机电装备支承件和导轨设计-机电装备设计

第四章机机电装备备支承件和导导轨设计BearingPartAndGuidewayDesignforElectro-mechanicalEquipment4.6导轨的类型及及基本要求4.7滑动导轨设计计4.8卸荷导轨设计计4.9滚动导轨设计计4.10润滑与防护、、提高耐磨性性的措施本节主要内容容14.6导轨的类型及及基本要求4.61功用和分类功用：使运动部件沿沿一定的轨迹迹(直线或圆周)运动，并承受运运动部件上的的载荷即起导向和承载作用。在导轨副中，，运动的一方方称作运动导导轨，不动的一方称作作支承导轨。。支承导轨用用以支承和约约束运动导轨，，使之按功能能要求作正确确运动。2按运动导轨的的轨迹分：直线运动导轨轨副：一个直直线运动自由由度圆周运动导轨轨副：一个旋旋转自由度按导轨面间的的摩擦特性分分：滑动摩擦导轨轨副：是基础础滚动摩擦导轨轨副：导向精精度高液体摩擦导轨轨副：吸振性性好，摩擦系系数小导轨面间有一一层油膜，实实现液体摩擦擦，导轨间不不相互接触，摩擦因数数为0.0005～0.0010，不会磨损，，有利于保持持导轨的导向精精度，在低速速下不宜产生生爬行，在机机床上得到广泛应用。分类3按结构形式分分：开式导轨和闭闭式导轨开式导轨：●必须借助于运运动件的自重重或外载荷，，保证在一定定的空间位置置和受力状态态下，运动导导轨和支承导导轨的工作面面保持可靠的的接触，从而而保证运动导导轨的规定运运动。●结构简单，但但不能承受较较大颠覆力矩矩的作用。4闭式导轨：借助导轨副本本身的封闭式式结构，保证证在变化的空空间位置和受受力状态下，，运动导轨和和支承导轨的的工作面都能能始终保持可可靠的接触，，从而保证运运动导轨的规规定运动。54.6.2导轨副应满足足的要求1、导向精度定义：运动导轨的实实际运动方向向与给定运动动方向之间的的偏差。影响导向精度度的主要因素素：导轨的几何精精度、导轨的的结构形式、、装配质量、导轨轨及其支承件件的刚度和热热变形等。2、接触精度定义：导轨副摩擦表表面的实际接接触面积占理理论接触面积积的百分比。。3、精度保持性性主要由导轨的的耐磨件决定定。影响因素素有磨损性质质、载荷状况况、导轨材料、工工艺方法和润润滑防护条件件等。4、低速运动平平稳性低速运动速度度可达0.05mm/min。5、刚度6、结构简单、、工艺性好等等。64.7滑动导轨4.7.1材料与热处理理对导轨材料的的要求和匹配配●材料应具有良良好的耐磨件件、摩擦因数数小和动静摩摩擦因数差小；●加工和使用时时产生的内应应力小，工艺艺性和尺寸稳稳定性好及成本低等等性能；●导轨副应尽量量由不同材料料组成，如果果选用相同材材料，应采用不同的的热处理或不不同的硬度；；●通常动导轨用用较软、耐磨磨性低的材料料，固定导轨轨用较硬和耐磨材料料制造。7导软材料匹配配及其相对寿寿命导轨材料及热处理相对寿命导轨材料及热处理相对寿命铸铁/铸铁铸铁/淬火铸铁铸铁/淬火钢12~3＞2淬火铸铁/淬火铸铁铸铁/镀鉻或喷涂钼铸铁塑料/铸铁4~53~48注：导轨材料料前边为动导导轨，后面为为定导轨8导轨材料与热热处理铸铁（灰铸铁铁、孕育铸铁铁、耐磨铸铁铁）铸铁是一种成成本低、有良良好的减振性性和耐磨性、、易于铸造和和切削加工的金属材料料。灰铸铁：应用最多的灰灰铸铁是HT200，铸铁—铸铁的导轨摩摩擦副适用于需要手工工刮研的导轨轨；对加工精精度保持性要要求不高的中中等精度和运动速度低低的导轨。