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機(jī)械設(shè)計(jì) 第十八章 直線(xiàn)導(dǎo)軌 第一節(jié)概述第二節(jié)滑動(dòng)導(dǎo)軌第三節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌 返回章目錄 第一節(jié)概述 直線(xiàn)導(dǎo)軌的作用是支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件按給定的方向作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件形成一對(duì)導(dǎo)軌副 設(shè)在支承部件2上的配合面稱(chēng)為靜導(dǎo)軌 設(shè)在運(yùn)動(dòng)部件1上的配合面稱(chēng)為動(dòng)導(dǎo)軌 具有動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)部件常稱(chēng)為工作臺(tái) 滑臺(tái) 滑板 導(dǎo)靴 頭架等 按摩擦性質(zhì)分 一 導(dǎo)軌的分類(lèi) 滑動(dòng)導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)執(zhí)動(dòng)壓導(dǎo)軌普通滑動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾珠導(dǎo)軌滾柱導(dǎo)軌滾針導(dǎo)軌滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)是滑動(dòng)摩擦 兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)是滾動(dòng)摩擦 按受力情況分 必須借助于外力才能保證動(dòng) 靜導(dǎo)軌面間的接觸 開(kāi)式導(dǎo)軌 閉式導(dǎo)軌 依靠導(dǎo)軌本身的幾何形狀保證動(dòng) 靜導(dǎo)軌面間的接觸 導(dǎo)向精度指運(yùn)動(dòng)部件按給定方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確程度 精度保持性指導(dǎo)軌在工作過(guò)程中保持原有幾何精度的能力 運(yùn)動(dòng)精度包括低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 無(wú)爬行 定位準(zhǔn)確 足夠的剛度在載荷的作用下 導(dǎo)軌的變形不應(yīng)超過(guò)允許值 結(jié)構(gòu)工藝性好導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單 便于制造 檢驗(yàn)和調(diào)整 從而降低成本 具有良好的潤(rùn)滑和防護(hù)裝置 二 導(dǎo)軌的基本要求 根據(jù)機(jī)器的工作條件 性能特點(diǎn) 精度要求 選擇導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 導(dǎo)軌截面形狀 進(jìn)行導(dǎo)軌的力學(xué)計(jì)算 確定結(jié)構(gòu)尺寸 確定導(dǎo)軌副的間隙 公差和加工精度 選擇導(dǎo)軌材料 摩擦面硬度匹配 表面精加工和熱處理方法 選擇導(dǎo)軌的預(yù)緊載荷 設(shè)計(jì)預(yù)緊載荷的加載方式與裝置 選擇導(dǎo)軌面磨損后的補(bǔ)償方式和調(diào)整裝置 選擇導(dǎo)軌的潤(rùn)滑方式 設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)和防護(hù)裝置 三 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)程序及內(nèi)容 第二節(jié)滑動(dòng)導(dǎo)軌 滑動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng) 靜導(dǎo)軌面直接接觸 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 接觸剛度大 缺點(diǎn)是摩擦阻力大 磨損快 低速運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象 1 導(dǎo)軌截面的基本形式 一 滑動(dòng)導(dǎo)軌的類(lèi)型 特點(diǎn)及應(yīng)用 V形導(dǎo)軌 導(dǎo)軌磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償 故導(dǎo)向精度較高 它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定 一般為90 矩形導(dǎo)軌 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造 檢驗(yàn)和修理較易 矩形導(dǎo)軌可以做得較寬 因而承載能力和剛度較大 應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn)是磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙 用鑲條調(diào)整時(shí) 會(huì)降低導(dǎo)向精度 燕尾形導(dǎo)軌 主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊 調(diào)整間隙方便 缺點(diǎn)是幾何形狀比較復(fù)雜 難于達(dá)到很高的配合精度 并且導(dǎo)軌中的摩擦力較大 運(yùn)動(dòng)靈活性較差 因此 通常用在結(jié)構(gòu)尺寸較小及導(dǎo)向精度與運(yùn)動(dòng)靈活性要求不高的場(chǎng)合 圓形導(dǎo)軌 圓形導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌面的加工和檢驗(yàn)比較簡(jiǎn)單 易于獲得較高的精度 