数控机床导轨的设计

数控机床导轨的设计

作者：王佳蕊张琳琳

来源：《科学与财富》2015年第36期

摘要：导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。其功用是支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动，它承受其支承的运动部件和工件（或刀具）的质量和切削力。

关键词：数控机床；导轨；设计

引言

按机床的运动性质，大多数机床都是进给运动导轨，其导轨副之间的相对运动速度较低，本机床进给运动为刀架的上下运动、刀架在横梁的左右运动以及整个横梁的上下升降运动，采用的是矩形导轨，使用镶条来调整各部件间的间隙。

静压导轨是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，将导轨副的摩擦面隔开，实现液体摩擦，这种靠液压系统产生的压力油形成承载油膜的导轨称为静压导轨。静压导轨的优点是：摩擦系数为0.005～0.001，机械效率高；由于有油膜作用，不会产生粘着磨损，导轨精度保持性好；油膜有均化表面误差的作用，相当于提高了制造精度；油膜的阻尼比大，一般为0.04～0.06，因此静压导轨抗震性能较好；静压导轨低速运行平稳，防爬行性能良好。但是静压导轨结构复杂，需要一套完整的液压系统，维修也相当困难。因此，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。本文设计机床导轨为立式车床的立柱导轨，主要承载横梁的升降，采用滑动导轨能够满足精度传动要求。

1.滑动导轨的截面形状

导轨的主要功能是导向，动导轨必须按照导向轨迹进行运动，因此必须限定除沿静导轨面移动的另外五个自由度。支承导轨制造或安装在立柱、横梁等支承件上，接触导轨面的宽度远小于其导轨的长度，根据定位原理，可以视导轨为窄定位板，只能限制沿y轴移动和绕x轴转动的两个自由度；可以利用两窄板（a和b）定位方法，在一个坐标面中形成一个定位平面，可以限制沿y轴的移动和绕X轴、Z轴转动的三个自由度；要准确导向，还需要限制沿X轴的移动和绕y轴的转动，因此，需增加另一坐标面上的窄支承平面c。从而形成最基本的双矩形导轨。该矩形导轨结构简单，容易制造，刚度和承载能力大，安装调整方便。但是其缺点是导轨面易磨损且不能够自动补偿，且需要增加间隙调整机构。这种导轨广泛用于普通精度机床和中型机床中，如数控机床。为使C面定位可靠，保证导向精度，应用镶条调整c面与动导轨结合面之间的间隙。导轨面模型如图1.1所示。

图1.1横梁矩形导轨面

2.导轨间隙的调整

辅助导轨副间的间隙调整一般是用精磨压板来调整导轨副间的间隙。而调整矩形导轨问的间隙常用斜镶条和平镶条来调整。虽然平镶条制造较斜镶条较为容易，但是，当其与导轨面配合时就会出现累积的间隙误差，调整较为麻烦，现已不常用。而斜镶条斜面与动导轨配合斜面在长度方向上斜度相等，倾斜方向相反，这样可以纵向移动镶条调整导轨横向间隙。镶条应保证有适当的长度余量，以保证镶条斜面与动导轨面有足够的接触面，从而有利于传动平稳；镶条平面与支承导轨面、镶条斜面与动导轨斜面配拉削后，截去长度余量，固定在动导轨上，如图2.1所示。我们采用图示调整方式通过配合精度可以避免镶条在运动时的窜动。

图2.1斜镶条的间隙调整

3.提高滑动导轨耐磨性措施

铸铁是一种成本低，有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的材料，因此常用于机床的大件的铸造。一般铸造出的导轨其耐磨性较低，容易粘着磨损，

导轨寿命较低，所以常在浇注导轨时加入少量的如硅、锰等的孕育剂，在灰铸铁中加入磷、铜等细化晶粒的元素，浇注完成后对其表面进行高频淬火等措施，都可以提高导轨的耐磨性。同时，我们注意到，导轨副应采用不同的材料制造，或者相同的材料不同的热处理方法，这样可以提高导轨副的耐磨性，防止粘着磨损。本机床立柱导轨，主要承受横梁的重力，切削力基本被其抵消，因此机床导轨有向外被拉的趋势是主要使机床损坏的原因。由于本次设计的机床精度较高，导轨副传动需要有较高的传动要求，采用耐磨铸铁导轨副，导轨面需进行刮研处理，还需要保证动导轨面的硬度要比其支承导轨面的硬度低20～40HBW，镶条需要贴导轨软带，主要是导轨软带具有良好的摩擦特性，又具有青铜和钢的刚性和导热性，应用也日趋广泛。

提高导轨导轨耐磨性还要有精度保证，长导轨副我们采用精磨，短导轨副采用刮削方式，这样可以保证导轨面的耐磨性。同时动导轨的滑移速度较低，我们选用导轨面的压强小于

0.2MPa.m/min，此种压强下可以降低导轨面的磨损速度。

此外，良好的润滑环境是导轨副长期工作的保障，为了提高动压效应，改善摩擦状态，需在导轨面开横向油槽，这样可以储存更多的润滑油，提高了动压效应。又由于是垂直导轨，我们采用N46号全损耗系统供油。

4刀架丝杠的特性

滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。滚珠丝杠副是将丝杠螺母皆加工成凹半圆弧形螺纹，在螺纹之间放入滚珠形成的。当丝杠、螺母相对转动时，滚珠沿螺旋滚道滚动，螺纹摩擦为滚动摩擦，从而提高了传动精度和传动机械效率。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能自动返回其入口循环流动。滚珠丝杠副的特性：滚珠丝杠传动系统的传动效率高，是普通滑动丝杠系统的2-4倍，功率消耗也只有滑动丝杠螺母副的0.25-0.35，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，由于具有运动可逆性，亦可由直线运动转为旋转运动；滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作时灵敏度高、启动时无颤动、摩擦阻力也较小，当传动系统其余部件的刚度足够，微量进给运动几乎可以达到同步效果；滚珠丝杠传动是点接触，系统运动中产生较小温度，轴向拉伸可以消除间隙，对丝杠进行预拉伸可以大大消除热伸长，因此可以基本消除重复定位精度导致的误差；钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，滚珠在传动槽中做循环运动，相对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性；由于滚珠丝杠副具有很好的同步效果，使用几套相同的丝杠副就可以同时传动几个相同的部件或装置，实现传动系统的同步工作。

刀架在低速进给过程中会受到摩擦阻力的作用出现不均匀的跳跃现象，速度时快时慢，特别在刀架左右点动的过程中出现也会出现这种现象，我们称之为爬行现象。造成这种情况的大多原因是由于系统中各零部件的刚度不够而造成的弹性变形，或者导轨面的润滑不充分等原因造成的。这种现象会影响机床的加工精度，定位精度，爬行严重时会造成机床不能正常工作。因此，我们需分析并确定减少危害机床爬行现象的措施。出现爬行现象的主要原因是横梁导轨面上的动摩擦因素小于其静摩擦因素，且动摩擦因素随滑移速度的增加而减小以及传动系统的弹性变形。

结论

导轨作为机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。本文从介绍了导轨的类型、横截面积形式。阐述了导轨间隙的调整方法和提高滑动导轨耐磨性措施。并在文章最后介绍了与导轨向关联的刀架及其刀架丝杠的特征，对导轨的设计具有一定的意义。

参考文献

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[2]朱南峰.五轴数控加工中心在木制品与家具生产中的应用.见：朱南峰等.2007全国木材加工技术与装备发展研讨会论文集.南京，2007