机床导轨面结构与精密制造工艺设计 大学毕业论文设计.docx

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机床导轨面结构与精密制造工艺设计大学毕业论文设计

哈尔滨理工大学

毕业设计

题　　目：

机床导轨面结构与精密制造

工艺设计

院、　系：

机械动力工程学院

姓　　名：

孙洋

指导教师：

姜彬

系主任：

姜彬

2011年06月24日

机床导轨面结构与精密制造工艺设计

摘要

在机床的生产制造中，特别是对于大型及超大型数控机床，由于其体形庞大，而且需具备超重的载荷能力及重切削负荷能力，采取多条导轨来防止重载荷下工作台的变形，并且可减小超重加工件对导轨的压强。

此时如果采用普通润滑导轨，其摩擦力相对较大，特别是导轨的静、动摩擦力变化会直接影响到加工质量及精度的控制，难以达到数控的技术要求。

因此，采用静压导轨是机床制造中一种常见的设计形式。

由于具有高刚度、高精度、低磨损等技术优势，静压导轨被广泛应用于数控机床领域。

静压导轨的刚度、承载能力及其工作性能直接影响机床的加工精度，确保导轨的精度始终处于最优先对于考虑的因素。

在工作过程中，导轨的精度随承载力的变化而变化，有时甚至超出了规定承载的范围，这不仅减少了导轨的寿命，同时也降低了数控机床的加工精度和加工范围。

因此，有必要对现有的静压导轨进行改进，并采用相应的控制方案来提高液体静压导轨的刚度和承载能力。

论文中第一部分主要研究所研究课题的现状，发展趋势，以及目前以研究的水平，初步确立研究的方向和研究方法。

论文中第二部分分析了导轨的功用和分类，根据实际情况选着其适用导轨。

确定设计的理论基础，为下步设计做基础铺垫。

论文中第三部分为本次设计的结构分析，先通过分析静压导轨结构和优缺点及静压导轨在重型机床上的应用和承载能力为导轨制造工艺设计做铺垫。

论文中第四部分为导轨制造工艺设计过程，可通过机床导轨的热处理，导轨结合面表面精度加工及长导轨的分段加工及其自然调平来完成导轨制造工艺设计过程。

关键词：

静压导轨;承载能力；热处理；高频表面淬火

Slidesurfacestructurewithprecisiontoolstomaketheprocessdesign

Abstract

Inthemachinemanufacturing,especiallyforlargeandsuperlargencmachinetools,becauseitsbold,andtohavetheoverweightloadcapacityandheavycuttingloadability,takeDuoTiaoguidetopreventtheheavyloadofthedeformation,andcanreducethepressureoftheguidetooverweightproduct.Ifthistimeusingcommonlubricationguiderail,thefrictionisoppositebigger,especiallytheguiderailstaticanddynamicfrictionchangewilldirectlyaffecttheprocessingqualityandprecisionofthecontrol,itisdifficulttomeetthenumericalcontroltechnologyrequirements.Therefore,thestaticpressureguideisakindofcommonmachinetoolsdesignform.

Becauseofthehighrigidity,highprecision,lowweartechnologyadvantage,staticpressureguidehasbeenwidelyusedinthefieldnumericalcontrolmachine.Thestiffnessofthestaticpressureguiderail,carryingcapacity,andworkcapabilitydirectlyinfluencethemachiningprecisionofthemachinetool,toensuretheaccuracyofguiderailisalwaysinthemostpreferredtoconsiderthefactors.Intheprocessofoperation,theaccuracyofthebearingcapacityofguiderailwithchanges,sometimesevenbeyondthescopeoftheregulations,thebearingnotonlyreducedtheguidelife,whilealsoreducesthemachiningprecisionofthenumericalcontrolmachinetoolsandmachiningscope.Therefore,itisnecessarytoimprovetheexistingstaticpressureguiderail,thecorrespondingcontrolschemetoimprovethestiffnessoftheguiderailliquidstaticpressureandloadcapacity.

Inthepaperthefirstpartofthepresentsituationoftheresearchinstitute,developmenttrend,andarecurrentlyintheleveloftheresearch,theresearchdirectionandestablishpreliminaryresearchmethods.

Thesecondpartofthepaperanalyzedthefunctionoftheguiderailandclassification,accordingtotheactualsituationoftheapplicabletopicktheguide.Surethedesigntheoryofbasis,forthenextstepdesigndobasicbooks.

