滑动摩擦导轨Word格式.docx
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3、耐磨性好。
导轨的初始精度由制造保证，而导轨在使用过程中的精度保持性则与导轨面的耐磨性密切相关。
导轨的耐磨性主要取决于导轨的类型、材料?
导轨表面的粗糙度及硬度、润滑状况和导轨表面压强的大小。
4、对温度变化的不敏感性。
即导轨在温度变化的情况下仍能正常工作。
导轨对温度变化的不敏感性主要取决于导轨类型、材料及导轨配合间隙等。
5、足够的刚度。
在载荷的作用下，导轨的变形不应超过允许值。
刚度不足不仅会降低导向精度，还会加快导轨面的磨损。
刚度主要与导轨的类型、尺寸以及导轨材料等有关。
6、结构工艺性好。
导轨的结构应力求简单、便于制造、检验和调整，从而降低成本。
二、滑动摩擦导轨的类型及结构特点
按导轨承导面的截面形状，滑动导轨可分为圆柱面导轨和棱柱面导轨（图3-31）。
其中凸形导轨不易积存切屑、脏物，但也不易保存润滑油，故宜作低速导轨，例如车床的床身导轨。
凹形导轨则相反，可作高速导轨，如磨床的床身导轨，但需有良好的保护装置，以防切屑、脏物掉入。
图3-31滑动摩擦导轨截面形状
1、圆柱面导轨
圆柱面导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度；
缺点是对温度变化比较敏感，间隙不能调整。
图3-32圆柱面导轨
在图3-32所示的结构中，支臂3和立柱5构成圆柱面导轨。
立柱5的圆柱面上加工有螺纹槽，转动螺母1即可带动支臂3上下移动，螺钉2用于锁紧，垫块4用于防止螺钉2压伤圆柱表面。
在多数情况下，圆柱面导轨的运动件不允许转动，为此，可采用各种防转结构。
最简单的防转结构是在运动件和承导件的接触表面上作出平面、凸起或凹槽。
图3-33a、b、c是这种防转结构的几个例子。
利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动（图3-33d），适当增大辅助导向面与基本导向面之间的距离，可减小由导轨间的间隙所引起的转角误差。
当辅助导向面也为圆柱面时，即构成双圆柱面导轨（图3-33e），它既能保证较高的导向精度,又能保证较大的承载能力。
图3-33有防转结构的圆柱面导轨
为了提高圆柱面导轨的精度，必须正确选择圆柱面导轨的配合。
当导向精度要求较高时，常选用H7／f7或H7／S6配合。
当导向精度要求不高时，可选用H8／f7或H8／s7配合。
若仪器在温度变化不大的环境下工作，可按H7／h6或H7巧s6配合加工，然后再进行研磨直到能够平滑移动时为止。
导轨的表面粗糙度可根据相应的精度等级决定。
通常，被包容零件外表面的粗糙度小于包容件的内表面的粗糙度。
2、棱柱面导轨
常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨。
（1）双三角形导轨如图3—34a所示两条导轨同时起着支承和导向作用，故导轨的导向精度高，承载能力大，两条导轨磨损均匀，磨损后能自动补偿间隙，精度保持性好。
但这种导轨的制造、检验和维修都比较困难，因为它要求四个导轨面都均匀接触，刮研劳动量较大。
此外，这种导轨对温度变化比较敏感。
（2）三角形一平面导轨（图3-34b）这种导轨保持了双三角形导轨导向精度高、承载能力大的优点，避免了由于热变形所引起的配合状况的变化，且工艺性比双三角形导轨大为改善，因而应用很广。
缺点是两条导轨磨损不均匀，磨损后不能自动调整间隙。
图3-34三角形导轨
（3）矩形导轨矩形导轨可以做得较宽，因而承载能力和刚度较大。
