第三章-机床主要部件设计(3)新

2023年2月5日机械制造装备设计

第三章机床主要部件设计第三章机床主要部件设计

第三节导轨设计第四节滚珠丝杠螺母副机构

◆

移置导轨可调整部件之间的相对位置，在机床中没有相对运动。如：卧式车床的尾座导轨。第三节导轨设计

一、导轨的功用和分类

1.功用：承受载荷和导向。承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，引导运动部件沿一定的轨迹运动。

◆主运动导轨用于刨床、拉床、插齿机的主运动导轨。

◆进给运动导轨用于机床的进给系统中。（1）按运动性质分为2.分类及应用第三节导轨设计

（2）按摩擦性质分为滑动导轨、滚动导轨。

静压滑动导轨液体摩擦，导轨间有压力油膜层，靠液压系统提供压力油膜。用于高精度机床进给导轨。

动压滑动导轨液体摩擦，动压油膜的形成是利用滑移速度带动润滑油从大间隙处向狭窄处流动形成的。适用于主运动导轨。

普通滑动导轨混合摩擦，导轨间有一定动压效应，速度较低，导轨面处于接触状态。用于大多数普通机床。

滚动导轨导轨面之间装有滚动元件（钢球），靠钢球的滚动摩擦引导部件运动。广泛用于数控、精密和高精度机床。第三节导轨设计

（3）按结构形式分为开式导轨、闭式导轨。

开式导轨

是利用部件质量和载荷，使导轨副在全长上始终保持接触的导轨。

开式导轨不能承受较大颠覆力矩。用于大型机床的水平导轨。

闭式导轨能保持导轨副始终接触，故能承受较大的颠覆力矩。

如图，压板和床身导轨下底面a组成的辅助导轨。闭式导轨

是在开式导轨上增加辅助导轨而构成。第三节导轨设计

二、滑动导轨结构设计1.导轨的截面形状选择

要使动导轨严格按规定的轨迹运动，必须限制五个自由度。因导轨的摩擦面宽度较小，故导轨可视为窄定位板。

两个窄支承平面a、b构成一个定位面，限制3个自由度窄支承平面c限制2个自由度①双矩形导轨

导轨制造容易，刚度和承载能力大，安装调整方便。但侧导向需用镶条调整间隙补偿导轨面的磨损。广泛用于普通精度的中型车床、组合机床、升降台铣床、数控机床等。第三节导轨设计②

三角形和矩形导轨的组合

导轨的导向性好，制造方便、刚度高。广泛用于车床、磨床、龙门铣床、龙门刨、滚齿机、坐标镗床的床身导轨。

对于三角形导轨，减小其顶角α，导轨的导向性能提高，但承载能力下降。

一般机床取α=900，重型机床取α≥900，精密机床和滚齿机取α

<900。第三节导轨设计③双三角形导轨

这种导轨不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。但工艺性差，加工、检验和维修不方便，只能配加工。

多用于精密机床，如丝杠车床、导轨磨床、齿轮磨床等。

④燕尾形和矩形导轨的组合

这组导轨调整方便，承载力矩大。广泛用在机床的横梁、立柱、摇臂导轨中。第三节导轨设计第三节导轨设计⑤双燕尾形导轨

是一种不用辅助导轨副的闭式导轨。导轨高度小，可承受颠覆力矩。

燕尾导轨是过定位，必须用镶条调整摩擦面的间隙。由于结构原因，此导轨刚度差，加工、检验、维修不方便。

用于受力小，结构层数多，间隙调整方便处，如牛头刨床滑枕导轨、卧式车床的刀架导轨等。第三节导轨设计2.导轨间隙的调整

（1）辅助导轨间隙调整

采用压板调整辅助导轨面间隙，承受颠覆力矩。

图a：通过精磨或刮削压板厚度调整间隙。

图b：通过改变垫片层数和垫片厚度调整间隙。

图c：通过压板和导轨间的平镶条调节间隙。第三节导轨设计

（2）矩形导轨和燕尾导轨的间隙调整

图a、图b：平镶条较薄，全长只由几个螺钉调整间隙，镶条在几个点上受力，因此镶条易变形，刚度较低。

图c：间隙调整后，再拧紧紧固螺栓。平镶条调整方便。

采用镶条来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧面间隙。镶条应装在导轨受力较小的一侧，以提高刚度。①平镶条调整间隙第三节导轨设计②斜镶条调整间隙

