设计导轨资料

设计导轨第一节概述作用：支承和引导运动部件按给定方向作往复直线运动。基本组成运动件承导件第十二章导轨内容：机床导轨的功用、分类和应满足的要求及设计步骤；滑动导轨、滚动导轨的设计特点。要求：对机床导轨具有结构分析及初步的设计能力。导轨副：机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副。动导轨相对于支承导轨只有一个自由度。动导轨：在导轨副中，运动的一方。支承导轨：在导轨副中，不动的一方。第一节导轨的功用、分类和应满足的要求一、导轨的功用和分类1、功用：导向和承载。

导轨主要用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。2、分类：（1）按运动轨迹分：直线和园周运动导轨（2）按运动性质分：

主运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运动的速度较高。进给运动导轨:动导轨与支承导轨之间，相对运动的速度较低。

移置导轨：只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工时没有相对运动。（3）按摩擦性质分：滑动导轨

滚动导轨：在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦的性质，广泛地应用于进给运动导轨和旋转主运动导轨。

静压导轨：油膜压强靠液压泵建立，两导轨面间有一层静压油膜，多用于进给运动导轨。

动压导轨：当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应使导轨油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦。只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨。普通滑动导轨

（4）按受力状况分：

开式导轨：在部件自重和外载作用下，导轨面在全长上可以始终贴合的导轨。

闭式导轨：在较大的倾覆力矩时，部件自重不能使导轨面贴合，必须用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合的导轨。（1）几何精度

反映了导轨在低速空载运动时的导向精度。

直线运动导轨的几何精度:

导轨在竖直平面内的直线度。导轨在水平平面内的直线度。两导轨面间的平行度。2．精度保持性（耐磨性）影响精度保持性的主要因素是磨损。必须提高导轨的耐磨性，尽可能减小导轨的磨损的不均匀程度（沿导轨全长的均匀和不均匀磨损都会影响其精度），并使磨损后能自动补偿或调整。影响因素：导轨的材料、热处理、加工的工艺方法、磨擦性质及受力情况（即导轨的比压、润滑和防护）等有关。消除爬行现象的主要措施：（1）减少动、静摩擦系数的之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性。1）用滚动摩擦代替滑动摩擦；2）采用卸荷导轨和静压导轨；3）采用减摩材料；4）采用导轨油。（2）提高传动机构的刚度。4．结构简单、工艺性好在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。对于刮研导轨，应尽量减少刮研量。对于镶装导轨，应做到更换容易。第二节导轨的材料导轨的材料：铸铁、钢、有色金属、塑料等。对导轨材料的主要要求：耐磨性高、工艺性好、成本低等。一、铸铁1、特点：成本低，有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工。

2、材料：灰铸铁HT200。孕育铸铁HT300。

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3、铸铁导轨的淬火：感应淬火和火焰淬火。

目的：提高导轨表面的硬度，提高耐磨性。

二、钢1、应用：镶钢支承导轨。2、特点：可大幅度地提高导轨的耐磨性。工艺复杂、加工较困难、成本也较高。3、常用材料：45或40Cr，整体淬硬，HRC≥48。

20Cr，渗碳淬硬，HRC≥60。三、有色金属1、应用：用有色金属板材镶装导轨在动导轨上，与铸铁的支承导轨相搭配。2、特点：耐磨性较高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移动精度。3、材料：锡青铜ZQSn6—6—3、铝青铜ZQAl9-4、（黄铜H62、H68）。四、塑料1、应用：在动导轨上镶装塑料软带。与淬硬的铸铁支承导轨和镶钢支承导轨组成导轨副。2、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、成本低等优点。3、材料：（1）塑料软带：氟塑料导轨软带（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、选用原则：（1）为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应分别采用不同的材料。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。

（2）在直线运动导轨中，长导轨用较耐磨、硬度较高的材料制造。2、滑动导轨副中，常用材料匹配

（1）动导轨采用镶装氟塑料导轨软带，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁；（2）动导轨采用不淬火铸铁，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁。（3）高精度机床，因需采用刮研进行导轨的精加工，可采用不淬火的耐磨铸铁导轨副。（4）只有移置导轨或不重要的导轨，才采用不淬火的普通灰铸铁导轨副。

第三节滑动导轨的结构一、导轨的截面形状与组合

1、直线运动滑动导轨截面形状：主要有三角形、矩形、燕尾形、圆柱形，都有凹凸之分。三角形导轨：磨损后，能自动补偿间隙，导向精度随其顶角的减小而提高，但顶角的减小使承载能力和刚性下降；三角形导轨的制造工艺较复杂。矩形导轨：承载能力大，刚性较高，形状规则，制造和维修方便；但矩形导轨侧面有间隙，导向精度较低。燕尾形导轨：高度尺寸小，结构紧凑，能承受颠复力矩；但燕尾形导轨磨擦阻力大，制造工艺复杂。圆柱形导轨：导向性好，刚性高；但其制造精度要求较高，磨损后，导轨间隙调整较困难。2、组合

