直线导轨的结构设计.docx

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直线导轨的结构设计

直线导轨的结构设计（含滚动导轨）

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1导轨的作用和设计要求

当运动件沿着承导件作直线运动时，承导

件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。

对导轨的要求如下：

1.一定的导向精度。

导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。

2.运动轻便平稳。

工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。

3.良好的耐磨性。

导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。

导轨在使用过程中要

磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。

4.足够的刚度。

运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。

为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。

5.温度变化影响小。

应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。

6.结构工艺性好。

在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整,降低成本。

不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提岀相应的设计要求。

必须指岀，上述六点要求是相互影响的。

2导轨设计的主要内容

设计导轨应包括下列几方面内容：

1.根据工作条件，选择合适的导轨类型。

2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度？

3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性,

以及运动轻便和平稳。

4.选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度。

5.选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。

6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。

3导轨的结构设计

1.滑动导轨

（1）基本形式（见图21-10）

图21-10三角形导轨：

该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。

它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90。

。

为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110°

120°;为提高导向性，采用较小的顶角（60°。

如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，

应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。

矩形导轨：

优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。

但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。

燕尾形导轨：

燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。

用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。

圆形导轨：

制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间隙。

为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工岀平面，但不能承受大的扭矩。

宜用于承受轴向载荷的场合。

（2）常用导轨组合形式

三角形和矩形组合：

这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。

这种组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。

V-平组合导轨易储存润滑油，低、高速都能采用；棱平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。

见图21-11。

图21-11为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。

矩形和矩形组合：

承载面和导向面分开，因而制造和调整简单。

导向面的间隙用镶条调整，接触刚度低。

见图21-12

图21-12双三角形导轨：

由于采用对称结构，两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置位置不变，故加工精度影响小。

接触刚度好，导向精度高，但工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全接触，如果运动部件热变形不同，也不能保证四个面同时接触，故不宜用在温度变化大的场合。

（3）间隙调整

为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。

间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。

导轨的间隙如依靠刮研来保证，要废很大的劳动量，而且导轨经过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。

矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。

在垂直方向上，一般采用下压板调整它的低面间隙，其方法有：

a）刮研或配磨下压板的结合面；b）用螺钉调整镶条位置；c）改变垫片的片数或厚度；见

图21-13。

在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。

见图21-14

圆形导轨的间隙不能调整。

图21-13

图21-14（4）夹紧装置

有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后要求将它的位置固定，因而要用专用的锁（夹）紧装

置。

常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。

见图21-15

液压锁紧装置

导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法，以及使用与维护。

提高导轨的

耐磨性，使其在较长的时间内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。

提高导轨耐磨性的措施有:

1）选择合理的比压单位面积上的压力成为比压，即

p=P/S（公斤/厘米2）

式中P-作用在导轨上的力（公斤）

S-导轨的支承面积（厘米2）

由上式可知，要减小导轨的比压，应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。

减小两导轨面之间的中心距，可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。

但减小中心距受到结构尺寸的限制，同时中心距太小，将导致运动不稳定。

降低导轨比压的另一办法，是采用卸荷装置，即在导轨载荷的相反方向，增加弹簧或液压作用力，以抵消导轨所承受的部分载荷。

2）选择合适材料目前常采用的导轨材料有以下几种：

铸铁-导轨与承导件或运动件铸成一体，其材料常用灰口铸铁。

它具有成本低，工艺性好，热稳定性

高等优点。

在润滑和防护良好的情况下，具有一定的耐磨性。

常用的是HT200〜HT400，硬度以HB=180

200较为合适。

适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可提高导轨的耐磨性。

若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁，如高磷铸铁，硬度为HB=180〜220，耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。

