的两外侧面导向 1998-11-6125 三角形一矩形组合 4导向性好、制造方便和刚度高 4应用最广泛 4如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、 M1432A砂轮架导轨等。 1998-11-6

47、126 燕尾形组合 4两个燕尾平面同时起导向及压板作用 4一根镶条：调整各接触面的间隙 4不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大 4用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动 速度不大的场合 4如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等 1998-11-6127 4燕尾形一矩形组合：能承受较大力矩，间隙调整 也比较方便， 4多用于横梁、立柱、摇臂等的导轨，如B2020型 龙门刨床横梁导轨等。 1998-11-6128 4双圆柱形组合：容易制造，耐磨性较好，但磨损 后不易补偿。 4常用于仅受轴向力的场合，如压力机、机械手的 导轨。 1998-11-6129 （三）间隙调整 4导轨接合面之间都存在间隙

48、 4间隙过小，增加运动阻力，加速导轨磨损 4间隙过大，降低导向精度，容易产生振动 4调整方法：镶条和压板 1998-11-6130 4 1压板 压板用于调整间隙和承受颠覆力矩 1998-11-6131 42镶条。 镶条用来调整矩形和燕尾形导轨的侧面间隙， 以保证导轨面的正常接触。 常用的镶条有平镶条和斜镶条两种。 1998-11-6132 斜镶条 1998-11-6133 三、导轨的润滑和防护 1998-11-6134 （一）导轨的润滑 目的： 4减少磨损以延长导轨使用寿命； 4降低温度以改善工作条件； 4降低摩擦力以提高机械效率； 4保护导轨表面以防止发生锈蚀。 1998-11-6135 导

49、轨的润滑方法 4人工定期浇油或油杯供油 4在机床上装手动油泵，在工作前拉动油泵几次， 进行人工润滑 4现代机床上多采用压力油强制润滑。 1998-11-6136 润滑油 4粘度：根据导轨的工作条件和润滑方式选择 4小载荷、低中速小型机床进给导轨：L-AN32机械 油 4中等载荷，低中速机床导轨：L-AN46或L-AN68机 械油 4重型机床低速导轨：L-AN68、L-AN80或L-AN100 机械油 4竖直导轨或倾斜导轨：L-AN46或L-AN68机械油 1998-11-6137 4对滚动导轨：润滑油或润滑脂 4润滑脂优点：不会泄漏，不需经常加油 缺点：尘屑进入后易磨损导轨 4特别注意防护措施

50、 1998-11-6138 (二）导轨的防护 41刮板式 42. 隙缝式 43整罩式 44层叠式 1998-11-6139 四、滑动导轨的验算 4滑动导轨设计步骤： 参考同类型机床， 初步拟定导轨的形状和尺寸， 验算。 1998-11-6140 滑动导轨的验算 4受力分析 4求出导轨的平均比压和最大比压 4与导轨的许用比压相对照，判断导轨设计是否合 理。 4根据比压分布情况，判断是否需用压板 1998-11-6141 （一）导轨比压的分布 4 每条导轨面所受的载荷，都可最终归纳为一个 其作用点距导轨中心距离为x的力F的作用。 4这个力又等价于一个作用于导轨中心的力F和一 个颠覆力矩M的作用 1

51、998-11-6142 1998-11-6143 4 在F作用下，导轨面的比压pF（MPa）： pF=F/aL 4在力矩M作用下，导轨面产生的比压pM（Mpa） 4 pM =6M/aL2 2 6 1 3 2 2 1 2 1 aLpLaLpM MM 1998-11-6144 4由于力F与力矩M 同时作用，因此导轨所承受的 最大、最小、平均比压分别为 aL F ppp FL M aL F ppp FL M aL F ppp av MF MF minmax min max 2 1 6 1 6 1 1998-11-6145 比压出现的四种情况 xM=FX6M/FLpmaxpmin分布 100pavpa

52、v矩形 理想 2 L/6 FL/612pav0梯形 尽 量 用 3 =L/6 =FL/6=1=2pav=0梯形 可用 4 L/6 FL/610 一端有 间隙 不用 1998-11-6146 (二）导轨的许用比压 4比压：影响导轨耐磨性的一个主要因素 4导轨的支承面积应与导轨所承受的载荷相适应 4保证导轨面上的平均比压不超过许用值 1998-11-6147 五、提高导轨耐磨性的措施 4（一）力求无磨损 磨损原因：配合面在一定的压强作用下直接接 触并作相对运动 不磨损条件 相对运动时不直接接触 接触时则无相对运动 4不直接接触保证完全的液体润滑，使润滑剂 把摩擦面完全分隔开。 4如静压导轨、静压轴

