导轨的结构设计

1、作者:日期: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A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，是由导轨面承受的，故导轨

2、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，上述六点要求是相互影响的。2导轨设计的主要内容设计导轨应包括下列几方面内容：1根据工作条件，选择合适的导轨类型。2如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范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。4选择导轨的

3、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a1.滑动导轨（1）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，以使力的作用方向尽可能垂

4、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，内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a三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导

5、向面，导向精度较高，而平导轨的工艺I-,.性好，因此应用最广。A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。a双三角形导轨:由于采用对称结构，两条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a图21-13图21-14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，假如运动部件热变

6、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：&）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。a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。圆形导轨的间隙不能调整。匕

7、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。Ii!li=nW盘儿I卜亦块1.釦射刀聚圧担（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，使其在较长的时间内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，即叩=P/S（公斤/厘米2）a式中P-作用在导轨上的力（公斤）/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承面的面

8、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。金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对选择合适材料目前常采用的导轨材料有以下几种：铸铁一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性要求，可使

9、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。金此外，还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。a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。a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（孔内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2116所示的方法。螺钉固紧后，将六角头磨平

10、，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。A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对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，润滑可以防止爬行”；对高速运动，可减

11、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。金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。63)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AminnO金导轨的最小间隙用下式计算:Amin=Dmin1+(t-t0)dmax1+az(t)1(mm)式中t工作温度(9)述0制造时温度(P)ADmin包容件在t0时的最小尺寸(mm)dma

12、x-被包容件在to时的最大尺寸(mm)ak-包容件材料的线膨胀系数(1/9)az-被包容件材料的线膨胀系数(1/C)a为保证导向精度，导轨的最大间隙Amax应小于或即是答应值，即Amax4公斤/厘米时;对于滚珠导轨，在每个滚珠上的载荷为p3（d）l/2公斤时，（d为滚珠直径，毫米），载荷的分布比较均匀。a在滚柱导轨中，增加滚柱的长度,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，1/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

13、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II或III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（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。1JLJT/1QLr-2/10L屮J-j(tinm斤罕.3斤3昭rfL3涉Jok3/10L港动悴丟托雨工非合的I術1r二P工柞台KffiS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。金试验证实: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，但在一定限度内变化不大，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