优点是结构简单制造、检验、修理较易。
缺点是磨损后不能自动补偿间隙，导向精度不如三角形导轨。
图3-35所示结构是将矩形导轨的导向面A与承载面B、C分开，从而减小导向面的磨损，有利于保持导向精度。
图3-35a中的导向面A是同一导轨的内外侧，两者之间的距离较小，热膨胀变形较小，可使导轨的间隙相应减小，导向精度较高。
但此时两导轨面的摩擦力将不相同，因此应合理布置驱动元件的位置，以避免工作台倾斜或被卡住。
图3-35b所示结构以两导轨面的外侧作为导向面，克服了上述缺点，但因导轨面间距离较大，容易受热膨胀的影响，要求间隙不宜过小，从而影响导向精度。
图3-35矩形导轨
（4）燕尾导轨主要优点是结构紧凑、调整间隙方便。
缺点是几何形状比较复杂，难于达到很高的配合精度，并且导轨中的摩擦力较大，运动灵活性较差，因此，通常用在结构尺寸较小及导向精度与运动灵便性要求不高的场合。
图3-36为燕尾导轨的应用举例，其中图3-36c所示结构的特点是把燕尾槽分成几块，便于制造、装配和调整。
图3-36燕尾导轨应用举例
三、导轨间隙的调整
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。
间隙过小会增大摩擦力，间隙过大又会降低导向精度。
为此常采用以下办法，以获得必要的间隙。
1、采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获得合适的间隙。
如图3-36a所示燕尾导轨，为了获得合适的间隙，可在零件1与2之间加上垫片3或采取直接铲刮承导件与运动件的结合面A的办法达到。
图3-37平镶条调整导轨间隙
2、采用平镶条调整间隙。
平镶条为一平行六面体，其截面形状为矩形（图3-37a）或平行四边形（图3-37b）。
调整时，只要拧动沿镶条全长均布的几个螺钉，便能调整导轨的侧向间隙，调整后再用螺母锁紧。
平镶条制造容易，但在全长上只有几个点受力，容易变形，故常用于受力较小的导轨。
缩短螺钉间的距离加大镶条厚度（h）有利于镶条压力的均匀分布，当L／h=3～4时，镶条压力基本上均布（图3-37c）。
3、采用斜镶条调整间隙。
斜镶条的侧面磨成斜度很小的斜面，导轨间隙是用镶条的纵向移动来调整的，为了缩短镶条长度，一般将其放在运动件上。
图3-38用斜镶条调整导轨间隙
图3-38a的结构简单，但螺钉凸肩与斜镶条的缺口间不可避免地存在间隙，可能使镶条产生窜动。
图3-38b所示的结构较为完善，但轴向尺寸较长，调整也较麻烦。
图3-38c是由斜镶条两端的螺钉进行调整，镶条的形状简单，便于制造。
图3-38d是用斜镶条调整燕尾导轨间隙的实例。
四、驱动力方向和作用点对导轨工作的影响
设计导轨时，必须合理确定驱动力的方向和作用点，使导轨的倾复力矩尽可能小。
否则，将使导轨中的摩擦力增大，磨损加剧，从而降低导轨运动灵便性和导向精度，严重时以至使导轨卡住而不能正常工作。
因此，需要研究运动件不被卡住的条件。
图3-39导轨受力简图
设驱动力作用在通过导轨轴线的平面内，驱动力F的方向与导轨运动方向的夹角为α，作用点离导轨轴线的距离为h。
导轨受力情况如图3-39所示，由于驱动力F将使运动件倾转，可认为运动件与承导件的两端点压紧，正压力分别为N1、N2，相应的摩擦力为N1fV和N2fV，载荷为Fa，忽略去运动件与承导件间的配合间隙和运动件重力的影响，且当d/L很小时，保证运动件不被卡住的条件是
（3-9）
当h=0时，
（3-10）
当α=0时，
为了保证运动灵活，建议设计时取
（3-11）
上述公式中，
为当量滑动摩擦系数，对于不同的导轨，
值为
矩形导轨
燕尾形和三角形导轨