调整方式：将动导轨的一面做成与镶条斜度相同，方向相反的斜面，通过斜面配合，纵向移动镶条来调整导轨横向间隙。

缺点：螺钉的凸肩和镶条沟槽间的间隙会引起镶条在运动中窜动。

图a：用螺钉推动镶条纵向移动，结构简单，调整方便。第三节导轨设计

图c：将螺钉凸肩变为带圆柱销的调整套，圆柱销与圆孔配作，通过配合精度控制镶条的窜动。调整方便，但纵向尺寸较长。

图b：用双螺钉调节，能避免镶条窜动，性能较好。

孕育铸铁广泛应用在卧式车床、转塔车床、升降台铣床及磨床等机床上。

三、滑动导轨的材料及选择

（1）铸铁导轨常用的有灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁等。1.滑动导轨的材料选择

1）对耐磨性能要求高、精加工为磨削、且与床身做成一体的导轨，广泛采用孕育铸铁HT300。

孕育铸铁是在铁水中加入少量孕育剂硅、锰、铝、稀土等，以获得均匀的珠光体和细片状石墨组织，而提高强度和硬度。并通过电接触淬火或高频淬火，进一步提高耐磨性。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

铬钼铜耐磨铸铁可用于制造中、小型精密机床、仪表机床的床身导轨。

2）耐磨铸铁是在灰铸铁中添加磷、铜、钛、钼、钒等细化晶粒的元素，其耐磨性比HT300提高1~2倍以上。

高磷耐磨铸铁可用于普通机床的床身、溜板、工作台及其导轨，且应用日趋广泛。

钒钛耐磨铸铁适用于制造各类中、小型机床的导轨，其机械性能好，优于高磷耐磨铸铁，溶铸工艺简单，耐磨性能比孕育铸铁HT300提高近2倍。

磷铜钛耐磨铸铁

铸件质量较高，适用于制造坐标镗床、螺纹磨床等精密机床的床身、立柱和工作台等导轨。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

（2）镶钢导轨是将淬硬的碳素钢或合金钢导轨，分段地镶装在铸铁和或钢制的床身上。以提高导轨的耐磨性。

镶钢导轨工艺复杂、加工较困难。主要用于数控机床和加工中心的导轨中。

在铸铁床身上，镶装钢导轨常用螺钉或楔块挤紧固定。

在钢制床身上，镶装钢导轨一般用焊接方法连接。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

适用于中小型精密机床和数控机床，特别是润滑不良（如立式导轨）或无法润滑的导轨。

（3）塑料导轨

是用粘结法或喷涂法覆盖在导轨面上。以提高耐磨性。

粘贴软带以聚四氟乙烯为基体，添加各种无机物和有机粉末等填料制成。

1）

粘贴塑料软带导轨

聚四氟乙烯软带导轨的特点是：①摩擦系数小，耗能低；②动静摩擦系数接近，低速运动平稳性好；③阻尼特性好，抗振性好；④耐磨性好，能自身润滑，使用寿命长；⑤结构简单，维修方便，磨损易更换，经济性好。⑥刚性较差，受力后产生变形，对高精度的机床有影响。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

塑料涂层都是以环氧树脂为基体，加入固体润滑剂和胶体石墨及其它铁粉填充剂混合而成。2）塑料涂层导轨

根据涂层材料的组织和性能不同，可分别适用于大、中、小型精密机床导轨和数控机床导轨。

涂塑导轨在西欧国家，普遍用于数控机床的制造中。

环氧树脂塑料涂层的特点：①有较高的耐磨性、硬度、强度和热导率；②在无润滑情况下，能防止爬行，改善导轨的运动特性，特别是低速运动平稳性较好。

塑料涂层应用较多的有环氧涂层、含氟涂层和HNT涂层。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施5）精密和高精度机床，导轨面需刮削，可采用耐磨铸铁导轨副，但动导轨的硬度比支承导轨的硬度低15~45HB。1）导轨副应采用不同的材料制造，以提高导轨副的耐磨性，防止粘结磨损。导轨副材料的选用原则：2）采用相同的材料，应采用不同的热处理，使其双方具有不同的硬度。3）滑动长导轨各处的使用机率不等，磨损不匀。因此，长导轨应采用耐磨性好、硬度较高的材料制造。4）普通机床的动导轨多采用聚四氟乙烯导轨软带，支承导轨采用淬硬的孕育铸铁。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施2．导轨面的精加工方法及其精度提高导轨的表面精度，增加真实的接触面积，能提高导轨的耐磨性。导轨表面一般要求≤0.8μm。精刨导轨时刨刀沿一个方向切削，使导轨表面疏松，易引起粘着磨损，所以导轨的精加工尽量不用精刨。磨削导轨能将导轨表层疏松组织磨去，提高耐磨性，可用于导轨淬火后的精加工。