直线运动导轨一般由两条导轨组合。工作台面宽度＞3米时，可采用3条或3条以上导轨的组合方式。3、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二、导轨间隙的调整导轨接合面之间都存在间隙。间隙过小，增加运动阻力，加速导轨磨损间隙过大，降低导向精度，容易产生振动调整方法：采用镶条和压板。1．镶条

镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。常用的有平镶条和楔形镶条。放在导轨受力较小的一侧。（1）平镶条

（2）楔形镶条

楔形镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高。楔形镶条的斜度为1∶100～1∶40，镶条越长斜度应越小，以免两端厚度相差太大。2．压板压板用于调整辅助导轨面的间隙、承受颠覆力矩。第四节滑动导轨的验算一、概述导轨的变形主要是接触变形。对于滑动导轨应验算导轨的压强和压强的分布。二、导轨的受力分析（图12-8）以数控车床刀架纵导轨为例P247受力分析：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三、导轨压强（比压）计算的方法和步骤1、按线性分布的导轨压强（常用）2、按非线性分布的导轨压强（一般不用）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0＜6M/FL＜1，即M/FL＜1/6时Pmin＞0,Pmax＜2Pav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/FL＞1，即M/FL＞1/6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各种滑动导轨的设计特点

一、动压导轨动导轨的速度越高，越容易形成液体润滑，油楔的承载能力也越大。因此，适用于主运动导轨。1、油腔的结构和尺寸的确定2、开通式油腔与封闭式油腔先进的机床上同时采用两种油腔，它们相间排列。对开通式油腔供给较多的低压润滑油，其中一部分用于形成动压油楔，其余起冷却和冲洗导轨面的作用。对封闭式油腔供给压强较高的润滑油，用于改善在起动和低速下的工作条件。二、普通滑动导轨构造简单，制造方便，抗震性良好，但磨损较快。三、静压导轨

1、特点与应用（1）优点：静压油膜使导轨面分开，精度保持性好。油膜较厚，有均化误差的作用，可以提高精度。磨擦系数很小，大大降低功率损耗，减少磨擦发热。低速移动准确、均匀，运动平稳性好。抗振性好。（2）缺点：结构比较复杂。增加了一套液压设备。调整比较麻烦。对导轨的平面度要求比较高。2、导轨和油腔（1）对导轨和供油的技术要求为了使各处的间隙均匀，对导轨的几何精度和接触精度都有较高的要求；导轨及其支承件应有足够的刚度和可靠的防护；导轨的形状应力求简单和工艺性好，开式用三角形与矩形组合；闭式导轨用双矩形组合。由于油路管道较长，常用时间继电器起保护作用。此外，还应注意回油问题。（2）油腔的结构与尺寸直线运动导轨油腔应开在动导轨上，圆周运动的导轨油腔开在支承导轨上。动导轨的长度小于2米以内，开2-4个油腔；2米以上每隔0.5米开一个。四、卸荷导轨卸荷导轨可以减轻支承导轨的负荷，或相当于降低导轨的静磨擦系数，从而减少磨擦力，提高导轨的而磨性并能减少或防止爬行。1、卸荷系数的确定2、机械卸荷导轨3、液压卸荷导轨4、自动调节气压卸荷导轨第六节直线滚动导轨优点：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，HRC58～64时为1.0HRC55时为0.8HRC50时为0.53fT—温度系数工作温度不超100ºC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0.66fW—载荷/速度系数无冲击振动v≤15m/min时，fW=1～1.5轻冲击振动15＜v≤60m/minfW=1.5～2有冲击振动v＞60m/minfW=2.0～3.5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根据计算结果选择支承型号支承的额定静载荷C0应不小于工作载荷的2倍第七节导轨的润滑与防护一、导轨的润滑1、目的：为了降低摩擦力、减少磨损、降低温度和防止生锈。2、要求：润滑油要清洁、油量可以调节、元件要可靠并有安全报警装置。3、方式：（1）人工定期向导轨面浇油。（2）在运动部件上装油杯，使油沿油孔流或滴向导轨面。（3）装手动润滑泵，定时拉动几下供油。（4）采用压力油强制润滑：装润滑电磁泵、安装集中润滑站。

4、为使润滑油在导轨面上较均匀地分布，保证润滑效果，需在导轨面上开出油沟。5、润滑油的选择（1）滑动导轨用润滑油。（2）滚动导轨则润滑油、润滑脂都可用。多采用润滑脂润滑。二、导轨的防护1、目的：防止或减少导轨副磨损2、常用的防护方式（1）刮板式2．伸缩式