圆柱面导轨
式中
—滑动摩擦系数；
——燕尾轮廓角或三角形底角。
对于不同截面形状的组合导轨，由于两根导轨的摩擦力不同，驱动运动件的驱动元件（螺旋副、齿轮—齿条或其它传动装置）的位置应随之不同。
例如对图3-40所示的三角形—平面组合导轨，因三角形导轨上的摩擦力要比平面导大，摩擦力的合力作用在O点，且c>
b，因此，驱动元件的位置应该设在O点，从而消除运动件移动时转动的趋势，使运动件移动平稳而灵活。
图3-40三角形——平面导轨
五、温度变化对导轨间隙的影晌
滑动摩擦导轨对温度变化比较敏感。
由于温度的变化，可能使自封式导轨卡住或造成不能允许的过大间隙。
为减小温度变化对导轨的影响，承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。
如果导轨在温度变化大的条件下工作（如大地测量仪器或军用仪器等），在选定精度等级和配合以后，应对温度变化的影响进行验算。
为了保证导轨在工作时不致卡住，导轨中的最小间隙值Δmin响应大于或等于零。
导轨的最小间隙可用下式计算
Δmin=D2min（1+α2（t-t0））-D1max（1+α1（t-t0））（3-12）
式中D2min——包容件在制造温度时的最小直径或最小直线尺寸；
D1max一—被包容件在制造温度时的最大直径或最大直线尺寸；
α1、α2——被包容件与包容件材料的线膨胀系数；
t0——导轨制造时的温度；
t——导轨工作时的最高或最低温度。
为保证导轨的工作精度，导轨副中的最大间隙Δmax应小于或等于允许间隙，导轨中的最大间隙可用下式计算
Δmax=D2max[1+α2（t-t0）]-D1min[1+α（t-t0）]（3-13）
式中D1max——包容件在制造温度时的最大直径或最大直线尺寸；
D1min——被包容件在制造温度时的最小直径或最小直线尺寸。
六、导轨的刚度计算
为了保证机构的工作精度，设计时应保证导轨的最大弹性变形量不超过允许值。
必要时应进行导轨的刚度计算或验算。
由于导轨主要受静载荷作用，故导轨的刚度主要是指静刚度。
如果忽略机座变形对导轨刚度的影响（假设机座为绝对刚体），则导轨的刚度主要取决于在载荷作用下，导轨运动件和承导件的弯曲变形和它们工作面间接触变形的大小。
在计算导轨的弯曲变形时，可将与导轨运动件连成一体的工作台简化成梁，按工程力学中梁的变形公式进行简化计算。
为了提高导轨的刚度，除必要时增大导轨尺寸外，常采用合理布置加强筋的办法，以达到既保证刚度又减轻重量的目的。
导轨的接触变形可按经验公式估算，对于名义接触面积不超过100～150cm2的钢和铸铁的接触，其接触变形δ（单位为μm）为
δ=c
（3-14）
式中p—一接触面间的平均压力（N／cm2）；
c——系数，对于精刮导轨面（每25mm×
25mm在16点以上）和磨削导轨面（粗糙度Ra为0.16～0.32μm）为1.47～1.94，研磨表面（粗糙度Ra为0.01～0.02μm）为0.69。
七、提高导轨耐磨性的措施
为使导轨在较长的使用期间内保持一定的导向精度，必须提高导轨的耐磨性。
由于磨损速度与材料性质、加工质量、表面压强、润滑及使用维护等因素直接有关，故欲想提高导轨的耐磨性，须从这些方面采取措施。
1、合理选择导轨的材料及热处理
用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦系数小，并具有良好的加工和热处理性质。
常用的材料有：
（1）铸铁如HT200、HT300等，均有较好的耐磨性。
采用高磷铸铁（含磷量质量分数高于0.3％）、磷铜钛铸铁和钒钛铸铁作导轨，耐磨性比普通铸铁分别提高1～4倍。