孕育铸铁：在铁水中加入入少量孕育剂硅和铝铝而构成的孕育育铸铁，可使铸件获得到到均匀的强度度和硬度。耐磨铸铁：高磷铸铁、磷铜钛铸铁和钒钛铸铁。高磷铸铁是是指磷的质量分数高于于0.3％的铸铁、耐耐磨性比孕育育铸铁提高1倍多。磷铜钛钛铸铁和钒钛铸铸铁是提高机机床导轨耐磨磨性的好材料料。具有力学学性能好、耐磨性比比孕育铸铁高高1.5～2.0倍、铸铁质量量容易控制等等优点，但成本较高。目目前多用于精精密机床。9铸铁导轨的淬淬火○接触电阻阻淬火淬硬深度很浅浅，对导轨耐耐磨性提高的的幅度不大。○感应淬火有有高频与中频频感应加热淬淬火两种，硬度可可达45～55HRC，耐磨性可提提高近两倍。。中频加热淬淬硬层较深，可达2～3mm。高频与中频频淬火后的导导轨面要进行磨削加工。。火焰表面淬火火的导轨因淬淬硬层深而使使导轨耐磨性性有较大的提高，，但淬火后的的变形较大，，增加了磨削削加工量。10电极间的短路路电流控制在在400～600A，工作时滚轮轮在20N的压力下与HT导轨保持接触触。导轨与滚滚轮接触产生生电热效应,自行冷却。淬淬硬深度0.15mm左右，硬度达55HRC。11钢：采用淬火钢和和氮化钢的镶镶钢导轨，可可大幅度地提提高导轨的耐耐磨性。镶钢导轨材料料有几类：①合金工具钢或或轴承钢，牌牌号为9Mn2V、GrWMn、GGrl5等。整体淬硬硬，硬度≥60HRC；②高碳工具钢，，牌号为T8A、T10A等，整体淬硬硬，硬度≥58HRC；③中碳钢。牌号号为45或40Cr，整体淬硬，，硬≥48HRC；④低碳钢，牌号号为20Cr，渗碳淬硬，，硬度≥61HRC；⑤氮化钢，牌号号为38CrMoALA以，氮化处理理，表面硬度度≥850HV（相当当于于64～65HRC)。12有色色金金属属用于于镶镶装装导导轨轨的的有有色色金金属属板板的的材材料料，，主主要要有有：：锡锡青青铜铜ZCuSn6Pb6Zn3、铝铝青青铜铜ZCuAl9Mn2和锌锌合合金金ZZuAl-10-5等。。多用用于于重重型型机机床床的的动动导导轨轨上上，，与与铸铸铁铁的的支支撑撑导导轨轨相相配配偶偶，，用于于防防止止撕撕伤伤、、保保证证运运动动的的平平稳稳性性和和提提高高移移动动精精度度。。从摩摩擦擦状状态态和和耐耐磨磨性性来来看看，，铝铝青青铜铜ZCnAl9Mn2与锡锡青青铜铜ZCuSn6Pb6Zn3相仿仿，，抗抗磨磨料料磨磨损损的的耐耐磨磨性性比比锌锌合合金金ZZnAl-10-5高，，但但锌锌合合金金的的抗抗撕撕伤伤能能力力比比较较强强。。从从成成本本来来看看，，铝铝青青铜ZCnAl9Mn2比锡锡青青铜铜ZCuSn6Pb6Zn3低，，但但比比锌锌合合金金ZZnAl-10-5高。。13高分分子子材材料料镶装装高高分分子子材材料料导导轨轨具具有有摩摩擦擦因因数数低低、、耐耐磨磨性性好好、、抗损损伤伤能能力力强强、、低低速速时时不不易易出出现现爬爬行行、、加加工工性性和和化化学学稳定定性性好好、、工工艺艺简简单单和和成成本本低低等等优优点点，，在在各各类类机机床床的的动导导轨轨上上都都有有应应用用，，在在精精密密、、数数控控和和重重型型机机床床动动导导轨轨上的的应应用用在在逐逐渐渐增增多多。。塑塑料料导导轨轨可可与与不不淬淬硬硬的的铸铸铁铁导导轨组组成成对对偶偶摩摩擦擦副副，，也也可可与与镶镶钢钢导导轨轨组组成成对对偶偶摩摩擦擦副。。144.7.2结构构形形式式