（1）软式皮腔式（2）叠层式3、在滚动导轨与滑动导轨中均可采用两侧的防护措施，

第八节提高导轨耐磨性的措施从设计角度提高耐磨性的基本思路是：尽量争取无磨损；在无法避免磨损时尽量争取少磨损；均匀磨损；磨损后能够补偿，以便提高使用期限。一、争取无磨损磨损原因：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。采取措施：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。如静压导轨、静压轴承或其它的静压副。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。二、争取少磨损1．降低压强（1）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。（2）采用卸荷导轨

2．改变摩擦性质用滚动副代替滑动副；在滑动摩擦副中保证充分润滑。3．正确选择摩擦副的材料和热处理，可提高抗磨损的能力。如，支承导轨淬硬，动导轨表面贴塑料软带。

4．加强防护可避免灰尘、切屑、砂轮屑等进入摩擦副，是提高导轨耐磨性的有效措施。三、争取均匀磨损磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大。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。磨损不均匀的原因：在摩擦面上压强分布不均；各个部分的使用机会不同。争取均匀磨损有如下措施：使摩擦面上压强均匀分布。使各部分的使用机会相同，使用机会不均的硬度应高些。

四、磨损后应能补偿磨损量

1、自动连续补偿：可以靠自重，例如三角形导轨。2、定期的人工补偿。如矩形和燕尾形导轨靠调整镶条，闭式导轨还要调整压板等。第一节概述导轨的导向原理（保留一个移动自由度）导轨的导向面

棱柱面圆柱面第一节概述导轨的分类按摩擦性质分滑动摩擦导轨滚动摩擦导轨弹性摩擦导轨流体摩擦导轨按结构特点分力封式自封式（承受倾覆力矩）第一节概述导轨的基本要求导向精度直线度

平行度运动轻便、平稳、低速时无爬行现象耐磨性好对稳定变化的不敏感性足够的刚度结构工艺好第二节滑动摩擦导轨运动件与承导件直线接触。优点：结构简单、接触刚度大。缺点：摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。第二节滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨截面的常用形式第二节滑动摩擦导轨圆柱面导轨第二节滑动摩擦导轨圆柱面导轨优点：加工和检验比较简单，易于达到较高精度。缺点：对温度变化比较敏感，间隙不能调整。防转结构示例导轨的配合导轨的表面粗糙度第二节滑动摩擦导轨棱柱面导轨（三角形、矩形、燕尾形）双三角形导轨三角形－平面导轨矩形导轨燕尾导轨第二节滑动摩擦导轨导轨间隙的调整采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法采用平镶条调整

图示采用斜镶条调整

图示第二节滑动摩擦导轨驱动力方向和作用点对导轨工作的影响－减小倾覆力矩，使运动件不被卡住第二节滑动摩擦导轨驱动力方向和作用点对导轨工作的影响－不同截面形状的组合导轨，摩擦力合力位置决定驱动元件的位置第二节滑动摩擦导轨温度变化对导轨间隙的影响承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。保证导轨在工作时不卡住min>=0。保证导轨的工作精度max<=[max]。第二节滑动摩擦导轨导轨的刚度（－静刚度）计算设机座为绝对刚体，则导轨的刚度主要取决于在载荷作用下，运动件和承导件的弯曲变形和它们工作面接触变形的大小。计算弯曲变形－将运动件及连成一体的工作台简化成梁。计算接触变形－经验公式估算。第二节滑动摩擦导轨提高导轨耐磨性的措施合理选择导轨的材料及热处理常用材料减小导轨面压强卸载导轨保证导轨良好润滑－油膜提高导轨精度－直线度、相对位置精度、粗糙度第二节滑动摩擦导轨导轨主要尺寸的确定运动件长度L＝(1.2～1.8)aorL2a承导件长度－取决于运动件长度及工作行程导轨宽度B＝F/([p]L)两导轨之间的距离a－工作稳定前提下尽可能减小三角形导轨的顶角（90）

第三节滚动摩擦导轨型式－运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等）特点摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象；定位精度高；磨损较小，寿命长，润滑方便；结构较为复杂，加工较困难，成本较高；对脏物及导轨面的误差比较敏感。第三节滚动摩擦导轨滚动导轨的类型及结构特点滚珠导轨

典型结构型式

其它结构型式滚柱导轨常见结构型式滚动轴承导轨应用示例第三节滚动摩擦导轨滚动导轨的预紧预紧增大刚度、减小磨损，结构复杂，成本增加采用过盈装配形成预加负载示例用移动导轨板的方法实现预紧示例第三节滚动摩擦导轨导轨主要参数的确定运动件的长度隔离架限动槽长度b和平椭圆长度B滚动体的大小和数量第三节滚动摩擦导轨滚动导轨的材料和热处理滚动体材料：滚动轴承钢（GCr15）导轨材料:低碳合金钢合金结构钢合金工具钢氮化钢铸铁第三节滚动摩擦导轨镶装式导轨结构导轨材料－钢机座材料－铸铁导轨截面形状a无凸台b有凸台c带V形槽