机械设计基础第16章_直线运动导轨

对于滚动导轨的刚度计算，本质上是计算接触变形。由 于导轨运动件一般刚性较大、变形较小，因此在导轨设计 时应主要考虑滚珠与承导面接触面积较小所导致的较大的 接触变形，而这种变形严重的影响导轨运动的直线性。具 体有关滚动导轨的强度与刚度计算见“机床设计手册”。
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16.3.4 滚动导轨的材料和热处理
对滚动导轨材料的主要要求是硬度高、性能稳定以及良好 的加工性能。
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。
常见的类型：滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨。
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16.3.2 滚动导轨的预紧
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减小导轨运动件爬行的方法： (1)减小动、静摩擦系数之差； (2) 减小运动件的质量； (3) 提髙传动系统的刚度。 5.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。 温度影响验算
保证导轨在工作时不卡住
min>=0
保证导轨的工作精度
max<=[max]
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16.3 滚动摩擦导轨 16.3.1 滚动导轨的类型及结构特点
4. 氮化钢 如铬钼铝钢（38CrMoAlA）或铬铝钢（38CrAl）， 经调质或正火后，表面氮化，可得很高的表面硬度（850HV）， 但硬化层很薄（0.5mm以下），加工时应注意。
5. 铸铁 例如某些仪器中采用铬钼铜合金铸铁，硬度可达
230~240HBS，加工方便，滚动体用滚柱，一般可满足使用要
求。
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3.滚动体的大小和数量
承载能力与滚动体的数量z和滚动体直径d2成正比。
提髙接触刚度，增大直径比增加数目更为有利。另外，滚 动体的直径越大，滚动摩擦系数越小，滚动导轨的摩擦阻 力也越小。―般规定最小直径为6〜8 mm。
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4．滚动导轨的强度与刚度
滚动导轨的强度计算主要是滚动体与导轨面间受力 后的接触强度，核算每个滚动体所承受的最大压力Fmax 是否超过导轨材料接触强度所允许的最大压力Fa，即： Fmax＜Fa。
迹与理想轨迹的相似程度 。 2.基本要求 运动轻便、平稳、低速时无爬行现象 耐磨性好 、 精度保持性 对温度变化的不敏感性 足够的刚度 结构工艺好
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16.2 滑动摩擦导轨
特点：运动件与承导件直接接触。 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。 16.2.1 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（单根导轨有俩自由度，需防止转动）。 导轨的配合（导向精度要求不高，可选用H8/f7或H8/g7 ）。 导轨的表面粗糙度（通常导轨的精度等级决定表面粗糙度 ）。
返 回35
双三角形导轨 导向精度高、承载能力大、精度保持性好；对温度变化较敏感。
返回 36
三角形——平面导轨 导向精度高，承载能力大，对温度变化的不敏感，工艺
性好；磨损后不能自动调整间隙。
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矩形导轨 承载能力和刚度较大，结构简单。
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燕尾导轨 结构紧凑、调整间隙方便。形状复杂、摩擦力大， 运动灵活性差。
第十六章 直线运动导轨 16.1直线运动导轨的作用、原理、分类与基本要求
1.作用：按给定的方向和要求作往复直线运动 。 2.组成：导轨是由运动件和承导件这两部分组成。 3.原理：由承导件限制运动件（刚体）的五个自由度，仅
保留一个方向移动自由度形成如图16-1b、c、d所示。
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16.1.1 直线运动导轨的分类
1. 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
2. 按结构特点分 力封式导轨 借助外力保证运动件和承导件导轨面间的接 触。 自封式导轨 依靠导轨本身的几何形状保证运动件和承导件 导轨面间的接触。可以承受倾覆力矩。
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16.1.2 直线运动导轨的基本要求和精度
1.导向精度 导轨面几何精度：直线度、平行度、接触精度 导向精度：运动件按规定的运动方向作直线运动 ，其轨
返 回
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弹性摩擦导轨
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滚珠导轨
典型结构型式自封式
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典型结构型式 力封式
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滚珠导轨组件 特点：滚珠循环导轨
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滚柱导轨
交叉滚柱V－平导轨 图a
V－平滚柱导轨
图b
返回 46
滚动轴承导轨 万能工具显微镜纵向导轨
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常用材料
铸铁 HT200、HT300 、高磷铸铁等 表面淬火、镀铬、涂钼等