缺點(diǎn)是導(dǎo)軌間隙不能調(diào)整 特別是磨損后間隙不能調(diào)整和補(bǔ)償 閉式圓形導(dǎo)軌對(duì)溫度變化比較敏感 為防止轉(zhuǎn)動(dòng) 可在圓柱表面開(kāi)槽或加工出平面 開(kāi)槽制出平面 雙V形組合 兩條導(dǎo)軌同時(shí)起著支承和導(dǎo)向作用 故導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度高 承載能力大 兩條導(dǎo)軌磨損均勻 磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償間隙 精度保持性好 但這種導(dǎo)軌的制造 檢驗(yàn)和維修都比較困難 因?yàn)樗笏膫€(gè)導(dǎo)軌面都均勻接觸 刮研勞動(dòng)量較大 此外 這種導(dǎo)軌對(duì)溫度變化比較敏感 2 常用導(dǎo)軌的組合形式 一條導(dǎo)軌往往不能承受力矩載荷 故通常都采用兩條導(dǎo)軌來(lái)承受載荷和進(jìn)行導(dǎo)向 常用滑動(dòng)導(dǎo)軌的組合形式有 V形和平面形組合 這種組合保持了雙V形組合導(dǎo)向精度高 承載能力大的特點(diǎn) 避免了由于熱變形所引起的配合狀況的變化 且工藝性比雙V形組合導(dǎo)軌大為改觀 因而應(yīng)用很廣 缺點(diǎn)是兩條導(dǎo)軌磨損不均勻 磨損后不能自動(dòng)調(diào)整間隙 矩形和平面形組合 承載能力高 制造簡(jiǎn)單 間隙受溫度影響小 導(dǎo)向精度高 容易獲得較高的平行度 側(cè)導(dǎo)向面間隙用鑲條調(diào)整 側(cè)向接觸剛度較低 雙矩形組合 特點(diǎn)與矩形和平面形組合相同 但導(dǎo)向面之間的距離較大 側(cè)向間隙受溫度影響大 導(dǎo)向精度較矩形和平面形組合差 燕尾形和矩形組合 能承受傾覆力矩 用矩形導(dǎo)軌承受大部分壓力 用燕尾形導(dǎo)軌作側(cè)導(dǎo)向面 可減少壓板的接觸面 調(diào)整間隙簡(jiǎn)便 V形和燕尾形組合 組合成閉式導(dǎo)軌的接觸面較少 便于調(diào)整間隙 V形導(dǎo)軌起導(dǎo)向作用 導(dǎo)向精度高 加工和測(cè)量都比較復(fù)雜 雙圓形組合 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 圓柱面既是導(dǎo)向面又是支承面 對(duì)兩導(dǎo)軌的平行度要求嚴(yán) 導(dǎo)軌剛度較差 磨損后不易補(bǔ)償 圓形和矩形組合 矩形導(dǎo)軌可用鑲條調(diào)整 對(duì)圓形導(dǎo)軌的位置精度要求較雙圓形組合要求低 二 導(dǎo)軌間隙的調(diào)整 為了保證導(dǎo)軌正常工作 導(dǎo)軌滑動(dòng)表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙 間隙過(guò)小會(huì)增大摩擦力 間隙過(guò)大又會(huì)降低導(dǎo)向精度 為此常采用鑲條和壓板來(lái)調(diào)整導(dǎo)軌的間隙 平鑲條 1 鑲條 楔形鑲條 2 壓板 a 用磨或刮壓板的結(jié)合面來(lái)調(diào)整 b 用改變墊片的厚度來(lái)調(diào)整 三 滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 1 壓強(qiáng)驗(yàn)算 導(dǎo)軌的失效形式主要是磨損 而導(dǎo)軌的磨損又與導(dǎo)軌表面的壓強(qiáng)密切相關(guān) 1 導(dǎo)軌面上的壓強(qiáng) 假設(shè) 導(dǎo)軌本身剛度大于接觸剛度 只考慮接觸變形對(duì)壓強(qiáng)的影響 接觸變形和壓強(qiáng)沿導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向線(xiàn)性分布 沿導(dǎo)軌寬度方向均勻分布 當(dāng)導(dǎo)軌面上作用有法向力F和傾覆力矩M時(shí) 最大壓強(qiáng) 最小壓強(qiáng) 平均壓強(qiáng) 2 導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng) 當(dāng)M FL 1 6時(shí) 主導(dǎo)軌面上的最小壓強(qiáng)為正 可以用開(kāi)式導(dǎo)軌 這時(shí) 主導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng)用前式計(jì)算 即 當(dāng)M FL 1 6時(shí) 主導(dǎo)軌面上的最小壓強(qiáng)為負(fù) 應(yīng)采用輔助導(dǎo)軌面和壓板 此種情況下 主導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng)可按下式計(jì)算 當(dāng)導(dǎo)軌上只有傾覆力矩作用時(shí) F 0 考慮間隙 剛度的影響 取 式中 Km為考慮壓板和輔助導(dǎo)軌面的影響系數(shù) 見(jiàn)圖18 10 為間隙影響系數(shù) 見(jiàn)圖18 11 a 系數(shù)Km 根據(jù)參數(shù)m按表18 2選取 KD 系數(shù)根據(jù)參數(shù)m和按圖18 11 b 選取 3 輔助導(dǎo)軌面上的壓強(qiáng) 當(dāng)導(dǎo)軌面上作用有法向力F和傾覆力矩M時(shí) 輔助導(dǎo)軌面最大壓強(qiáng)可按下式計(jì)算 式中 pmax是主導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng) K 是系數(shù) 其值見(jiàn)圖18 12 當(dāng)導(dǎo)軌面上只作用有傾覆力矩M時(shí) 輔助導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng)可按下式計(jì)算 式中系數(shù)K 查表18 2 4 許用壓強(qiáng) 為了保證導(dǎo)軌有足夠的耐磨性 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí) 應(yīng)使導(dǎo)軌面上的平均壓強(qiáng)不超過(guò)許用平均壓強(qiáng) 