直线滚动导轨的特点及选用

直线滚动导轨的特点及选用

摘要：介绍了直线滚动导轨的性能特点及选用时涉及到的一些性能参数。

关键词：直线滚动导轨；寿命

1、直线滚动导轨的特点

直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：

1.1 定位精度高

直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。

1.2 降低机床造价并大幅度节约电力

采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。

1.3 可提高机床的运动速度

直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。

1.4 可长期维持机床的高精度

对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。

与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。

2、宜线滚动导轨的寿命

在选用直线滚动导轨时，应对其本身的寿命进行初步验算。

当直线滚动导轨承受负荷并做滚动运动时，导轨面和滚动部分(钢珠或滚柱)就会不断地受到循环应力的作用，一旦达到临界值，滚动表面就会产生疲劳破损，在某些部位产生鱼鳞状剥离，这种现象称为表面剥落。

所谓直线滚动导轨的寿命，就是指导轨表面或滚动部分由于材料的滚动疲劳而发生表面剥落时为止总行走距离。

直线滚动导轨的寿命具有很大的分散性。即使同批制造的产品，在同样运转条件下使用，其寿命也会有很大的差距。因此，为了确定直线滚动导轨的寿命，一般使用额定寿命这一参数。

所谓额定寿命是指让—批同样的直线滚动导轨逐个地在相同的条件下运动，其中90%的总运行距离能达到不发生表面剥落。

对于使用钢珠的直线滚动导轨，额定寿命L为：

(1)

对于使用滚柱的直线滚动导轨，额定寿命为：

式中L：额定寿命．km；

C：基本额定动负荷，kN；

P C：计算负荷，LN；

f H：硬度系数；

f T：温度系数；

f C：接触系数，

f W：负荷系数。

由上述两式可以看出，直线滚动导轨的额定寿命受硬度系数f H、温度系数f T、接触系数f C、负荷系数f W的直接影响。

2.1 硬度系数

为了充分发挥直线滚动导轨的优良性能，与钢珠或滚柱相接触的导轨表面从表面到适当的深度应具有HRC58～64的硬度。如果因某种原因达不到所要求的硬度，会导致寿命缩短。计算时要将基本额定动负荷C乘以硬度系数f H。f H与导轨表面的硬度关系见图1所示。

2.2 温度系数f T

直线滚动导轨的工作温度超过100℃时，导轨表面的硬度就会下降，与在常温下使用相比，寿命会缩短，计算时要将基本额定动负荷C乘以温度系数f T，见图2所示。

同时，在高温下运行时，还应考虑材料产生的尺寸改变及润滑方式的不同。

2.5 接触系数

大多数情况下，为实现直线运动，至少要在导轨上安装两个以上的滚动滑块。然而施加在各个滑块上的负荷受安装精度和滑块自身精度的影响，不一定象计算值那么完全均等。因此，进行寿命计算时应将基本额定动负荷C乘以表1所示的接触系数f C。

2.4 负荷系数f W

在计算作用于直线滚动导轨上负荷时，必须正确地计算出因物体重量而产生的负荷，包括因运动速度变化而产生的惯性负荷和由于悬重部分而造成的力矩负荷。另外，

机床在作往复运动时，常常伴随着振动和冲击，特别是在高速运动时产生的振动及正常工作时因反复起动、停止等操作而产生的冲击等，往往很难正确地计算出来。因此，进行寿命计算时应将基本额定动负荷C乘以表2所示经验负荷系数f w。

若钢球在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触，称内循环；否则，称外循环。通常，把在同一螺母上所具有的循环回路的数目，称为钢球的列数，常用的有2~4列。而把每一循环回路中钢球所经过的螺纹滚道圈数（导程数）称为工作圈。

表3-1 钢球的循环方式

类别形式特点

内循环

优点:返回通道短,一个循环只有一圈钢球,流畅性好,摩擦损失小,效率高,径向尺寸小,刚性好

缺点:返向器钢球返回通道的曲面加工复杂

外循环端盖式

优点:结构紧凑,工艺性好缺点:循环回路长,流畅性差,钢球通过短槽时易卡住螺旋槽式

优点:结构简单,制造方便,承载能力大

缺点:钢球流畅性较差,挡珠器较易磨损

插管式

优点:结构简单,工艺性好,钢球的流畅性好,应用较广缺点:凸出式的插管凸出于螺母外部,径向尺寸较大

2)消除轴向间隙的调整预紧方式

滚珠丝杠副中的间隙对传动精度影响较大。当精度要求不高时，可采用单螺母，并对丝杠和螺母进行选配，或进行预紧以减小配合间隙。当精度要求较高时，常采用双螺母，通过调整两个螺母间的轴向位置，以消除轴向间隙，并进行预紧，提高传动的定位精度、重复定位精度及轴向刚度。预紧力一般约取最大轴向载荷的1/3。表3-2为几种常用的消除间隙和调整预紧的方式。

表3-2 消除间隙和调整预紧的方式

类型特点

垫片式结构简单,装拆方便,刚度高,但不易实现精确调整,螺纹滚道有磨损时,不能随时消除间隙和预紧。适用于重载传动和一般精度要求的场合

圆螺母式结构紧凑,工作可靠,调整方便。但容易松动,不够准确。一般用于刚度要求不高及需要随时调整预紧力的场合

齿差式

调整精度较高,要求较小时,所需齿数较多,结构尺寸较大,且齿圈的模数m较小,联接刚度较差,适用于高精度传动场合

3)螺纹滚道法向截型

螺纹滚道法向截型（或称滚道型面），是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道型面的交线的形状。

3.2丝杠的选型