导轨设计简介

导轨设计

1.1导轨的功用、分类和基本要求

1.1.1导轨的功用和分类

导轨的功用是支承并引导运动部件，使之沿着一定的轨迹准确运动。在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，固定不动的叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。

导轨可按下列性质进行分类：

（1）运动性质

1）主运动导轨动导轨作主运动，与支承导轨间相对运动的速度较高。

2）进给运动导轨动导轨作进给运动，与支承导轨间的相对运动速度较低。机床中大多数导轨属于进给运动导轨。

3)移置导轨这种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。

(2)摩擦性质

1）滑动导轨两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦，按其摩擦状态又可分为：

液体静压导轨两导轨面间具有一层静压油膜，相当于静压滑动轴承，摩擦性质属于纯液体摩擦，主运动和进给运动导轨都能应用，但用于进给运动导轨较多。

液体动压导轨当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体动压效应使导轨油囊处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液

体摩擦，相当于动压滑动轴承，这种导轨只能用于高速场合，故仅用作主运动导轨。

混合摩擦导轨在导轨面间虽有一定的动压效应或静压效应，但由于速度还不够高，油楔所形成的压力油还不足以隔开导轨面，导轨面仍处于直接接触状态，大多数导轨属于这一类。

边界摩擦导轨在滑动速度很低时，导轨面间不足以产生动压效应。

2)滚动导轨在两导轨副接触面间装有球、滚子和滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性能，广泛地应用于进给运动和旋转运动的导轨。

(3)受力情况

1）开式导轨若导轨所承受的颠覆力矩不大，在部件自重和外载作用下，导轨面a和b在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如图4. la所示。

2)闭式导轨部件上所受的颠覆力矩M较大时，就必须增加压板以形成辅助导轨面e，才能使主导轨面c和d都良好地接触，称为闭式导轨，如图4.1b所示。

1.1.2导轨的基本要求

1．较高的导向精度

导向精度是指动导轨运动轨迹的准确性。它是保证导轨工作质量的前提，继而也保证了运动部件的运动准确性。

导轨在空载运动和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。影响导向精度的主要因素是导轨的结构型式、导轨的几何精度和接触

精度、导轨和基础部件的刚度、导轨的油膜厚度和刚度、导轨和基础部件的热变形等。

2．良好的耐磨性

导向精度的持久性主要是由导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、工艺方法及受力情况等有关。另外，导轨和基础部件上的残余应力，也会使导轨发生蠕变而影响导轨精度的保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损，提高耐磨性以保证导向精度的持久性。

3．足够的刚度

足够的刚度可以保证在额定载荷作用下，导轨的变形在允许范围内。受载后，导轨的变形是绝对的，它会影响导向精度和部件的相对位置。因此，要求导轨应有足够的刚度。

4.良好的低速运动平稳性

当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑、动静摩擦因数的差值以及传动导轨运动的传动系统的刚度等有关。

5．结构简单、工艺性好

设计时要使导轨的制造和维护方便，刮研量小。如果是镶装导轨，则应尽量做到更换容易。

1.2滑动导轨

1.2.1导轨的材料

1．对导轨材料的要求

导轨的材料有铸铁、钢、非铁金属和塑料等。对其主要要求是耐磨性好、工艺性好和成本低。对于塑料镶装导轨的材料，还应保证：在温度升高（主运动导轨120-150℃，进给导轨60℃）和空气湿度增大时的尺寸稳定性；在静载压力达到5 MPa时，不发生蠕变；塑料的线膨胀系数应与铁接近。

2.常用导轨的材料

1)铸铁铸铁成本低，有良好的减振性和耐磨性。

2)钢采用淬火钢和氮化钢的镶装钢导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。但镶钢导轨工艺复杂，加工较困难，成本也较高。

3)非铁金属用于镶装导轨的非铁金属板的材料主要有锡青铜和锌合金。

4)塑料镶装塑料导轨具有摩擦因数小、耐磨性好、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性能和化学稳定性好、工艺简单、成本低等特点，因而在各类设备的动导轨上都有应用。

3．导轨副材料的选用

在导轨副中，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材料。如果采用相同材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。一般说来动导轨的硬度比支承导轨的硬度约低15-45 HBS为宜。

在直线运动导轨中，长导轨用较耐磨的或硬度较高的材料制造。这是因为：

1)长导轨各处使用机会难以均等，磨损不均匀，对加工的精度影

响较大。因此，长导轨的耐磨性应高一些。

2)长导轨面不容易刮研，选用耐磨材料制造可减少维修的劳动量。

3)不能完全防护的导轨都是长导轨。它露在外面，容易被刮伤。

在回转运动导轨副中，应将较软的材料用于动导轨。这是因为花盘或圆工作台导轨比底座加工方便些，磨损后修理也比较方便。

导轨材料的搭配有如下几种：铸铁一铸铁、铸铁一淬火铸铁、铸铁一淬火钢、非铁金属一铸-铁、塑料一铸铁、淬火钢一淬火钢等，前者为动导轨，后者为支承导轨。除铸铁导轨外，其他导轨均为镶装的。

1.2.2导轨的结构

1．直线运动导轨

直线运动导轨截面的基本形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形四种形式，如图4.2所示。

三角形导轨的导向性随顶角a的大小而不同，a越小导向性越好。但是当a减小时，导轨面的当量摩擦因数会加大。通常取三角形导轨的顶角a为90°。

矩形导轨具有刚度高，加工、检验和维修都较方便的优点。但矩形导轨由于存在侧面间隙，因此导向性差。矩形导轨适用于载荷较大，而导向性要求略低的设备。

燕尾形导轨的优点是高度较小，间隙调整方便，可以承受颠覆力矩，而缺点是刚度较差，加工、检验和维修不方便。β通常取55°。这种导轨适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的场合。