钢 碳素钢(40、T8A)、合金钢(20Cr、40Cr) 渗碳、高频淬火等；镶装导轨
有色金属 黄铜、锡青铜、超硬铝、铸铝
工程塑料 聚四氟乙烯、聚酰胺等 涂层、软带、复合导轨板
导轨热处理后，需时效。
不同材料匹配使用 铸铁——淬火钢、 铸铁——塑料、钢——青铜等
滚动体的材料一般采用滚动轴承钢（GCr15），淬火硬度60 ~ 66HRC。
常用的导轨材料有：
1. 低碳合金钢 如20Cr，经渗碳（深度1~1.5mm）淬火，渗 碳层硬度可达60~63HRC。
2. 合金结构钢 如40Cr，淬火后低温回火，硬度可达 45~50HRC。加工性能良好，但硬度较低。
3. 合金工具钢 如铬钨锰钢（CrWMn）、铬锰钢 （CrMn）， 淬火后低温回火，硬度可达60～64HRC。这种材料的性能稳定， 可以制造变形小、耐磨性高的导轨。
液体静压导轨 分类：开式静压导轨 闭式静压导轨 优点：摩擦系数小、无磨损、承载能力大、导轨温升 小、抗振性好。 气体静压导轨 开式、闭式、负压吸浮式气垫导轨
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开式静压导轨 结构简单，但承受倾覆
力矩的能力较差。
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闭式静压导轨
返回 29
负 压 吸 浮 式 气 垫 的 工 作 原 理
返回
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动元件的位置）
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16.5 其它类型的导轨简介 16.5.1 弹性摩擦导轨
优点 摩擦力极小； 没有磨损，不需润滑； 运动灵便性高； 当运动件位移足够小时，精度很高，可达极高分辨率。
缺点 只能作很小的移动。
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16.5.2 静压导轨
导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，保 证液体或气体摩擦。
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有防转结构的圆柱面导轨
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16.2.2 棱柱面导轨
棱柱面导轨其承导面为几个平面组成的棱柱面，主要 的基本形式有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨。
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16.2.3 滑动导轨间隙调整
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16.2.4 滑动导轨设计应注意的几个重要问题
1．导轨的几何参数
导轨的长宽比L/b愈大，导轨的导向精度愈高。三角形
过盈预紧
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移动预紧
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16.3.3 导轨主要参数的确定
1.运动件的长在满足导轨最大位移Smax的前提下，应尽可能
减小运动件的长度L。
运动件长度计算简图
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2. 隔离架限动槽长度b和平椭圆长度B 隔离架的速度与左边
滚道滚珠中心的移动速度 相同，为运动件移动速度 之半。当运动件移动Smax 时，隔离架只移动Smax/ 2。
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16.4 滑动导轨与滚动导轨设计应注意的几个问题 16.4.1 导轨主要尺寸的确定
1．导轨宽度B 导轨宽度与导轨的承载能力有关
B= w PL
式中： W——已知载荷 L ——为导轨长度 P ——合理的压强
2. V形导轨角度 V形导轨角度以采用90。。小于90 。角可以提髙导向性，
但磨损会使精度急剧降低。 过小还会使工作台移动时有楔紧作用，增大摩擦阻力。 大于90。角，能减少压强，但导向较差。
导轨的顶角α 愈小，则导向性愈好。 2．导轨的刚度
3．耐磨性 合理选择导轨的材料及热处理提高导轨的耐磨性 减小导轨面压强提高导轨的耐磨性
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保证导轨良好的润滑提高导轨的耐磨性 提高导轨的精度提高导轨的耐磨性 精密车床的床身导轨在垂直面内的直线度误差只允许上 凸 适当减小导轨工作面的粗糙度，可提高耐磨性 4．运动平稳性 导轨运动的不平稳性主要表现是运动件低速运动时速度 不均匀，运动不灵活，运动件出现时快时慢、时动时停的 爬行现象。爬行现象不仅影响工作台稳定移动，同时也影 响工作台的定位精度，最终影响整个仪器的精度。滑动和 滚动导轨在低速微位移的条件下，均有爬行现象，滑动导 轨更是明显。
气体静压导轨 两坐标负压吸浮式气垫导轨
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导向精度 导轨间的平行度
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导向精度 导轨在垂直平面和水平面内的直线度
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接触精度 精密仪器的滑（滚）动导轨，在全长上的接触应达到80%，
在全宽上达70%。刮研导轨表面，每25×25mm2的面积内， 接触点数不少于20点。一般对导轨接触精度检查是采用着 色法。 精密仪器动导轨的表面粗糙度Ra＝1.6~0.8µm，支承导轨 的Ra＝0.80~0.20µm。对于淬硬导轨的表面粗糙度，应比 上述Ra的值提高一级。滚动导轨的表面粗糙度应小于Ra ＝0.20µm。
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3. 二条导轨的间距LA
导轨间距，应在保证运动件工作稳定的前提下，尽可能取小值。