第十二章 机床导轨的设计

导轨所受的最大、 最小和平均压强 分别为：


由上式可看出： 当 6M/FL=0，即 M=0 时， P=P max=P min=P av 压强按矩形分布

当 0＜6M/FL＜1，即 M/FL＜1/6 时 P min＞0, P max＜2Pav 压强按梯形分布



支承的额定静载荷 C0 应不小于工作载荷 的2倍

3、精度和预紧 直线滚动支承的精度分为 1、2、3、4、5、 6 级，数控机床采用 1 或 2 级 不同精度和规格的导轨支承，对安装基面 的形位公差要求不同，设计时应查样本手 册 预紧：在负间隙中有轻预紧和中预紧两种 轻预紧用于精度要求较高但载荷较轻的场 合



中预紧用于对精度和刚度均要求较高具有 冲击振动和进行重切削的场合

滚动导轨：滚珠导轨 滚柱导轨 滚针导轨


⑵按受力状况分 开式导轨 闭式导轨





二、导轨应满足的要求 1、导向精度 ⑴几何精度 直线度 水平平面 竖直平面 平行度 ⑵接触精度 按 JB2278规定 25x25 mm2 接触点数 磨削和刮研 2、刚度高、承载能力大 包括自身刚度和接触刚度


1、塑料软带 主要是氟塑料导轨软带，粘接在动导轨上 组成：以聚四氟乙烯为基体，添加一定比 例的耐磨材料 优点：摩擦系数低，约为铸铁—铸铁的1/3 动、静摩擦系数相近，防爬性能好 耐磨性可提高 1～2倍 可自润滑 磨损可更换，磨粒可嵌入塑料 局部压强很大的导轨不宜采用





第四节

滑动导轨的验算

滑动导轨应验算导轨的压强和压强的分布 压强——耐磨性 压强分布——磨损的均匀性和是否采用压 板 步骤：1、受力分析 2、计算压强 一、受力分析 以数控车床刀架纵导轨为例 P247






导轨所受外力：重力、切削力、牵引力等 F c—切削力 F f—进给力 F p—背向力 FQ—牵引力 W—重力 通过静力方程求解 分别对 X、Y、Z 坐标取矩得：



二、圆周运动导轨 回转运动导轨的截面形状有三种： 平面环形、锥面环形和双锥面环形导轨。 （1）平面环形导轨： 结构简单、制造方便、能承受较大的轴向 力，但不能承受径向力，因而必须与主轴 联合使用，由主轴来承受经向载荷

（2）锥面环形导轨：

除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径 向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导 向性比平面环形好，但制造较困难，锥面 与轴心线的同轴度不容易保证
第十二章

机床导轨的设计



第一节 概述 机床上两相对运动部件的配合面 组成一对 导轨副，运动一方为动导轨，不动的一方 为支承导轨 一、功用和分类 1、功用：导向和承载 2、分类： ⑴按摩擦性质分 滑动导轨 滚动导轨


滑动导轨：动压滑动导轨 静压滑动导轨 普通滑动导轨


Leabharlann Baidu
当 6M/FL=1，即 M/FL=1/6 时 P min=0 P max=2Pav 压强按三角形分布

这是一种使动导轨与支承导轨在全长接触 的临界状态 如压强分布属上述情况，则均可采用开式 导轨


当 6M/FL＞1，即 M/FL＞1/6 时，主导轨 面上将有一段长度不接触，实际接触长度 为：Lj

（3）双锥面导轨：
能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠 覆力矩，制造研磨均较困难，同轴度不容 易保证，当床身与工作台热变形不同时， 两导轨面不同时接触

三、导轨间隙的调整
导轨面的间隙对机床工作性能有直接影响， 如果间隙过大，影响运动精度和平稳性； 间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快。 因此必须保证导轨具有合理间隙，磨损后 又能方便地调整