铸铁导轨的硬度一般为180～200HBS。
为提高其表面硬度，采用表面淬火工艺，表面硬度可达55HBC，导轨的耐磨性可提高1～3倍。
（2）钢常用的有碳素钢（40、50、T8A、T10A）和合金钢（20Cr、40Cr）。
淬硬后钢导轨的耐磨性比一般铸铁导轨高5～10倍。
要求高的可用20Cr制成，渗碳后淬硬至56～62HBC；
要求低的用40Cr制成，高频淬火硬度至52～58HRC。
钢制导轨一般做成条状，用螺钉及销钉固定在铸铁机座上，螺钉的尺寸和数量必须保证良好的接触刚度，以免引起变形。
（3）有色金属常用的有黄铜、锡青铜、超硬铝（LC4）、铸铝（ZL6）等。
（4）塑料聚四氟乙烯具有优良的减摩、耐磨和抗振性能，工作温度适应范围广（-200～+280°
C），静、动摩擦系数都很小，是一种良好的减摩材料。
以聚四氟乙烯为基体的塑料导轨性能良好，它是一种在钢板上烧结球状青铜颗粒并浸渍聚四氟乙烯塑料的板材，如图3-41所示。
导轨板的厚度为1.5～3mm，在多孔青铜颗粒上面的聚四氟乙烯表层厚为0.025mm。
这种塑料导轨板既有聚四氟乙烯的摩擦特性，又具有青铜和钢铁的刚性与导热性，装配时可用环氧树脂粘接在动导轨上。
这种导轨用在数控机床、集成电路制板设备上，可保证较高的重复定位精度和满足微量进给时无爬行的要求。
图3-41塑料导轨板截面示意图
2、减小导轨面压强
导轨面的平均压强越小，分布越均匀，则磨损越均匀，磨损量越小。
导轨面的压强取决于导轨的支承面积和负载，设计时应保证导轨工作面的最大压强不超过允许值。
为此，许多精密导轨，常采用卸载导轨，即在导轨截荷的相反方向给运动件施加一个机械的或液压的作用力（卸载力），抵消导轨上的部分载荷，从而达到既保持导轨面间仍为直接接触，又减小导轨工作面的压力。
一般卸载力取为运动件所受总重力的2／3左右。
图3-42静压卸载导轨原理
（1）静压卸载导轨（图3-42）在运动件导轨面上开有油腔，通入压力为Ps的液压油，对运动件施加一个小于运动件所受载荷的浮力，以减小导轨面的压力。
油腔中的液压油经过导轨表面宏观与微观不平度所形成的间隙流出导轨，回到油箱。
图3-43水银卸载导轨原理
（2）水银卸载导轨（图3-43）在运动件下面装有浮子1（木块），并置于水银槽2中，利用水银产生的浮力抵消运动组件的部分重力。
这种卸载方式结构简单，缺点是水银蒸气有毒，故必须采取防止水银挥发的措施。
图3－44机械卸载导轨
（3）机械卸载导轨（图3-44）选用刚度合适的弹簧，并调节其弹簧力，以减小导轨面直接接触处的压力。
3、保证导轨良好的润滑
保证导轨良好的润滑，是减小导轨摩擦和磨损的另一个有效措施。
这主要是润滑油的分子吸附在导轨接触表面，形成厚度约为0.005～0.008mm的一层极薄的油膜，从而阻止或减少导轨面间直接接触的缘故。
由于滑动导轨的运动速度一般较低，并且往复反向，运动和停顿相间进行，不易形成油楔，因此，要求润滑油具有合适的粘度和较好的油性，以防止导轨出现干摩擦现象。
选择导轨润滑油的主要原则是载荷越大、速度越低，则油的粘度应越大；
垂直导轨的润滑油粘度，应比水平导轨润滑油的粘度大些。
在工作温度变化时，润滑油的粘度变化要小。
润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，不浸蚀机件，油中的杂质应尽量少。
对于精密机械中的导轨，应根据使用条件和性能特点来选择润滑油。
常用的润滑油有机袖，精密机床液压导轨油和变压器油等。
还有少数精密导轨，选用润滑脂进行润滑。
关于润滑方法，对于载荷不大、导轨面较窄的精密仪器导轨，通常只需直接在导轨上定期地用手加油即可，导轨面也不必开出油沟。