Thethirdpartofthepapertothedesignofthestructureanalysis,firstthroughtheanalysisoftheadvantagesanddisadvantagesofstaticpressureguiderailstructureandstaticpressureguideintheapplicationoftheheavymachinetoolsandcarryingcapacityforguiderailmanufacturingprocessordesign.

Inthepaperthefourthpartforguiderailmanufacturingprocessdesignprocess,butthroughthemachineslidewayheattreatment,surfaceprecisionguidejointsurfaceprocessingandlongguidesectionprocessinganditsnaturallevellingtocompleteguiderailmanufacturingprocessdesignprocess.

Keywords：

staticpressureguide;carryingcapacity;heattreatment;highfrequencyhardening

绪论

1.1课题背景

企业合作项目由齐二机床研发具有完全自主知识产权的高端重型核电零件加工设备

1.2课题研究目的和意义

CXK5463X50/150型数控龙门移动式车铣床是由齐二机床研发具有完全自主知识产权的高端重型核电零件加工设备，主要用于核电关键零件水室封头的特殊内、外形的精确加工。

机床采用动梁龙门移动布局,工作台具有旋转和分度两种功能，通过互锁机构保证车削与铣削功能的可靠实现，滑枕带B轴功能，B轴带有静压卸荷、液压定位及夹紧功能，可实现X-Z平面内斜孔、斜面的高效加工。

该机床的成功研制对满足大尺寸、大吨位、高精度核电零件精确加工与批量化生产的需求，有效推进第三代核电装备的系列化、批量化制造推动核电装备制造技术进步具有重要实意义。

目前国内机床存在工作效率低，工作速度低的问题， 机床导轨面结构是机床工作过程中的重要一环所以近些年设计者在设计机床时，导轨的设计形式是多种多样的。

人们不禁要问，哪一种导轨是最佳的。

机床控制元件的运动实现了机床的精密加工，这是手动工具和机床的主要区别，而导轨面结构是机床的控制元件之一。

机床制造者最关心的莫过于机床的精度，刚性和使用寿命。

对导轨系统的研究途径是很不够的，至少在机床制造技术方面没有把它放在重要的位置上，在机床样本，宣传广告上，最具有吸引力的技术参数是：

主轴转速、进给速度、换刀时间和快速进给速度。

当然，这些参数对机床的性能是很重要的。

但导轨为机床功能的实现奠定了可靠的基础[1]。

由于具有工作寿命长、摩擦系数低、速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小、工作稳定等诸多优点，液体静压导轨被广泛应用于精密加工机床、雷达天线等民用与军用设备中。

随着对数控机床的加工精度和效率要求的不断提高为了提高工作台承载能力和性能，减少工作台和底座间磨损，延长工作台使用寿命，液体静压导轨在各种数控机床中（特别是重载高精度数控机床）也得到了广泛的应用[2]。

1.3国内外机床导轨研究发展现状

静压导轨因具有高精度、高刚度、长寿命等一系列优点而得到了广泛的应用。

支承是机床和其他机械设备的重要部件，直接影响机械设备的工作性能。

液体静压支承技术的应用主要包括液体静压轴承和液体静压导轨两大类。

液体静压导轨是液体静压支承技术在导轨中的主要应用。

液体静压导轨的主要优点是：

摩擦系数小，一般为0.0005～0.001机械效率高；导轨面之间的油膜很薄；具有良好的润滑性和吸振性；导轨长期使用无磨损；工作运动平稳。

因此，液体静压导比滑动导轨和滚动导轨的寿命高许多倍。

同时，液体静压导轨运动速度的变化对其油膜厚度和刚度的影响小，消除了工作台低速运动的“爬行”现象，且降低了对导轨材料的要求[4]。

由于液体静压导轨具有上述诸多优点，且技术的不断成熟，因此液体静压导轨能满足高精度、重载荷及各种速度范围机床的要求，在各种机床（尤其是数控机床、超精密机床）中得到了广泛的应用。

当今生产的数控机床广泛采用液体静压导轨。

例如：

美国IlqGERSOLL集团旗下的德国WALDluCHSIEGEN公司和WAI，DRjCHCOBURG公司、法国FORESTLINE公司、日本的TOSⅡBA公司均生产采用液体静压导轨的数控龙门镗铣床。

