直線導軌的結構設計〔含轉動導軌〕1導軌的作用和設計要求

當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力〔載荷及運動件本身的重量〕的作用下，沿給定的方向進行直線運動。對導軌的要求如下：

1.一定的導向精度。導向精度是指運動件沿導軌移動的直線性，以及它與有關基面間的相互位置的正確性。

2.運動輕便平穩(wěn)。工作時，應輕便省力，速度均勻，低速時應無爬行現(xiàn)象。

3.良好的耐磨性。導軌的耐磨性是指導軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導軌在使用過程中要磨損，但應使磨損量小，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整。

4.足夠的剛度。運動件所受的外力，是由導軌面承受的，故導軌應有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導軌面寬度，以降低導軌面比壓；設置輔助導軌，以承受外載。

5.溫度變化影響小。應保證導軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。

6.結構工藝性好。在保證導軌其它要求的條件下，應使導軌結構簡單，便于加工、丈量、裝配和調(diào)整，降低本錢。

不同設備的導軌，必須作具體分析，對其提出相應的設計要求。必須指出，上述六點要求是相互影響的。

2導軌設計的主要內(nèi)容

設計導軌應包括以下幾方面內(nèi)容：

1.根據(jù)工作條件，選擇適宜的導軌類型。

2.選擇導軌的截面外形，以保證導向精度。

3.選擇適當?shù)膶к壗Y構及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)。

4.選擇導軌的補償及調(diào)整裝置，經(jīng)長期使用后，通過調(diào)整能保持需要的導向精度。

5.選擇公正的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。

6.制訂保證導軌所必須的技術條件，如選擇適當?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和丈量方法等?/p>

3導軌的結構設計

1.滑動導軌

(1)根本形式〔見圖21-10〕三角形導軌：該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角〔110°～120°〕；為進步導向性，采用較小的頂角〔60°〕。假設導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。

矩形導軌：優(yōu)點是結構簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高；導軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。

燕尾形導軌：燕尾形導軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結構緊湊；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。

圓形導軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉動，可在圓柱外表開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。

(2)常用導軌組合形式

三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導軌為導向面，導向精度較高，而平導軌的工藝性好，因此應用最廣。

這種組合有V-平組合、棱-平組合兩種形式。V-平組合導軌易儲存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。見圖21-11。

圖21-11為使導軌移動輕便省力和兩導軌磨損均勻，驅(qū)動元件應設在三角形導軌之下，或偏向三角形導軌。

矩形和矩形組合：承載面和導向面分開，因而制造和調(diào)整簡單。導向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。見圖

雙三角形導軌：由于采用對稱結構，兩條導軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導向精度高，但工藝性差，四個外表刮削或磨削也難以完全接觸，假設運動部件熱變形不同，也不能保證四個面同時接觸，故不宜用在溫度變化大的場合。

(3〕間隙調(diào)整

為保證導軌正常工作，導軌滑動外表之間應保持適當?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。導軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導軌應有間隙調(diào)整裝置。

矩形導軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調(diào)整它的低面間隙，其方法有：a〕刮研或配磨下壓板的結合面；b〕用螺釘調(diào)整鑲條位置；c〕改變墊片的片數(shù)或厚度；見圖21-13。

在水平方向上，常用平鑲條或斜鑲條調(diào)整它的側面間隙。見圖21-14。

圓形導軌的間隙不能調(diào)整。

圖21-13

圖21-14(4〕夾緊裝置

有些導軌〔如非水平放置的導軌〕在移動之后要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖〔夾〕緊裝置。常用的鎖緊方式有機械鎖緊和液壓鎖緊。見圖21-15。(5〕進步耐磨性措施

導軌的使用壽命取決于導軌的結構、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法，以及使用與維護。進步導軌的耐磨性，使其在較長的時間內(nèi)保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。進步導軌耐磨性的措施有：

1)選擇公正的比壓單位面積上的壓力成為比壓，即

p=P/S〔公斤/厘米2〕

式中P-作用在導軌上的力〔公斤〕

S-導軌的支承面積〔厘米2〕

由上式可知，要減小導軌的比壓，應減輕運動部件的重量和增大導軌支承面的面積。減小兩導軌面之間的中心距，可以減小外形尺寸和減輕運動部件的重量。但減小中心距受到結構尺寸的限制，同時中心距太小，將導致運動不穩(wěn)定。

降低導軌比壓的另一方法，是采用卸荷裝置，即在導軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作用力，以抵消導軌所承受的局部載荷。