对于大型及高速导轨，则多用手动油泵或自动润滑，并在导轨面上开出合适形状和数量的油沟，以使润滑油在导轨工作表面上分布均匀。
4、提高导轨的精度
提高导轨精度主要是保证导轨的直线度和各导轨面间的相对位置精度。
导轨的直线度误差都规定在对导轨精度有利的方向上，如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，以补偿导轨中间部分经常使用而产生向下凹的磨损。
适当减小导轨工作面的粗糙度，可提高耐磨性，但过小的粗糙度不易贮存润滑油，甚至产生“分子吸力”，以致撕伤导轨面。
粗糙度一般要求
。
八、导轨主要尺寸的确定
导轨的主要尺寸有运动件和承导件的长度、导轨宽度、两导轨之间的距离、三角形导轨的顶角等。
增大导轨运动件长度L，有利于提高导轨的导向精度和运动灵活性，但却使工作台的尺寸和重量加大。
因此，设计时一般取L=（1.2～1.8）a。
其中a为两导轨之间的距离。
如结构允许，则可取L≥2a。
承导件的长度则主要取决于运动件的长度及工作行程。
导轨宽度B可根据载荷F和允许压强P求出。
（3-15）
两导轨之间的距离减小，则导轨尺寸减小，但导轨稳定性变差。
设计时应在保证导轨工作稳定的前提下，减小两导轨之间的距离。
三角形导轨的顶角，一般取为90°
第五节滚动摩擦导轨
滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦状态。
滚动摩擦导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨等。
与滑动摩擦导轨比较，滚动导轨的特点是：
①摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便，不易出现爬行现象；
②定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.1～0.2μm，而滑动导轨的定位误差一般为10～20μm。
因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；
③磨损较小，寿命长，润滑简便；
④结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；
⑤对脏物及导轨面的误差比较敏感。
一、滚珠导轨
图3-45力封式滚珠导轨图3-46自封式滚珠导轨
图3-45和图3-46是滚珠导轨的两种典型结构型式。
在V形槽（V形角一般为900）中安置着滚珠，隔离架1用来保持各个滚珠的相对位置，固定在承导件上的限动销2与隔离架上的限动槽构成限动装置，用来限制运动件的位移，以免运动件从承导件上滑脱。
V形滚珠导轨的优点是工艺性较好，容易达到较高的加工精度，但由于滚珠和导轨面是点接触，接触应力较大，容易压出沟槽，如沟槽的深度不均匀，将会降低导轨的精度。
为了改善这种情况，可采取如下措施：
1、预先在V形槽与滚珠接触处研磨出一窄条圆弧面的浅槽，从而增加了滚珠与滚道的接触面积，提高了承载能力和耐磨性，但这时导轨中的摩擦力略有增加。
2、采用双圆弧滚珠导轨（图3-47a）。
这种导轨是把V形导轨的V形滚道改为圆弧形滚道，以增大滚动体与滚道接触点的综合曲率半径，从而提高导轨的承载能力、刚度和使用寿命。
双圆弧导轨的缺点是形状复杂，工艺性较差，摩擦力较大，当精度要求很高时不易满足使用要求。
图3-47双圆弧导轨
为使双圆弧滚珠导轨既能发挥接触面积较大，变形较小的优点，又不致于过分增大摩擦力，应合理确定双圆弧滚珠导轨的主要参数（图3-47b）。