a)凸矩形b)凹矩形

矩形形导导轨轨：：刚度度高高，，加加工工、、检检验验和和维维修修都都较较方方便便的的优优点点。。但但矩矩形形导导轨轨存存在在侧侧向向间间隙隙，，导导向向性性差差。。矩形形导导轨轨适适用用于于载载荷荷较较大大而而导导向向性性要要求求略略低低的的机机床床。。矩矩形形导导轨轨的的承载载面面(顶面面)和导向向面面(侧面面)分开开，，精精度度保保持持性性较较好好。。导导向向面面磨磨损损量量直直接接影影响响导导向向精精度度。。凹凹矩矩形形导导轨轨易易存存润润滑滑油油，，但但也也易易积积灰灰尘尘污污物物，，必必须须进进行行防防护护。。直线线运运动动导导轨轨：：15a)凸三角形b)凹三角形

三角角形形导导轨轨：：承载载面面与与导导向向面面重重合合，，磨磨损损量量能能自自动动补补偿偿，，导导向向精精度度较较高高。。顶角角在在60～120度内内变变化化，，顶角角越越小小，，导导向向精精度度越越高高，，但但摩摩擦擦力力也也越越大大。。◆小顶顶角角用用于于轻轻载载精精密密机机械械，，大大顶顶角角用用于于大大型型机机械械；；◆凸三三角角形形支支承承导导轨轨，，不不易易积积存存切切屑屑，，不不易易存存留留润润滑滑油油，，适适用用于于不不易易防防护护、、速速度度较较低低的的进进给给运运动动导导轨轨；；◆凹三三角角形形支支承承导导轨轨，，能能得得到到较较充充足足的的润润滑滑，，除除用用于于精精密密与与大大型型机机床床的的进进给给导导轨轨外外，，还还可可用用于于主主运运动动导导轨轨，，但但是是必必须须很很好好地地防防护护，，以以免免落落入入切切屑屑和和灰灰尘尘。。1617

a)凸燕尾形b)凹燕尾形

燕尾尾形形导导轨轨：：在承承受受颠颠覆覆力力矩矩的的条条件件下下高高度度较较小小，，用用于于多多坐坐标标多多层层工工作作台台，，使使总总高高度度减减小小。。◆加工、维修较较困难，磨损损后不能自动动补偿；◆可用镶条来调调整间隙，结结构紧凑。上三种导轨形形状均由直线线组成，称为为棱柱面导轨。18a)凸圆形b)凹圆形

