导轨的选型及计算

导轨的选型及计算
按结构特点和摩擦特性划分的导轨类型见表6-1[5],各类导轨的主要特点及应用列于表中。

表6-1 导轨类型特点及应用
导轨类型
主要特点
应用
导轨类型 主要特点
应用 滑动导轨
1, 结构简单,使用维修方便。

2,未形成完全液体摩擦时低速易爬行 3,磨损大寿命低,运动精度不稳定
普通机床,冶金设备上应用普遍
滚动导轨 1,运动灵敏度高,低速运动平稳性好,定位精度高。

2,精度保持性好,
磨损少,寿命长。

3,刚性
和抗振性差,结构复杂成本高,要求良好的保护 广泛用于各类精密机床,数控机床,纺织机械等 塑料导轨
1,动导轨表面贴塑料软带等与铸铁 或钢导轨搭配,摩擦系数小,且动静摩擦系数搭配,不易爬行,抗摩擦性能好。

2,贴塑工艺简单。

3,刚度较低,耐热性差容易蠕变
主要应用与中大型机床压强不大的导轨应用日益广泛
动压导轨 1,速度高(90m/min~600m/min),形成液体摩擦2,阻尼大,抗阵性好 3,结构简
单,不需复杂供油系统,
使用维护方便4,油膜厚度随载荷与速度而变化。

影响加工精度,低速重载易出现导轨面接触
主要用语速度高,精度要求一般的机床主运动导轨 镶钢,镶金属导轨
1,在支撑导轨上镶装有一定硬度的不钢板或钢带,提高导轨耐磨性,改善摩擦或满足焊接床身结构需要。

2,在动导轨上镶有青铜只类的金属防止咬合磨损,提高耐磨性,运动平稳精度高
镶钢导轨工艺复杂,成本高。

常用于重型机床如立车,龙门铣床的导轨上
静压导轨
1,摩擦系数很小,驱动力小。

2,低速运动平稳性好 3,承载能力大,刚
性,吸阵性好4,需要一套液压装置,结构复杂,调整困难
各种大型,重型机床,精密机床,数控机床的工作台
6.1 初选导轨型号及估算导轨长度
X 方向初选导轨型号为494012GGB20BAL2P -⨯ [6]具体数据见《机械设计手册》9-149 Y 方向初选导轨型号为4109022GGB20AAL 1-⨯P
导轨的运动条件为常温，平稳，无冲击和震动 为何选用滚动直线导轨副：
1）滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。

有利
于提高数控系统的响应速度和灵敏度。

驱动功率小，只相当普通机械的十分之一。

2）承载能力大，刚度高。

3）能实现高速直线运动，起瞬时速度比滑动导轨提高10倍。

4）采用滚动直线导轨副可简化设计，制造和装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。

导轨的长度：
由于导轨长度影响工作台的工作精度和高度，一般可根据滑块导向部分的长度来确定导轨长度。

其公式为：
L=H+S+△l-S1-S2
由此公式估算出Lx=940mm,Ly=1090mm
其中L—导轨长度
H—滑块的导向面长度
S—滑块行程
△l—封闭高度调节量
S1—滑块到上死点时，滑块露出导轨部分的长度
S2—滑块到下死点时，滑块露出导轨部分的长度
6.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命
X方向的导轨计算
X方向初选导轨型号为4
940
12
GGB20BAL2P-
⨯，查表9.3-73[1]得，这种导轨的额定动，静载荷分别为Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。

4个滑块的载荷按表9.3-48序号1的载荷计算式计算。

其中工作台的最大重量为:
G=100×9.8=980N
F1=F2=F3=F4=1/4（G1+F）=250N
1)滚动导轨的额定寿命计算公式[6]为：
L=（f
h f
t
fc fa Ca/ fwPc）
ε
⨯K=27166km
式中 L——额定寿命（km）；
Ca——额定动载荷（KN）；
P——当量动载荷（KN）；
Fmax——受力最大滑块所受的载荷（KN）； Z——导轨上的滑块数；
ε——指数，当导轨体为滚珠时，ε=3；当为滚柱时ε=10/3；
K ——额定寿命单位（KM ），滚珠时，K=50KM ；滚柱时，K=100KM ； fh ——硬度系数；
fh ――（滚道实际硬度（HRC ））。