2)選擇適宜材料目前常采用的導軌材料有以下幾種：

鑄鐵-導軌與承導件或運動件鑄成一體，其材料常用灰口鑄鐵。它具有本錢低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點。在潤滑和防護良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200較為適宜。適當增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可進步導軌的耐磨性。假設灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用耐磨鑄鐵，如高磷鑄鐵，硬度為HB=180～220，耐磨性能比灰口鑄鐵高一倍左右。假設加進一定量的銅和鈦，成為磷銅鈦鑄鐵，其耐磨性比灰口鑄鐵高兩倍左右。但高磷系鑄鐵的脆性和鑄造應力較大，易產(chǎn)生裂紋，應采用適當?shù)蔫T造工藝。

此外，還可使用低合金鑄鐵及稀土鑄鐵。

鋼-要求較高的或焊接機架上的導軌，常用淬火的合金鋼制造。淬硬的鋼導軌的耐磨性比普通灰鑄鐵高5～10倍。常用的有20Cr鋼滲碳淬火和40Cr高頻淬火。

鋼導軌鑲接的方法有：

螺釘連接，應使螺釘不受剪切；為防止導軌上有孔〔孔內(nèi)積存贓物而加速磨損〕，一般采用倒裝螺釘。結構上不便于從下面伸進螺釘固定時，可采用如圖21-16所示的方法。螺釘固緊后，將六角頭磨平，使導軌上的螺釘孔和螺釘頭之間沒有間隙。用環(huán)氧樹脂膠接，膠接面之間的間隙不超過0.25毫米。膠粘導軌具有一定的膠接剛度和強度，尚有一定的抗沖擊性能，工藝簡單，本錢較低。

塑料-用聚四氟乙烯為基材，添加不同的填充劑作為導軌材料。它具有耐磨、抗振以及動、靜摩擦系數(shù)低〔0.04〕，可消除低速爬行現(xiàn)象，在實際應用中取得良好的效果。

3)熱處理為進步鑄鐵導軌的耐磨性，常對導軌外表進行淬火處理。外表淬火方法有：火焰淬火、高頻淬火和電接觸淬火。

4)潤滑和防護潤滑油能使導軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長導軌的使用壽命。同時，對低速運動，潤滑可以防止"爬行"；對高速運動，可減少摩擦熱，減少熱變形。

導軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動油泵和自動潤滑等。

導軌的防護裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導軌外表，以免使導軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此，在運動導軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護罩，使導軌不過露等方法。

(6)結構尺寸的驗算

1)校核溫度變化對導軌間隙的影響導軌在溫度變化較大的環(huán)境中工作，應在選定精度和配合后，作導軌間隙驗算。為了保證工作時不致卡住，導軌的最小間隙應大于或即是零，即Δmin≥0

導軌的最小間隙用下式計算：

Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)](mm)

式中t-工作溫度〔°C〕

t0-制造時溫度〔°C〕

Dmin-包容件在t0時的最小尺寸〔mm〕

dmax-被包容件在t0時的最大尺寸〔mm〕

αk-包容件材料的線膨脹系數(shù)〔1/°C〕

αz-被包容件材料的線膨脹系數(shù)〔1/°C〕

為保證導向精度，導軌的最大間隙Δmax應小于或即是容許值，即Δmax≤[Δmax]

導軌的最大間隙用下式計算：

Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)](mm)

式中Dmax-包容件在t0時的最大尺寸〔mm〕

dmin-被包容件在t0時的最小尺寸〔mm〕

2)不自鎖條件和導軌間隙計算

當初定導軌的結構形式和尺寸后，應留意作用力的方向和作用點的位置，力求使導軌的傾斜力矩小，否那么使導軌的摩擦力增大，磨損加快，從而降低導軌的靈活性和導向精度，甚至回使導軌卡住。其驗算公式見表21-6。2.轉動導軌

在承導件和運動件之間放進一些轉動體〔滾珠、滾柱或滾針〕，使相配的兩個導軌面不直接接觸的導軌，稱為轉動導軌。

轉動導軌的特點是摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差異小，低速時不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運動均勻平穩(wěn)。因此，轉動導軌在要求微量移動和精確定位的設備上，獲得日益廣泛的運用。