液体静压导轨在超精密加工机床中的应用也较为广泛。

超精密加工设备是实现超精密加工技术的必须手段，而超精密机床的性能取决于其关键部件的性能。

导轨副是超精密机床的关键部件之一，直接影响超精密加工的精度。

液体静压导轨相对于滚动导轨和动压导轨有摩擦阻力小、使用寿命长、速度范围广、抗振性能好和适应性好等优点。

因此，液体静压导轨在超精密加工机床中液体静压导轨得到了广泛应用。

例如：

美国LLNL实验室从60年代开始研制精密机床，该实验室先后开发了DTM-I、DTM-2型超精密机床，并于1983年9月成功地开发出代表当代超精密机床最高水平的DTM．3型卧式大型光学金刚石超精密车床。

该机床利用激光干涉仪来进行位置测量，采用液体静压轴承和液体静压导轨，位置控制精度可达O．0139m，加工的黄铜零件表面粗糙度可0.0076um。

在日本，大森整等人将超精密油静压驱动系统应用于超精密多轴镜面加工机床上，位置精度分辨率达到lOnm，加工工件粗糙度7rim。

NanoTechS00FG采用液体静压导轨，其水平直线度和垂直直线度分别达到0.2um／250mm和0.51。

um／250mm，定位精度为0.3／um／250mm。

小泉孝一等人将液体静压导轨技术成功的应用于生产民用液晶显示器的平面研磨机上。

在国内，液体静压导轨在各种机床中的应用也越来越普遍。

例如：

国产XK2125数控龙门镗铣床床身工作台导轨、宝钢宽厚板主体设备中的剪切线双边剪设备和YK73125成形磨齿机中的主要导轨运动副均采用液体静压导轨技术[1]。

1.4课题研究的主要内容和方法

本次课题研究的主要内容：

1.熟悉机床导轨结构的特点，选着所需的导轨。

2.明确设计要求拟定机床导轨设计制造总体方案制。

3.进行机床导轨面精密制造工艺设计。

本次课题研究的解决方法：

通过对静压导轨的优缺点，导轨的受力分析，导轨的材料、润滑条件、加工工艺、维护措施和通过考察调研，查阅相关资料，综合应用专业的理论知识,掌握机械装置的设计方法和步骤,在通过多次的计算校对等方面来完成。

第2章机床导轨的选用

2.1导轨的功用和分类

导轨的功用是导向和承载。

在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方面（如工作台导轨）叫动导轨，不动的一方（如床身导轨）叫做支承导轨。

导轨按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。

在滑动导轨中有静压导轨、动压导轨和普通导轨。

静压导轨的原理和静压动轴承相同，两导轨面间有一层静压油膜，属于纯液体摩擦，多用于进给运动导轨。

动压导轨，当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应是导轨油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦，这种导轨只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨，例如立式车床导轨。

普通滑动导轨的摩擦状态有的为混合摩擦。

这时，在导轨面间虽有一定得的动压效应，但由于速度还不够高，油楔还不足以隔开导轨面，导轨面仍处于直接接触状态。

大多数普通滑动导轨属于这一类。

有的普通滑动导轨速度很低，导轨间不足以产生动压效应，处于边界摩擦状态。

2.2滑动导轨、静压导轨与滚动导轨的特点和经济性

导轨质量对机床刚度,加工精度和使用寿命具有很大的影响,作为机床进给系统的重要环节,不同类型的机床对导轨的要求不同,数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高。

且希望其高速进给时不发生振动,低速进给时不出现爬行,灵敏度高。

耐磨性好,可在重载下长期连续工作,精度保持性好等,这是机床制造厂设计机床和机床用户选用机床时,必须考虑的问题。

下面对三种导轨形式进行比较:

2.2.1滑动导轨

滑动导轨在机床上应用的历史最为久远,至今在各类机床产品上广为应用,尤其是普通机床,它往往采用铸铁件或镶钢导轨制成。

为了提高导轨的耐磨寿命和精度,一般对导轨表面进行面淬火及磨削加工,现代机床尤其是数控机床常用塑料滑动导轨。

塑料滑动导轨具有摩擦因数低,且动、静摩擦因数差值小,减振性好,具有良好的阻尼性,耐磨性好,有自润滑作用,塑料滑动导轨有铸铁表面淬火—塑料滑动导轨和镶钢—塑料导轨。

塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上,与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。