颠覆力矩有可能造成 导轨面的脱离，因此 应采用有压板的闭式 导轨
第五节

滚动导轨
优点：

摩擦系数小，运动轻便，摩擦发热少，磨 损小，动、静摩擦系数接近，可避免出现 爬行，定位精度高
缺点：


抗振性差，结构复杂，成本高，对脏物比 较敏感

一、滚动导轨的结构形式 1、直线滚动导轨副 结构上有滚动体不循环的滚珠、滚柱、滚 针导轨副，主要用于短行程导轨 滚动体循环的直线滚动导轨副和滚动导轨 块—主要用于长行程导轨 其工作原理见图：


整体型的直线滚动导轨副，由制造厂用选 配不同直径钢球的办法来决定间隙或预紧 不需自己调整 分离型滚动导轨副和滚子导轨块，则需用 户自己按规定调整间隙

二、直线滚动导轨的计算
与滚动轴承计算相仿，在一定载荷下行走 一定距离，90%的支承不发生点蚀为依据
载荷：额定载荷 行走距离：额定寿命 球导轨的额定寿命：50 km 滚子导轨额定寿命：100 km 计算公式如下：



它们可互相组合（见图）

⑴矩形导轨： 承载能力大、刚度高、制造简单、检验和 维修方便等优点。适于载荷较大而导向精 度要求略低的机床

⑵三角形导轨： 磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙， 导向精度高。 导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也 越大。 小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于 大型或重型机床。 三角形导轨结构有对称式和不对称式两种
淬火钢和氮化钢作支承导轨，可大幅提高导轨的 耐磨性 常用镶钢导轨材料有： ①合金工具钢或轴承钢 9Mn2V、CrWMn、GCr15 等 HRC≥60 ②高碳工具钢 T8A、T10A 等 HRC≥58






③中碳钢 45﹟、40Cr HRC≥48 ④ 低碳钢 20Cr 渗碳淬硬 HRC≥60 ⑤氮化钢 38CrMoAlA 渗氮处理 表面硬度 HV≥850 （维氏硬度）






2、配置与固定 配置： 直线滚动导轨副包括：导轨条和滑块 使用中导轨条通常为两根，每根导轨条上 有两个滑块，也有三个或以上的滑块 移动件的刚度较高，可少装，否则可多装 固定：



两条导轨中，一条为基准导轨，上有基准 面 A ，滑块上有基准面 B 另一条为从动导轨 见图：

常用压板、鑲条来调整导轨的间隙


（1）压板：用来调整导轨面的间隙和承受 颠覆力矩
压板调整导轨面的间隙有三种结构：


（2）鑲条：调整矩形导轨和燕尾形导轨的 侧向间隙。常用的鑲条有平鑲条和斜鑲条 (楔形)两种 平鑲条：

斜鑲条：（厚度的变化） 斜度为 1︰100～1︰40
第三节

导轨的材料




⑶燕尾形导轨：
承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小， 结构紧凑，间隙调整方便。但刚度性较差， 加工检验维修都不大方便。 适于受力小、层次多、要求间隙调整方便 的部位 ⑷圆柱形导轨：
制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整 和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的轨， 应用较少



2、导轨的组合形式 （1）双三角形导轨：不需要鑲条调整间隙， 接触刚度好，导向性和精度保持性好，但 工艺性差，加工、检验和维修都不方便



滚动体为球时：

滚动体为滚子时：



L—预期寿命 C—额定动载荷 F—工作载荷 f H—硬度系数，HRC58～64时为 1.0 HRC55时为 0.8 HRC50时为 0.53 f T—温度系数 工作温度不超100º C时为 1 f C—接触系数 每个导轨条装两个滑块时 f C=0.81 装三个时为 0.72 装四个时 0.66


对导轨材料的要求： 耐磨性高、工艺性好、成本低 主要材料有： 铸铁、钢、有色金属、塑料 一、铸铁 铸铁具有良好的减振性和耐磨性，易于铸 造和切削加工，成本低 铸铁导轨：良好的抗振性，工艺性和耐磨 性