第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

刮削导轨表面接触均匀，不易产生粘着磨损，不接触的表面可储存润滑油，提高耐磨性；但刮削工作量大。因此，长导轨面一般采用精磨；短导轨面和动导轨面可采用刮削。精密机床（如坐标镗床、导轨磨床）导轨副，导轨表面质量要求高，可在磨削后刮研。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施3．导轨的许用压强对导轨耐磨性的影响导轨的压强是影响导轨耐磨性的主要因素之一。导轨的许用压强选取过大，会导致导轨磨损加快；若选取过小，又会增加导轨尺寸。

动导轨材料为铸铁、支承导轨材料为铸铁或钢时，中型通用机床，主运动导轨和滑动速度较大的进给运动导轨，平均许用压强为0.4～0.5，最大许用压强为0.8～1.0；滑动速度较低的进给运动导轨，平均许用压强为1.2～1.5，最大许用压强为2.5～3.0。

第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

动导轨粘贴聚四氟乙烯软带和导轨板时，如滑移速度，则许用压强与滑移速度的乘积为≤；如滑移速度≥，则许用压强为。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

导轨运动精度要求高的机床和承载能力大的重型机床，为减少导轨面的接触压强，减小静摩擦因数，提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，可采用卸荷导轨。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施4．导轨的润滑对耐磨性的影响从摩擦性质来看，普通滑动导轨处于具有一定动压效应的混合摩擦状态。混合摩擦的动压效应不足以把导轨摩擦面隔开。提高动压效应，改善摩擦状态，可提高导轨的耐磨性。导轨的动压效应主要与导轨的滑移速度、润滑油粘度、导轨面上油槽的形式和尺寸有关。导轨副相对滑移速度越高，润滑油的粘度越大，动压效应越显著。

第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

润滑油的粘度可根据导轨的工作条件和润滑方式选择，如低载荷（压强p≤0.1）的速度较高的中小型机床进给导轨可采用N32全损耗系统用油；

中等载荷（压强p＞0.1～0.4）的速度较低的机床导轨(大多数机床属于此类)和垂直导轨可采用N46号全损耗系统用油；

重型机床（压强p＞0.4）的低速导轨可采用N68、N100号全损耗系统用油。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

导轨面上的油槽尺寸、油槽形式对动压效应的影响，在于储存润滑油的多少，储存润滑油越多，动压效应越大；导轨面的长度与宽度之比（L/B）越大，越不容易储存润滑油。因此，在动导轨上加工横向油槽，相当于减少导轨的长宽比，提高了储存润滑油能力，从而提高了动压效应。第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

普通滑动导轨横向油槽数与导轨长宽比的关系≤10＞10~20＞20~30＞30~401～42～64～108～13第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施普通滑动导轨润滑油槽的尺寸

(单位：mm)BabcR>20～401.534～60.5>40～601.536～80.5>60～80368～101.5>80～1003610～121.5>100～15051014～182>150～20051020～252>200～30051430～502第三节导轨设计-提高导轨耐磨性措施

静压导轨是依靠液压系统产生的压力油，形成承载油膜的导轨

四、静压导轨

静压导轨的优点：

①摩擦系数小，机械效率高；②导轨面被油膜隔开，不产生粘结磨损，导轨精度保持好；③导轨的油膜较厚，有均化表面误差的作用；④油膜的阻尼比大，导轨的抗振性能良好；⑤导轨低速运动平稳，防爬行性能良好。

静压导轨结构复杂，需要一套完整的液压系统。

工作原理能够将具有一定压强的润滑油，经节流器通入动导轨的纵向油槽中，形成承载油膜，使导轨副的摩擦面隔开，实现液体摩擦。第三节导轨设计

应用：

静压导轨适用于具有液压传动系统的精密机床和高精度机床的水平进给运动导轨。

导轨面的油腔形成一个个独立的液压支承点，在液压的作用下，动导轨及其运动部件便浮动起来，形成液体摩擦。

如图：常用的闭式静压导轨，液压泵产生的压力油，经可变节流器节流后，通入导轨面油腔A和辅助导轨面油腔B第三节导轨设计

与滑动导轨相比，滚动导轨其特点如下：

优点：是摩擦因数小，动、静摩擦因数很接近。

缺点:

抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高。(1)滚动导轨的类型按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针

五、滚动导轨第三节导轨设计(1)滚动导轨的类型

按循环方式分类：循环式和非循环式

五、滚动导轨第三节导轨设计(2)直线滚动导轨及其工作原理直线滚动导轨又称单元直线滚动导轨。它除导向外还能承受颠覆力矩，其制造精度高，可高速运行，并能长时间保持精度，通过预加负载可提高刚性，具有自调的能力，安装基面允许误差大。

五、滚动导轨第三节导轨设计(1)直线滚动导轨及其工作原理三、导轨的结构类型和特点第八节导轨设计4、滚动导轨

导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷到非工作负荷区，然后再滚动回到工作负载区，不断循环，从而把滚动体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均有塑料密封垫。滑块上还有润滑油注油杯，只要定期将锂基润滑脂放入润滑油注油杯即可实现润滑。