塑料导轨分为注塑导轨和贴塑导轨,导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。

注塑导轨。

导轨注塑或抗磨涂层的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体,加入增塑剂,混合成膏状为一组分,固化剂为另一组分的双组分塑料这种涂料附着力强,具有良好的可加工性,可经车、铣、刨、钻、磨削和刮削加工。

也有良好的摩擦性和耐磨性,而且抗压强度比聚四氟乙烯导轨软带要高,固化时体积不收缩,尺寸稳定。

特别是可在调整好固定导轨和运动导轨间的相关位置精度后注入涂料。

可节省许多加工时间,特别适用于重型机床和不能用导轨软带的复杂配合型面。

贴塑导轨。

在导轨滑动面上贴一层抗磨的塑料软带,与之相配的导轨滑动面经淬火和磨削加工。

软带以聚四氟乙烯为基材,添加合金粉和氧化物制成。

塑料软带可切成任意大小和形状,用胶粘剂粘贴在导轨基面上由于这类导轨软带用粘贴方法,故称为贴塑导轨。

一般说来,滑动导轨最显著的特点是具有优良的刚性,吸振性（抑制刀具切削时产生的振动）和阻尼性（防止导轨系统启动或停止时的振动）,适宜切削负载大的机床使用。

且成本较低,经济实用[6]。

2.2.2滚动导轨

滚动导轨的特点是:

磨擦系数小,磨擦系数一般在0.0025~0.005的范围内,动、静摩擦系数基本相同,启动阻力小,不易产生冲击,低速运动稳定性好;定位精度高,运动平稳,微量移动准确,磨损小,精度保持性好,寿命长抗振性差,对防护要求高,结构复杂,制造较困难,一般由专业厂制造,成本较高。

滚动导轨尤其是直线滚动导轨,这十几年被大量采用,随着数控机床高速化趋势的出现,而被应用得越广泛。

与滑动导轨不同的是,由于滚动导轨采用了钢球或滚柱作为滚动体,其与导轨的接触特点为点接触或线接触,具有较小的摩擦系数。

又由于滚动导轨在组装过程中施加了一定的预加负荷有较好的导轨的阻尼特性,但这种阻尼特性较之传统滑动导轨的阻尼特性有一定差距。

2.2.3静压导轨

静压导轨是将有一定压力的油液,通过节流器输送到导轨面的油腔中,形成压力油膜浮起运动部件,使导轨工作表面处于纯液体摩擦不产生磨损,精度保持性好,同时摩擦系数也极低,从而使驱动功率大为降低。

此外,静压导轨的运动不受速度和负载的限制,低速无爬行,承载能力大,刚度好;油液有吸振作用,导轨摩擦发热也小,其缺点是结构复杂,需配置一套专门的液压系统作为供油系统,油的清洁度要求高.。

从大型重载机床且要求精度较高的角度看比较实用。

2.3导轨耐磨性

当移动部件沿导轨移动时，要求导轨具有足够的导向精度。

然后移动部件长时间的移动，将会磨损导轨而影响导向精度。

导轨磨损的快慢，取决于下列因素:

导轨材料的杭磨性能，表面是否热处理，两条导轨的平行度、直线度，比压大小，润滑方式等。

采用下述措施可提高导轨的耐磨性:

2.3.1导轨材料的选择

导轨大多用灰铸铁或合金铸铁材料，耐磨性能好，材料中的石墨起着润滑、减磨作用。

一般选用硬度较高的灰铸铁HT200（硬度HB170~241）材料的硬度高，耐磨性也会提高。

2.3.2铸铁导轨工作面淬火处理

经验证明，两偶合件（指滑台面、导轨面）硬度相同，则磨损最厉害所以，滑台面（轨）不应淬火，其硬度可较低，制作与修理也容易，导轨面（凸轨）则应硬度较高，因它的修理比较复杂、成本高。

在市场上销售的各种滑台中，有的凸导轨工作面没有进行热处理，因而滑台工作寿命不长使用滑台的工厂，有条件的可自行设计淬火设备，对凸导轨进行淬火，以提高导轨的耐磨性。

2.3.3导轨面的加工精度与表面光整分析

两组合导轨的加工精度，对耐磨性有很大影响。

当导轨需要刮研加工时，一般用途的导轨每25x25mm面积内，要求不少于10个色点。

导轨的直线性允差每米0.02~0.03mm。

两导轨之间平行度允差每米0.03mm。

导轨工作表面需经磨削或刮研。

2.3.4验算导轨面“比压”