轉動導軌的缺點是：導軌面和轉動體是點接觸或線接觸，抗振性差，接觸應力大，故對導軌的外表硬度要求高；對導軌的外形精度和轉動體的尺寸精度要求高。

(1)結構形式

滾珠導軌-圖示21-17為V-平截面的滾珠導軌、雙V形截面的滾珠導軌和圓形截面滾珠導軌。由于滾珠和導軌面是點接觸，故運動輕便，但剛度低，承載能力小。常用于運動件重量、載荷不大的場合。滾柱〔滾針〕導軌-滾柱導軌中的滾柱與導軌面是線接觸，故它的承載能力和剛度比滾珠導軌大，耐磨性較好，靈活性稍差。如圖21-18，滾柱對導軌的不平度較敏感，輕易產(chǎn)生側向偏移和滑動，而使導軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。滾柱的直徑越大，對導軌的不平度越為敏感。當結構尺寸受限制時，可采用直徑較小的滾柱，這種導軌稱為滾針導軌。

滾柱導軌支承為標準部件，具有安裝、潤滑簡單，調(diào)整防護輕易等優(yōu)點。其結構如圖21-19所示。由于滾柱在封閉的滾道內(nèi)轉動，故可用于行程很大的導軌上。轉動導軌支撐

1-本體2-滾柱3-導向片4-反射器滾柱導軌可采用標準的轉動軸承，裝在偏心軸上，如圖21-20所示，以便于調(diào)整。其偏心量一般取0.2-0.5毫米。2)轉動導軌設計的一般題目

1)結構形式的選擇：轉動導軌按其結構特點，分為開式和閉式兩種。開式轉動導軌用于外加載荷作用在兩條導軌中間，依靠運動件本身重量即可保持導軌良好接觸的場合。閉式導軌那么相反。

滾珠導軌的靈活性最好，結構簡單，制造輕易，但承載能力小，剛度低，常用于精度要求高、運動靈活、輕載的場合。滾柱〔針〕導軌剛度大，承載能力強，但對位置精度要求高。轉動導軌采用標準轉動軸承，結構簡單，制造輕易，潤滑方便。宜用于中等精度的場合。為了增加轉動導軌的承載能力，可施預加載荷。這時剛度大，且沒有間隙，精度相應進步，但阻尼比無預加載荷時大，制造復雜，本錢高。故多用于精密導軌。

2)選擇長度：一般應在滿足導軌運動行程的條件下，盡可能使導軌的長度短一些。

為防止轉動體在行程的極端位置時脫落，運動件的長度應為

L=l+2a+Smax/2

式中L-運動件或承導件的長度，計算時取較短者的長度〔毫米〕；

l-支承點的間隔〔毫米〕；a-在極端位置時的余量；如圖。采用循環(huán)式的轉動導軌支承時，運動件的行程長度不受限制。

轉動體尺寸和數(shù)目：轉動體直徑大，承載能力大，摩擦阻力小。對于滾珠導軌，滾珠直徑增大，剛度增高〔滾柱導軌的剛度與滾柱直徑無關〕。因此，假設不受結構的限制，應有限選用尺寸較大的轉動體。

滾針導軌的摩擦阻力較大，且滾針可能產(chǎn)生滑動。所以盡可能不采用滾針導軌〔特別是滾針直徑小于4毫米時〕。

當轉動體的數(shù)目增加時，導軌的承載能力和剛度也增加。但轉動體的數(shù)目不宜太多，過多會增加載荷在轉動體上分布的不均勻性，剛度反而下降。假設轉動體數(shù)目太少，制造誤差將會明顯地影響運動件的導向精度。一般在一個轉動帶回上，轉動體的數(shù)目最少為12個。經(jīng)驗說明：運動部件的重量，使?jié)L柱單位長度上的載荷q≥4公斤/厘米時；對于滾珠導軌，在每個滾珠上的載荷為p≥3〔d〕1/2公斤時，〔d為滾珠直徑，毫米〕，載荷的分布比擬均勻。

在滾柱導軌中，增加滾柱的長度，可減小接觸應力和增大剛度，但載荷分布的不均勻性也增大。對于鋼制摸削導軌，滾柱導軌和直徑之比l/d<1.5，對于鑄鐵導軌，l/d可增大些〔滾柱直徑一般不小于6毫米，滾針直徑不小于4毫米〕。

3)轉動導軌剛度及預緊方法：如下圖，a)當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端轉動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的轉動體變形大，受力小的轉動體變形小。當導軌在位置Ⅰ時，兩端轉動體受力相等，工作臺保持水平；當導軌移動到位置Ⅱ或Ⅲ時，兩端轉動體受力不相等