1）爬行是进给传动机构的一种低速运动的不均匀现象，即在传动件以很低的速度匀速转动时，工件台出现速度不均匀的跳跃式运动，或出现间歇式运动，速度时快时慢，时走时停。五、低速运动平稳性1.爬行现象及产生原因第三节导轨设计

①运动不均匀的低速爬行，影响机床的加工精度、定位精度，使工件表面精度降低。

②爬行严重时会导致机床不能正常工作。特别是在精密机床、数控机床及大型机床中，爬行危害极大。2）爬行现象的危害

通常，爬行的临界速度是评价机床性能的一个重要指标。

爬行是一种摩擦自激振动。主要原因是摩擦面上的动摩擦系数小于静摩擦系数，且由于摩擦阻尼，动摩擦系数随滑移速度的增加而减小，以及传动系统的弹性变形。3）爬行的产生原因第三节导轨设计

2）提高传动系统的刚性（适当加大丝杠直径以提高拉压刚度，轴承适度预紧。缩短传动链，合理分配传动比。防止液压传动进给机构的气穴、冲击现象）。2.消除爬行的措施

降低爬行临界速度的措施有：1）减少静动摩擦系数之差，改变动摩擦系数随速度变化的特性（滚动摩擦代替滑动摩擦，液体摩擦代替滑动摩擦，减摩材料，专用导轨油）。3）尽量减少动导轨及工作台的质量。第三节结束第三节导轨设计2.工作原理第四节滚珠丝杠螺母副机构

一、滚珠丝杠副的工作原理及特点1.结构

滚珠丝杠副是将丝杠和螺母都加工成凹半圆弧形螺纹，且圆弧半径略大于钢珠半径。在螺纹副间放入钢珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动的传动机构。它由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。当丝杠、螺母相对转动时，钢珠沿螺旋滚道滚动，使螺纹摩擦为滚动摩擦。滚珠通过螺母两端的回程导引装置，自动返回入口而循环流动。从而实现高精度、高效率的传动。

轴承钢，淬硬磨削第四节滚动丝杠螺母副机构3.特点及应用

◆

传动效率高达85%~98%，是普通滑动丝杠副的2~4倍，摩擦损失小，功率消耗小。

◆

适当预紧，能消除反向螺纹间隙，定位精度、刚度高。

◆运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

◆

摩擦角小于10，不能自锁。如果驱动升降运动，必须增加制动装置。

滚珠丝杠螺母副常用于数控机床行程不太长的进给系统中，以提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。第四节滚动丝杠螺母副机构1.滚珠循环方式

如图，丝杠螺母之外置有插管式回珠器5，螺母之内装有挡珠器。

（1）外循环滚珠丝杠副

二、滚珠循环方式及轴向间隙调整

钢珠每一个循环称为一列，每一列内每个导程称为一圈，外循环每列有1.5圈、2.5圈、3.5圈，剩下的半圈用作回珠。

丝杠匀速转动时，挡珠器能迫使滚珠转几圈后，经回珠器返回入口，完成一个滚动循环，同时准备开始新的循环。

内循环滚珠丝杠副的螺母内孔中，装有接通相邻滚道的返向回珠器，迫使滚珠翻越螺纹的牙顶进入相邻滚道。内循环滚珠丝杠的每一个循环（每列）只有一圈，一个螺母有3列、4列、5列等几种。第四节滚动丝杠螺母副机构

（2）内循环滚珠丝杠副

如图，丝杠匀速运动时，丝杠副中的钢珠从A点走向B点、C点和D点，然后经反向回珠器4从内螺纹的顶上回到A点。螺纹每一圈形成一个钢珠的循环闭路。第四节滚动丝杠螺母副机构2.轴向间隙的调整和施加预紧力的方法

为什么滚珠丝杠轴向间隙要能够调整？怎样调整？

滚珠丝杠副的轴向间隙会造成：

①

滚珠丝杠启动、停止以及受冲击载荷时运动不平稳；

②

反向时存在空行程，影响传动精度和定位精度。

调整方法:

采用双螺母装置消除轴向间隙。

第四节滚动丝杠螺母副机构

（1）垫片调隙式

用螺钉连接两个螺母的凸缘，在凸缘间加垫片。

特点：结构简单、可靠性好、刚度高，装卸方便。

不足点：调整复杂。

调整方式：调整垫片厚度使螺母产生轴向位移，来消除间隙和产生预拉紧力。第四节滚动丝杠螺母副机构

（2）螺纹间隙式

特点：结构紧凑、调整方便；应用较广泛。

不足点：双螺母调整间隙欠精确。