圆形导轨：制造方便，工工艺性好，但但磨损后难于于调整间隙。。多用于只承承受轴向力的的部件，如立立式导轨。天津海特直线线轴承19直线运动导轨轨的组合形式式：双矩形组合：：两条矩形导轨轨的组合突出出了矩形导轨轨承载能力较较大的特点，，但导向性稍稍差。多用用于普通精度度的机床和重重型机床。○由一条导轨的的两侧导向时时，为窄式组合；○分别由两条导导轨的外侧导导向时，为宽式组合。○导轨受热膨胀胀时宽式组合合的矩形导轨轨比窄式变形形量大，调整整时应留较大大的侧向间隙隙，因而导向向性较差。双矩形导轨窄窄式组合比宽式用得更更多一些。20双三角组合：：两条三角形导导轨的组合突突出了三角形形导轨的优缺缺点。○导向性和精度度保持性；○由于超定位，，加工、检验验和维修都比比较困难。○多用于精度要要求较高的机机床，如丝杠杠车床、单柱柱坐标镗床和和齿轮加工机机床等。21矩--三角组合：兼有导向性好好、制造方便便和刚度高的的优点，承载载能力优于双双三角组合，，导向性优于于双矩形组合合，工艺性介介于二者之间间，应用广泛泛。双圆柱导轨：：常用于只受轴轴向力的场合合，如拉床、、攻螺纹机和和机械手等。。22旋转运动的导导轨：平面环形导轨轨只能承受轴轴向载荷，因因而必须与主主轴联合使用用，由主轴来来承受径向载载荷。这种导导轨适用于由由主轴定心的的各种回转运运动导轨的机机床，例如立立式车床。2．锥面导轨母线倾角在15度～45度范围内变化化，常取30度。除轴向载载荷外还能承承受一定的径径向载荷。1．平面环形导导轨承载能力大、、结构简单、、工艺性较好好、制造方便便的优点。23双锥面(V形)导轨除轴向载荷和和径向载荷外外，能承受一一定颠覆力矩矩。其缺点是是工艺性差，，在与主轴联联合使用时既既要保证导轨轨面的接触，，又要保证导导轨面与主轴轴的同心是相相当困难的，，因此有被平面环形导轨轨取代的趋势。。20度～70度244.7.3导轨压强计算算◆分析导轨面上上的受力和比压；；◆探讨合适适的导轨结构构，减小导轨轨的比压；◆力求磨损均匀匀，使导轨结结构上保证磨磨损后对加工精度影响响尽可能的小小；◆磨损后能调整整间隙。25比压计算：许用压强的计计算方法，见见表5-2（导轨的许用用压强）264.7.4静压导轨工作原理与静静压轴承相同同。在导轨的的油腔中通入入一定压强的的润滑油，使动导导轨微微抬起起，在导轨面面间充满润滑滑油所形成的的油膜，使导轨处于纯纯液体摩擦状状态。优点：①静压油膜膜使导轨面分分开，导轨即即使在起动和和停止阶段也也没有磨损，精度保持持性好。②静压导轨轨的油膜较厚厚，有均化误误差的作用，，可以提高精精度。③摩擦因数数很小，大大大降低传动功功率，减少摩摩擦发热。④低速移动动准确、均匀匀，运动平稳稳性好。⑤与滚动导轨轨相比，静压压的油膜具有有吸振作用。。缺点：①结构比较较复杂，增加加了液压设备备。②调整比较较麻烦。多用于精密级级和高精度级级机床的进给给运动和低速速运动导轨。。27284.8卸荷导轨设计计机械卸荷导轨轨导轨上的一部部分载荷由支支承在辅助导导轨面4上的滚动轴承承3承受。卸荷力力的大小通过过螺钉1和碟形弹簧2调节。卸荷点点的数目取决决于动导轨的的载荷和卸荷荷系数的大小小。为了减小小滚动轴承的的支承轴的中中心线与支承承导轨面不平平行的影响，，可以采用用自动调心的的球面轴承。。29卸荷导轨的特特点和应用：：○采用卸荷导轨可可以减轻支承导轨的负荷和降低低导轨的静摩擦因数；；○提高导轨的耐耐磨性和低速速运动的平稳稳性，减少或或防止爬行；○手动操作的部部件采用卸荷荷导轨后，可可使操作轻便便；○卸荷导轨由于于导轨面仍然然是直接接触触的，刚度较较高。○卸荷导轨多用用于要求精度度高和接触刚刚度高的机床床。○导轨的卸荷方方式有液压卸卸荷、机械卸卸荷和气压卸卸荷，其中液压和机机械卸荷方式式应用较多。。304.9滚动导轨设计计滚动导轨是在在静、动导轨轨面之间放置置滚动体如滚滚珠、滚柱、、滚针或滚动动导轨块而构构成的。滚动导轨与滑滑动导轨相比比具有以下特特点。(1)摩擦因数小(0.003～0.005)，运动灵活；；(2)动、静摩擦因因数很接近，，因而起动阻阻力小，低速速运动平稳性性好，不易发发生爬行。(3)可以预紧，刚刚度高。31(4)寿命长。(5)精度高。定位位精度可达0.1~0.2μm，重复精度可达0.2μm。(6)润滑方便，可可以采用润滑滑脂，一次装装填，长期使用。(7)由专业厂生产产，可外购选选用。(8)结构比较复杂杂、制造比较较困难、成本本比较高。(9)抗振和抗冲击击能力差，对对灰尘屑末较较敏感，必须有良好的防防护装置。3233滚动导轨设计计举例：34353637PC是当量载荷求导轨的额定定寿命：38计算额定动载载荷，根据算算出的额定动动载荷，查产产品的手册，，选出最终的的导轨型号，，本例中为：：HJG-DA20A型的滚动导轨轨副。394.10润滑与防护、、提高耐磨性性的措施润滑的目的：：降低摩擦力以以提高机械效效率；减少磨磨损以延长寿寿命；降低温温度以改善工工