常用铸铁： 灰铸铁 HT200 用于次要导轨、移置导轨


孕育铸铁 HT300 加入孕育剂，耐磨性好， 应用较广泛 耐磨铸铁 加入合金元素，如高磷铸铁、磷 铜钛铸铁、钒钛铸铁，耐磨性比孕育铸铁 高一倍，力学性能好，成本高，多用于精 密机床


（2）双矩形导轨：
承载能力大、制造简单。导向方式有两 种——宽式组合和窄式组合


（3）矩形和三角形导轨的组合： 导向性好，刚性高，制造方便，应用最广

（4）矩形和燕尾形导轨的组合： 能承受较大力矩,调整方便，多用在横梁、 立柱、摇臂导轨中

⑸双圆柱导轨组合： 常用于拉床、机械手上

f W—载荷/速度系数 无冲击振动 v≤15m/min时， f W=1～1.5 轻冲击振动 15＜v≤60m/min f W=1.5～2 有冲击振动 v＞60m/min f W=2.0～3.5 如果寿命以小时计，则


l—行程长度 n—每分钟往复次数

如果已选定滚动导轨型号，可估算出预期 寿命（已知 C 估算 L ） 如果给定预期寿命，可由 L h 计算 L，进而 计算额定动载荷 C 根据计算结果选择支承 型号




3、精度保持性好 主要由耐磨性决定 导轨的磨损有：磨粒磨损 粘接磨损（咬合） 接触疲劳 4、低速运动平稳性 导轨低速运动或微量位移时，不产生爬行 平稳性与导轨的结构、材料、润滑、动、 静摩擦系数差值、传动链刚度有关 5、结构简单、工艺性好

第二节

普通滑动导轨


一、直线运动导轨 1、直线导轨的截面形状 主要有四种： 矩形、三角形、燕尾形和圆柱形 每种导轨副中还有凹、凸之分





各导轨面上的集中支反力： RA=FC+W-RB RB=MZ/e RC=FP 各导轨面上的支反力矩： MA=MB=MX/2 MC=MY 牵引力： FQ=Ff+ (FC+ FP+ W )f ∴每条导轨载荷为一力一矩

二、导轨的压强 设：沿导轨长度的接触变形和压强为线性 分布，宽度方向为均布 每一条导轨上的载荷为 F 和 M F 引起的压强为： PF=F/aL M 引起的压强为： PM=6M/aL2 因为：

三、有色金属 有色金属作导轨主要是镶装结构 材料特点是耐磨性较高，可防止撕伤，保 证运动的平稳性和移动精度 与铸铁的支承导轨相搭配，多用于重型机 床的动导轨上 主要牌号：锡青铜 ZQSn6-6-3 铝青铜 ZQAl 9-4





四、塑料 在动导轨上镶装塑料 特点： 摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、 低速时不易出现爬行、加工性和化学稳定 性好、工艺简单、成本低 应用范围： 在各类机床上都有应用，特别是用在精密 机床、数控和重型机床的动导轨上




铸铁导轨的淬火 采用铸铁作支承导轨的，多数都要淬硬 导轨表面淬火的方法： ①感应淬火 高频淬火 中频淬火 硬度可达 45～55 HRC，耐磨性可提高近2倍 ②火焰淬火 淬硬层深，耐磨性好，但变形较大，增加 了磨削加工量


二、钢 用钢作导轨，多采用镶装结构，工艺复杂、成本 较高，钢导轨表面不允许打孔

2、三层复合材料的导轨板 在镀铜的钢板上烧结一层多孔青铜粉，在 青铜的孔隙中轧入聚四氟乙烯极其填料 形成金属—氟塑料的导轨板 特点：具有两种材料的优点，既有氟塑料 的优点又具有刚性和导热性 适用于中、小型精密机床和数控机床 用于竖直导轨更显它的优点




五、导轨副材料的选用 1、动、静导轨采用不同材料，防止咬焊， 提高耐磨性 2、相同材料导轨，采用不同热处理方法使 其硬度不同