由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC ，故通常可取fh =1 ft ——温度系数，查表6-2[7],得t f =1
表6-2 温度系数
工作温度/C 0
100≤
100~150 150~200 200~250 t f
1
0．90
0．73
0．60
fc ——接触系数，查表6-3；得c f =1
表6-3 接触系数
每根导轨上的滑块数
1 2 3 4 5 c f
1．00
0．81
0．72
0．66
0．61
fa ——精度系数，查表6-4；取a f =1.5
表6-4 精度系数
工作条件
a f
无外部冲击或振动的低速运动的场合，速度小于15m/min 1~1.5 无明显冲击或振动的场合，速度为15~60m/min 1.5~2 有外部冲击或高速运动的场合，速度大于60m/min
2~3.5
fw ——载荷系数，查表6-5；得w f =1
表6-5 载荷系数
精度等级
2 3 4 5 w f
1．0
1．0
0．9
0．9
则L=27166Km
2)寿命时间的计算
当行程长度一定，以h 为单位的额定寿命为：
h n L L L a h 3.3059260
174.021027166602103
23=⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=
式中 h L ——寿命时间（h ） L ——额定寿命（km ） La ——行程长度（m ） 2n ——每分钟往返次数 则h L h 3.30592
工况为：每天开机6个小时，每年300个工作日，则预计寿命年限为：
L h =30592.3/300×6=16.9年 同理求出Y 方向滚动导轨副的距离额定寿命：
L=26340.1km L h =25230h=14年
6.3导轨材料与热处理
机床滑动导轨常用材料主要是灰铸铁和耐磨铸铁。

灰铸铁通常以HT200或HT300做固定导轨，以HT150或HT200做动导轨。

JB/T3997-1994标准对普通灰铸铁导轨的硬度要求如表6-6[10]所示
表6-6 灰铸铁导轨硬度要求
硬度要求(HBS)
硬度不均匀性(HBS) 导轨长度/mm 导轨铸件重
量/t 不低于 不高于 导轨长度/mm 硬度差不超
过 ≤2500 - 190 255 ≤2500 25 >2500 >3 180 241 >2500 35 >5 175 241 由几何件连接的导轨
45
>10
165
241
常用耐磨铸铁与普通铸铁耐磨性比较见表6-7[8]
表6-7 常用耐磨铸铁
耐磨铸铁名称 耐磨性高于普通铸铁倍数 磷铜钛耐磨铸铁 1.5～2 高磷耐磨铸铁 1 钒钛耐磨铸铁 1～2 稀土铸铁 1 铬钼耐磨铸铁
1
导轨热处理:一般重要的导轨，铸件粗加工后进行一次时效处理，高精度导轨铸件半精加工后还需进行第二次时效处理。

常用导轨淬火方法有:
1)中频淬火，淬硬层深度(1～2)mm 。

硬度(45～50)HRC 。

2)接触加热自冷表面淬火，淬硬深度(0.2～0.25)mm,显微硬度600HM 左右。

这种淬火方法主要用于大型铸件导轨。

6.4导轨的技术要求
6.4.1表面粗糙度
1)刮研导轨刮研导轨具有接触好、变形小、可以存油、外观美等特点,但劳动强度大、生产率低。

主要用于高精度导轨。

刮研导轨轨面每25mm×25mm面积内的接触点数不得少于表6-8[9]的规定。

表6-8 刮研导轨面25mm×25mm内接触点数
机床类别滑动导轨移置导轨镶条、压板
滑动面
每条导轨宽度／mm
≤250 ＞
250
≤
100
＞
100
Ⅲ级和Ⅲ级以上20 16 16 12 12
Ⅳ级16 12 12 10 10
Ⅴ级10 8 8 6 6
2)导轨生产率高,是加工淬硬导轨唯一方法，磨削导轨表面粗糙度应达到的要求,见表6-9[10]。