53、承或其它的静压副。 4动压导轨和动压轴承也可以达到完全的液体润滑 状态，但油膜压强与相对运动速度有关。因此， 在起动或停止的过程中仍难免磨损。 1998-11-6148 (二）力求少磨损 4l）降低导轨面间的压强 4方法加大导轨的接触面 减轻负荷 4增加实际接触面积提高导轨面的直线度 细化表面粗糙度 加宽导轨面 加长动导轨的长度 4减轻导轨负荷采用卸荷导轨 1998-11-6149 42)降低摩擦系数 采用滚动导轨； 正确选择摩擦副的材料； 正确选择润滑油或采用循环润滑的方式 43)适当的热处理：提高导轨抗磨损的能力 支承导轨淬硬，动导轨表面贴塑料软带。 44)加强防护 可避免灰尘、切屑、砂轮

54、屑等进入摩擦副，是 提高导轨耐磨性的有效措施 1998-11-6150 （三）均匀磨损 4磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大。 4例如床身导轨，如果磨损是均匀的，对机床加工 精度一般影响不大，而且可以补偿。 4磨损不均匀的主要原因 在摩擦面上压强分布不均 各个部分的使用机会不同 1998-11-6151 4争取均匀磨损措施 4 力求使摩擦面上压强均匀分布，例如导轨的形状 和尺寸要尽可能对集中载荷对称； 4 尽量减小扭转力矩和倾覆力矩； 4 保证工作台、溜板等支承件有足够的刚度； 4 摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高 些，例如车床床身导轨的硬度应比床鞍导轨硬度高。 1998-11-

55、6152 第七节 低速运动的平稳性 1998-11-6153 一、爬行现象及产生原因 （一）爬行现象及其影响 4在机床低速或微量进给运动中，主动件作匀速运 动，而被动件的速度发生明显的周期性变化现象 称为“爬行爬行”。 4爬行影响机床的加工精度、表面粗糙度和定位精 度，是精密机床及重型机床必须解决的问题。 1998-11-6154 （二）产生爬行的原因 4对于一个运动系统，当高于某一速度时，不会出 现爬行现象，这一速度称为不发生爬行的临界速 度Vk 。 mgfF k m gf mk Fv k 00 1998-11-6155 1）静摩擦力和动摩擦力之差，差值越大，越容易 产生爬行。 2）传动系统

56、刚度越差，越容易产生爬行 3）运动件的质量越大，越容易产生爬行 4）当导轨面之间的阻尼较大时，有利于减轻或消 除爬行。 1998-11-6156 二、消除爬行的措施 4设计低速运动机构时，首先应估算其临界速度。 4如果所设计机构的最低速度低于临界速度时，应 采取措施降低其临界速度，以避免产生爬行。 4运动部件的质量往往由于结构要求成为定值，阻 尼比目前研究得还不充分，改善措施也不很多。 1998-11-6157 （一）减小静、动摩擦力之差 1）采用导轨油 2）以滚动摩擦代替滑动摩擦 3）采用卸荷寻轨和静压导轨 4）采用减摩导轨材料 1998-11-6158 (二）提高传动系统刚度 41）机械传

57、动：尽可能缩短传动链，以减少弹性 变形量；适当提高未端传动副的刚度；合理分配 传动比，使多数传动件受力较小。 42）液压传动：液压传动机构受力后的变形来自 油的可压缩性以及活塞杆、活塞杆座等的变形。 因此，要防止油中混入空气泡和注意提高活塞杆 及活塞杆座的刚度。 1998-11-6159 第八节 动压导轨、静压导轨 、卸荷导轨 1998-11-6160 一.动压导轨 4动压导轨与动压轴承一样，是靠导轨之间的相对 运动产生的压力油膜将运动件浮起，把两个导轨 面隔离，形成纯液体摩檫。 4工作原理与动压轴承相同，形成导轨面间压力油 膜的条件是：两导轨面之间应有锲形间隙和一定 的相对速度，此外还需要有

58、一定粘度的润滑油流 进锲形间隙 1998-11-6161 4适用于主运动导轨 4直线运动导轨的油腔应开在动导轨上，可以保证 在工作过程中，油锲始终不会外露，不和大气相 通，从而保证油锲形成的油膜压力对运动件的浮 力在全长上始终是均衡的。 4在运动件上供油较困难，故从支承件导轨中进油 。 1998-11-6162 4圆周运动导轨的油腔应开在固定导轨上，因为两 个导轨面在工作过程中始终接触，没有油锲外露 的问题，油可以直接从支承件导轨的进油口进入 油槽，加工、装配、维修等都较方便。 4由于直线运动寻轨要作往复运动，圆周运动导轨 要正、反转，因此油腔应当是对称的，以产生双 向压力油膜。 1998-1

59、1-6163 二、静压导轨 4工作原理与静压轴承相同。将具有一定压力的润 滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形 成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态 。 4优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很 小； 载荷的变化对油膜厚度的影响很小； 液体摩檫，摩檫系数仅为0.005左右，油膜抗 振性好。 1998-11-6164 4缺点：导轨自身结构比较复杂； 需要增加一套供油系统； 对润滑油的清洁程度要求很高。 4主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨 1998-11-6165 静压导轨分 类 4按结构形式分： 开式、闭式 4开式静压导轨：压力油经节流器进入导轨的各个 油腔，使运动部件浮起，导轨面被油膜隔开，油 腔中的油