若加入一定量的铜和钛，成为磷铜钛铸铁，其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。

但高磷系铸铁的脆性和铸造应力较大，易产生裂纹，应采用适当的铸造工艺。

此外，还可使用低合金铸铁及稀土铸铁

钢-要求较高的或焊接机架上的导轨，常用淬火的合金钢制造。

淬硬的钢导轨的耐磨性比普通灰铸铁高5〜10倍。

常用的有20Cr钢渗碳淬火和40Cr高频淬火。

钢导轨镶接的方法有：

螺钉连接，应使螺钉不受剪切；为避免导轨上有孔（孔内积存赃物而加速磨损），一般采用倒装螺钉。

结构上不便于从下面伸入螺钉固定时，可采用如图21-16所示的方法。

螺钉固紧后，将六角头磨平,

使导轨上的螺钉孔和螺钉头之间没有间隙。

图21-16用环氧树脂胶接，胶接面之间的间隙不超过0.25毫米。

胶粘导轨具有一定的胶接刚度和强

度，尚有一定的抗冲击性能，工艺简单，成本较低。

塑料-用聚四氟乙烯为基材，添加不同的填充剂作为导轨材料。

它具有耐磨、抗振以及动、静摩擦系数低（0.04），可消除低速爬行现象，在实际应用中取得良好的效果。

3）热处理为提高铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。

表面淬火方法有：

火焰淬火、高频淬火和电接触淬火。

4）润滑和防护润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜，阻止或减少导轨面直接接触，减小摩擦和磨

损，以延长导轨的使用寿命。

同时，对低速运动，润滑可以防止"爬行"；对高速运动，可减少摩擦热，减

少热变形。

导轨润滑的方式有浇杯、油杯、手动油泵和自动润滑等。

导轨的防护装置用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面，以免使导轨擦伤、生锈和过早的磨损为此，在运动导轨端部安装刮板；采用各种式样的防护罩，使导轨不外露等办法。

（6）结构尺寸的验算

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1）校核温度变化对导轨间隙的影响导轨在温度变化较大的环境中工作，应在选定精度和配合后，作

导轨间隙验算。

为了保证工作时不致卡住，导轨的最小间隙应大于或等于零，即

导轨的最小间隙用下式计算：

△min=Dmin[1+ak（ttO）]-dmax[1+az（t-tO）]（mm）

式中t-工作温度（°C）

tO-制造时温度（°C）

Dmin-包容件在tO时的最小尺寸（mm）

dmax-被包容件在tO时的最大尺寸（mm）

a-包容件材料的线膨胀系数（1/C）

az被包容件材料的线膨胀系数（1/C）

为保证导向精度，导轨的最大间隙Amax应小于或等于允许值，即△maxq^max]

导轨的最大间隙用下式计算：

△max=Dmax[1+ak（t-tO）]-dmin[1+az（ttO）]（mm）

式中Dmax-包容件在tO时的最大尺寸（mm）

dmin-被包容件在tO时的最小尺寸（mm）

2）不自锁条件和导轨间隙计算

当初定导轨的结构形式和尺寸后，应注意作用力的方向和作用点的位置，力求使导轨的倾斜力矩小,否则使导轨的摩擦力增大，磨损加快，从而降低导轨的灵活性和导向精度，甚至回使导轨卡住。

其验算公式见表21-6。

表21-6

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2.滚动导轨

在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、滚柱或滚针），使相配的两个导轨面不直接接触的导轨，称为滚动导轨。

滚动导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现”爬行"现象，故运动均匀平稳。

因此，滚动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上，获得日益广泛的运用。

滚动导轨的缺点是：

导轨面和滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，故对导轨的表面硬度要求高；对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。

（1）结构形式

滚珠导轨-图示21-17为V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨。

由于滚

珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。

常用于运动件重量、载荷不大的场合。

图21-17滚柱（滚针）导轨-滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，灵活性稍差。

如图21-18，滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。

滚柱的直径越大，对导轨的不平度越为敏感。

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图21-18当结构尺寸受限制时，可采用直径较小的滚柱，这种导轨称为滚针导轨。

滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。

其结构如图21-19所示。

由于滚柱在封闭的滚道内滚动，故可用于行程很大的导轨上。

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滚动导轨支撑

21-20所

1-本体2-滚柱3-导向片4-反射器滚柱导轨可采用标准的滚动轴承，装在偏心轴上，如图示，以便于调整。

其偏心量一般取0.2-0.5毫米。

图21-20

（2）滚动导轨设计的一般问题

1）结构形式的选择：

滚动导轨按其结构特点，分为开式和闭式两种。

开式滚动导轨用于外加载荷作用在两条导轨中间，依靠运动件本身重量即可保持导轨良好接触的场合。

闭式导轨则相反。

滚珠导轨的灵活性最好，结构简单，制造容易，但承载能力小，刚度低，常用于精度要求高、运动灵活、轻载的场合。

滚柱（针）导轨刚度大，承载能力强，但对位置精度要求高。

滚动导轨采用标准滚动轴承，结构简单，制造容易，润滑方便。

宜用于中等精度的场合。

为了增加滚动导轨的承载能力，可施预加载荷。

这时刚度大，且没有间隙，精度相应提高，但阻尼比无预加载荷时大，制造复杂，成本高。

故多用于精密导轨。

2）选择长度：

一般应在满足导轨运动行程的前提下，尽可能使导轨的长度短一些

为防止滚动体在行程的极端位置时脱落，运动件的长度应为

L=l+2a+Smax/2

式中L-运动件或承导件的长度，计算时取较短者的长度（毫米）；

I-支承点的距离（毫米）；

a-在极端位置时的余量；如图21-21

Smax/2+a

采用循环式的滚动

导轨支承时，运动件的行程长度不受限制

滚动体尺寸和数目：

滚动体直径大，承载能力大，摩擦阻力小。

对于滚珠导轨，滚珠直径增大，刚度增高（滚柱导轨的刚度与滚柱直径无关）。

因此，如果不受结构的限制，应有限选用尺寸较大的滚动体。

滚针导轨的摩擦阻力较大，且滚针可能产生滑动。

所以尽可能不采用滚针导轨（特别是滚针直径小于4毫米时）。

当滚动体的数目增加时，导轨的承载能力和刚度也增加。

但滚动体的数目不宜太多，过多会增加载荷在滚动体上分布的不均匀性，刚度反而下降。

若滚动体数目太少，制造误差将会显著地影响运动件的导向精度。

一般在一个滚动带归上，滚动体的数目最少为12个。

经验表明：

运动部件的重量，使滚柱单位长

度上的载荷q》4公斤/厘米时；对于滚珠导轨，在每个滚珠上的载荷为p>3（d）1/2公斤时，（d为滚珠直

径，毫米），载荷的分布比较均匀。

在滚柱导轨中，增加滚柱的长度，可减小接触应力和增大刚度，但载荷分布的不均匀性也增大。

对于钢制摸削导轨，滚柱导轨和直径之比l/d<1.5，对于铸铁导轨，l/d可增大些（滚柱直径一般不小于6毫米,滚针直径不小于4毫米）。

图21-22（a）当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。

当导轨在位置I时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置H或山时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜a角，由此造成误差。

此外，滚动

体支承工作台，若工作台刚度差，见图21-23，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有

时还可能岀现波浪形），影响导轨的精度。

3.5^I15^斤

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[―7/1DL—I滦动悴吏形对工作台前影响

图21-23为减小导轨变形，提高刚度，除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的

厚度外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。

图21-18所示的燕尾形滚动导轨，用移动导轨板获得并

控制预加载荷。

试验证明：

随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会显著提高。

牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。

因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。

4）技术要求：

导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，设计时应根据使用要求，制定岀滚动导轨

的若干技术条件，下列项目和数据可供参考：

两导轨面间的不平度一般为3微米；

导轨不直度一般为10-15微米，精密的小于10微米。

滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于2微米，每组滚动体的直径差不大

于1微米；对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于1微米，每组滚动体的直径差不大于0.5微米；

滚柱的锥度在滚柱长度范围内，大小端直径差小于0.5-1微米；

表面光洁度通常应刮研；在25X25厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取下限。