接触面要求见表6-10[10]。

表6-9 磨削导轨表面粗糙度Ra
机床类型
动导轨固定导轨
中小型大型重型中小型大型重型
Ⅲ级和Ⅲ级以上
0.2～
0.4(0.1～
0.2)
0.4～
0.8(0.2～
0.4)
0.8(0.4) 0.1～
0.2(0.05～
0.1)
0.2～
0.4(0.1～
0.2)
0.4(0.2)
Ⅳ级0.4(0.2) 1.6(0.8) 1.6(0.8) 0.2(0.1) 0.4(0.2) 0.8(0.4) Ⅴ级0.8(0.4) 1.6(0.8) 1.6(0.8) 0.4(0.2) 0.8(0.4) 1.6(0.8) 注:1.滑动速度大于0.5时,粗糙度应降低一级(括号内数值)。

2.淬硬导轨的表面粗糙度应降低一级(括号内数值)。

表6-10 磨削导轨表面的接触指标(%)
机床类型滑(滚)动导轨移置导轨
全长上全宽上全长上全宽上
Ⅲ级和Ⅲ级以上80 70 70 50
Ⅳ级75 60 65 45
Ⅴ级70 50 60 40 注:1.宽度接触达到要求后,方能作长度的评定。

2.镶条按相配导轨接触指标检验。

6.4.2几何精度
导轨的几何精度主要是指导轨的直线度和导轨间的平行度,垂直度等。

具体相关的几何精度参阅有关机械的精度标准。

本机构导轨精度取3级。

6.5导轨设计和使用注意事项
正确合理地设计和使用滚动直线导轨副,可以提高耐用度和精度保持性,减少维修和保养时间。

为此,应注意如下事项:
1)尽量避免力矩和偏心载荷的作用滚动直线导轨副样本中给出的额定动,静载荷,都是在各个滚珠受载均匀的理想状态下算出的。

因此,必须十分注意避免力矩载荷和偏心载荷。

否则,一部分滚珠承受的载荷,有可能超过计算Ca值时确定的许用接触应力,导致过早的疲劳破坏或产生压痕并出现振动,噪声,降低移动精度等现象。

2)提高刚度,减少振动适当预紧可以提高刚度,均化滚动体的受力从而提高寿命,并在一定程度上提高阻尼。

但是预紧力过大会增加导轨副的摩擦阻力,增加发热,降低使用寿命。

因此预紧力有其最佳值。

滚动支承的阻尼较小,因此要尽可能使它承受恒定的载荷。

有过大的振动和冲击载荷的场合不宜应用直线滚动导轨副。

为了减少振动,可以在移动的工作台上加装减振装置。

条件许可时可安装锁紧装置,加工时把不移动的工作台固定。

3)降低加速度的影响直线滚动导轨副的移动速度可以高达600m/min。

起动和停止时,将产生一个力矩,使部分滚动体受载过大,造成破坏。

因此,如果加速度较大,应采取以下措施:减轻被移动物体的质量,降低物体的重心,采取多级制动以降低加速度,在启动和制动时,增加阻尼装置等。

4）导轨防护
①固定保护：利用导轨中移动件俩端的延长物保护导轨。

②刮屑板：利用毛毡或耐油橡胶制成与导轨形状相吻合的刮条，使之刮走落在导轨上的灰尘，切屑等。

5)注意润滑和防尘滚动导轨通常采用钠基润滑脂润滑。

如果使用油润滑。

应尽可能采用高拈度的润滑油。

如果与其他机构同统一供油，则需附加滤油器。

在油进入导轨前再经一道精细的过滤。

为了防止异物浸入和润滑油泻出，产品出厂时滑块座两端均装有耐橡胶密封垫。