根据使用经验，滚珠半径r与滚道圆弧半径R之比常取为r／R=0.90～0.95，接触角θ=45°
导轨两圆弧的中心距C为
C=2（R—r）sinθ（3-16）
当要求运动件的行程很大或需要简化导轨的设计和制造时，可采用滚珠循环式导轨。
图3-48是这种导轨的结构简图，它由运动件1、滚珠2、承导件3和返回器4组成。
运动件上有工作滚道5和返回滚道6，与两端返回器的圆弧槽面滚道接通，滚珠在滚道中循环滚动，行程不受限制。
图3-48滚珠循环式滚动导轨的结构简图
为了保证滚珠导轨的运动精度和各滚珠承受载荷的均匀性，应严格控制滚珠的形状误差和各滚珠间的直径差。
例如19JA万能工具显微镜横向滑板滚珠导轨，滚珠间的直径不均匀度和滚珠的圆度误差均要求在0.5μm以内。
二、滚柱导轨和滚动轴承导轨
为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。
这类导轨的结构尺寸较大，常用在比较大型的精密机械上。
图3-49滚柱导轨
1、交叉滚柱V——平导轨
如图3-49a所示，在V形空腔中交叉排列着滚柱，这些滚柱的直径d略大于长度b，相邻滚柱的轴线互相垂直交错，单数号滚柱在AA1面间滚动（与B1面不接触），双数号滚柱在BB1面间滚动（与A1面不接触），右边的滚柱则在平面导轨上运动。
这种导轨不用保持架，可增加滚动体数目，提高导轨刚度。
2、V—平滚柱导轨
如图3-49b，这种导轨加工比较容易，V形滚柱直径d与平面导轨滚柱d1之间有如下关系
（3-17）
其中α是V形导轨的V形角。
第六节静压螺旋传动与静压导轨简介
一、静压螺旋传动
1、静压螺旋传动的工作原理
静压螺旋传动的工作原理如图3-50所示。
来自液压泵3的润滑油，经溢留阀6调压后，通过精密过滤器2以一定压力（FS）通过节流阀1，由内螺纹牙侧面的油腔进入工作螺纹的间隙，然后经各回油孔（虚线所示，回油路图中未画出）流回油箱5。
图3-50静压螺旋传动原理
1—节流阀2—精密滤油器3—液压泵4—滤油器5—油箱6—溢流阀
当螺杆无外载荷时，通过每一油腔沿间隙流出的流量相等，螺纹牙两侧的油压及间隙也相等，既Pr1=Pr2=Pr0，h1=h2=h0，螺杆保持在中间位置。
当螺杆受轴向力Fa而偏向左侧时，则间隙h1减小，h2增大。
由节流阀的作用，使Pr1>
Pr2，从而产生一个平衡Fa的反力。
当螺杆受径向力Fr作用而沿载荷方向产生位移时，油腔A侧间隙减小，B、C侧间隙增大。
同样，由于节流阀的作用，使A侧的油压增高，B、C侧油压降低，形成压差与径向力Fr平衡。
当螺杆一端受径向力矩M作用而形成一倾覆力矩时，螺母上对应油腔E、J侧间隙减小，D,C侧间隙增大。
由于节流阀的作用使螺杆产生一个反向力矩，使其保持平衡。
由上述三种受力情况可知，当每一个螺旋面上设有三个以上的油腔时，螺杆（或螺母）不但能承受轴向载荷，同时也能承受一定的径向载荷和倾覆力矩。
2、静压螺旋传动的特点
静压螺旋传动与滑动螺旋和滚动螺旋传动相比，具有下列特点：
（1）摩擦阻力小，效率高（可达99％）。
（2）寿命长。
螺纹表面不直接接触，能长期保持工作精度。
（3）传动平稳，低速时无爬行现象。
（4）传动精度和定位精度高。
（5）具有传动可逆性，必要时应设置防止逆转机构。
（6）需要一套可靠的供油系统，并且螺母结构复杂，加工比较困难。
二、静压导轨
静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，以保证两导轨面间处于
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