机床主要部件设计_导轨设计

第三节 导轨设计
导轨应满足的基本要求
2）精度保持性：导轨设计制造的关键，也是衡量机床优劣的 重要指标之一。影响精度保持性的主要因素是磨损，即导轨 的耐磨性。
刚度不足，影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向 精度，使导轨面上的比压分布不均，加剧导轨的磨损。
耐磨性——导向精度能否长期保持。导轨耐磨性与导轨材 料、导轨面的摩擦性质、导轨受力情况及两导轨相对运动速 度等有关。
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。
第三节 导轨设计
静压导轨按结构形式分开式和闭式。
图a ：通过精
图b：通过改变
图c：通过压板
磨或刮削压板厚 垫片层数和垫片厚度 和导轨间的平镶条调
度调整间隙。
调整间隙。
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 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
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。
a、b 构成 个自由度 个自由度
yx,，xy,z
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。
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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。
第三节 导轨设计
③ 双三角形导轨
第三节 导轨设计
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
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。
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。
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
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。
2.分类及应用 （1）按运动性质分为 ◆ 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。
◆ 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。
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（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
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。
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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。
第三节 导轨设计
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）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。
图c：间隙调整后，再拧紧紧固螺栓。平镶条调整方便。
第三节 导轨设计
① 平镶条调整间隙
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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。
图a：用螺钉推动镶条 纵向移动，结构简单，调 整方便。
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。
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。
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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。
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
• 滑动摩擦导轨截面的常用形式 凸形导轨 – 不易存屑、脏物、润滑油，低速使用。 凹形导轨 – 与上相反，高速导轨，需保护装置。
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。
四、静压导轨/动压导轨/卸荷导轨/滚动导轨
• 卸荷导轨的目的：可以减轻支承导轨的负荷，降低导轨的 静摩擦系数，从而提高
• 应用：要求精度高和接触刚度高的机床。 • 导轨的卸荷方式有液压卸荷、机械卸荷和气压卸荷，液压
和机械卸荷应用较多。 • 采用液压卸荷导轨的机床有立式车床、龙门刨床、外圆磨
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2）塑料涂层导轨 塑料涂层 应用较多的有环氧涂层、含氟涂层和HNT涂层。 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。 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。 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。
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。
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（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。
1） 粘贴塑料软带导轨 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。 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。 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。
第三节 导轨设计
• 导轨具有承载和导向功能，且多数导轨的摩擦状态为混合 摩擦
• 机床导轨的质量在一定程度上决定了——机床的加工精度； 工作能力和使用寿命。
第三节 导轨设计
导轨应满足的基本要求
1）导向精度 导向精度：直线运动导轨的直线度（直线性）或者 圆周运动导轨的圆度（真圆性）。 导轨同其它运动件之间相互位置的准确性影响因素： （1）导轨的几何精度 （2）结构形式 （3）导轨及其支承件的自身刚度 （4）油膜刚度 （5）热变形等
第三节 导轨设计
导轨副材料的选用原则： 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。
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
四、静压导轨/动压导轨/卸荷导轨/滚动导轨
• 动压导轨，是靠导轨之间的相对运动产生的压力油膜将运动 件浮起，把两个导轨面隔离，形成纯液体摩檫。
• 形成导轨面间压力油膜的条件是：两导轨面之间应有锲形间 隙和一定的相对速度，此外还需要有一定粘度的润滑油流进 锲形间隙。
第三节 导轨设计
床和平面磨床等。 • 采用机械卸荷导轨的机床有普通车床、立式车床、卧式镗
床、坐标镗床和仿形铣床等。
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四、静压导轨/动压导轨/卸荷导轨/滚动导轨
刚度合适的弹簧
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• 滚动导轨——疲劳磨损
第三节 导轨设计
三、滑动导轨的材料及选择
• 要求——耐磨性好、工艺性好、成本低。 • 常用材料——铸铁、钢、有色金属和塑料，其中铸铁应
用最为普遍 • 为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽
量采用不同的材料 • 如果选用相同的材料，也一定要采取不同的热处理方
式以使其具有不同的硬度。
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。
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。
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四、静压导轨/动压导轨/卸荷导轨/滚动导轨
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 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。
第四章 机床主要部件设计 本章讲授内容
第一节 主轴组件设计 第二节 支承件设计 第三节 导轨设计 第四节 滚珠丝杠螺母副机构简介
(guide rail, sliding guide)
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。
第三节 导轨设计
图b：用双螺钉调节，能 避免镶条窜动，性能较好。
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。
第三节 导轨设计
三、导轨的磨损及其材料的选择
• 滑动导轨磨损的基本形式——磨粒磨损和咬合磨损； –这两种磨损伴随发生，相互联系，相互影响。 –磨粒磨损往往是咬合磨损的起因，咬合磨损反过来又 会加剧磨粒磨损，只是有时其中一种磨损可能起主要 作用。
第三节 导轨设计
导轨应满足的基本要求
3）低速运动平稳性：保证在作低速运动或微量位移时不出 现不平稳现象。
影响：使加工表面粗糙度增大；定位运动时的不平稳， 将降低定位精度。
影响因素：导轨的结构和润滑；动、静摩擦系数的差值； 传动动导轨运动的传动系统的刚度等。
第三节 导轨设计
导轨应满足的基本要求
4）结构工艺性 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。
① 双矩形导轨
两个窄支承平面 一个定位面，限制 3 窄支承平面 c 限制 2
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。
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。
第三节 导轨设计
（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。
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
（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 是在开式导轨上增加辅助导轨而构成。 如图，压板和床身导轨下底面 a 组成的辅助导轨。
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。