为了提高导轨的耐磨性，必须限制导轨面上的平均压力p（“比压”）。

如果导轨支承面积设计过小，而负载很大，则“比压”就很大，其结果会使导轨表面因油膜破坏而加速磨损一般滑台快进、快退速度　　　V〈10min，则许用“比压”〔p〕=4磨6kg/c。

2.3.5导轨润滑与保护

一般标准滑台上的自动供油器，用户大多闲置不用，因为油液损耗大，且不能回收。

。

现在有的滑台或机床已配置手动供油器，节油明显深受欢迎。

导轨防护罩必不可少。

在自动线机床上广泛配置薄钢板伸缩式防护罩，工作可靠，寿命长，数年不坏。

防护罩型号，规格众多，亦可按需要定做[6]。

2.4三种导轨的性能分析及导轨的选择

机床在制造过程中对导轨的精度要求很高,一般需要经验丰富的工人进行铲刮和调整。

滑动导轨和静压导轨都需要配刮,技术要求高,劳动强度大,效率低。

而直线导轨在连接件（底座、滑鞍、立柱）加工精度较好的情况下,可调整锁紧螺钉和侧面压板来调整精度,技术要求高,相对劳动强度较小,效率较高。

机床在长期的使用过程中一次冲撞也不发生几乎是不可能的,因而除产品设计时要对高速移动部件进行防撞击后可能出现的故障程度予以重点考虑。

一般说来,如果机床移动部件发生冲撞,滚动导轨尤其是直线滚动导轨更容易受到损坏,其损坏形式主要是导轨系统中的滚动体及滚道的表面破损一旦损坏,用户自行修复的可能性极小,只有更换新的。

而滑动导轨和静压导轨则有助于减少或减轻此类损坏,原因是它们的接触面积大承受冲击的能力较强。

现从大型重载机床且要求精度较高的角度看应选用静压导轨[2]。

2.5本章小论

总之无论是设计还是在选用数控机床都应该根据实际情况来选用导轨形式。

高精尖产品宜采用直线导轨,大型重载机床且要求精度较高时可采用直线静压导轨。

第3章静压导轨结构分析

3.1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,使运动件浮起,工作过程中油膜压力随外载荷变化而变化,以平衡作用在导轨上的外负载,在不同速度（包括静止）下都能保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态,从而大大减小了两导轨面作相对运动时的摩擦阻力,减小了拖动导轨运动时的动力消耗,并具有很高的运动精度。

静压导轨的结构形式分为单边式静压导轨、对称式静压导轨（如图3—1和图3—2）。

图3-1　单边式静压导轨

图3-2　对称式静压导轨

单边式静压导轨一般承受垂直的单向负荷,其负荷的方向只能朝油膜厚度减少的方向;对称式静压导轨能承受双向的垂直负荷,其油膜刚度比单边式的好,但制造较复杂。

还有一种对称式静压导轨,除了支承工作台垂直方向的负荷外,又能承受侧面方向的负荷（如图3-3）。

而我们采用的是对称式静压导轨。

图3-3　具侧向承载的对称式静压导轨

3.2静压导轨的优缺点

静压导轨的优点很多,主要有以下几项:

a.静压导轨由于处于完全油膜的纯液体摩擦状态,摩擦系数很低（约0.0005）,驱动功率可大幅度降低;

b.静压导轨的运动不受负荷和速度的限制,低速运动时平稳性好,不会出现爬行现象;

c.液压摩擦的导轨,不易产生磨损,因此可以长期保持导轨的导向精度,提高导轨的使用寿命;

d.液压油具有振动吸收能力,使机床抗振性能良好;

e.静压导轨的承载能力大,刚度大;

f.静压导轨的摩擦热量小,导轨温升及热变形小,可以提高机床的加工精度。

静压导轨的缺点如下:

a.静压导轨的结构复杂,且需一套供给油压设备,因此机床的成本就会提高;

b.静压导轨的油膜厚度比较难以保持恒定[7]。

3.3静压导轨承载能力

设静压导轨油腔中润滑油的压强为p，当它沿封油边向外流出时，压强逐渐降低，与大气相通后，压强降

为零。

假设压强的变化是线性的，则可用式

（1）表明动导轨的受力平衡条件：

（3-1）

（3-2）

式中F—