最大壓強(qiáng)不超過(guò)許用最大壓強(qiáng) 即 不同工作條件下導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng)值不同 鑄鐵導(dǎo)軌的許用平均壓強(qiáng)和許用最大壓強(qiáng)見(jiàn)表18 3 鋼導(dǎo)軌可將表中數(shù)值提高20 30 2 運(yùn)動(dòng)部件不被卡住的條件 保證運(yùn)動(dòng)部件不被卡住的條件是 當(dāng)d L很小時(shí) 上式fVd L項(xiàng)可略去 則有 當(dāng)H 0時(shí) 即驅(qū)動(dòng)力F的作用點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)部件的軸線(xiàn)上 可得運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)動(dòng)的條件為 為了保證運(yùn)動(dòng)靈活 建議設(shè)計(jì)時(shí)取 當(dāng)H及a均為零時(shí) 即驅(qū)動(dòng)力F通過(guò)運(yùn)動(dòng)件軸線(xiàn) 可得F Fa 此時(shí)驅(qū)動(dòng)力不會(huì)產(chǎn)生附加的摩擦力 導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)靈活性最好 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求符合這種情況 當(dāng)a 0時(shí) 即驅(qū)動(dòng)力F平行于運(yùn)動(dòng)部件軸線(xiàn) 可得 3 導(dǎo)軌主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 增大動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度L 有利于提高導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度和運(yùn)動(dòng)靈活性 但卻使運(yùn)動(dòng)部件的尺寸和重量加大 因此 設(shè)計(jì)時(shí)一般取L 1 2 1 8 a 其中a為兩導(dǎo)軌之間的距離 如結(jié)構(gòu)允許 則可取L a 靜導(dǎo)軌的長(zhǎng)度則主要取決于動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度及工作行程 導(dǎo)軌的主要尺寸有動(dòng)導(dǎo)軌L和靜導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 導(dǎo)軌寬度b 兩導(dǎo)軌之間的距離a等 導(dǎo)軌寬度b可根據(jù)導(dǎo)軌面上的壓強(qiáng)不超過(guò)許用壓強(qiáng)的條件求出 兩導(dǎo)軌之間的距離a減小 則導(dǎo)軌尺寸減小 但導(dǎo)軌穩(wěn)定性變差 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證導(dǎo)軌工作穩(wěn)定的前提下 減小兩導(dǎo)軌之間的距離 四 提高導(dǎo)軌耐磨性的措施 合理選擇導(dǎo)軌的材料及熱處理 減小導(dǎo)軌面壓強(qiáng) 保證導(dǎo)軌良好的潤(rùn)滑和防護(hù) 提高導(dǎo)軌的精度 第三節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌是在運(yùn)動(dòng)部件和支承部件之間放置滾動(dòng)體 滾珠 滾柱 滾動(dòng)軸承等 使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài) 與滑動(dòng)導(dǎo)軌比較 滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是 摩擦系數(shù)小 并且靜 動(dòng)摩擦系數(shù)之差很小 故運(yùn)動(dòng)靈便 不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 導(dǎo)向和定位精度高 且精度保持性好 磨損較小 壽命長(zhǎng) 潤(rùn)滑簡(jiǎn)便 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 加工比較困難 成本較高 對(duì)臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感 滾珠導(dǎo)軌 一 滾動(dòng)導(dǎo)軌的類(lèi)型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 滾柱導(dǎo)軌 e 滾針導(dǎo)軌 十字交叉滾柱導(dǎo)軌 滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌 按導(dǎo)軌承受載荷種類(lèi)的能力 滾動(dòng)導(dǎo)軌分為開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌 按滾動(dòng)體是否循環(huán) 滾動(dòng)導(dǎo)軌分為循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌和非循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌 非循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌通常稱(chēng)為滾動(dòng)導(dǎo)軌 而把循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌稱(chēng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支承 二 滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊 采用過(guò)盈裝配形成預(yù)加載荷 用移動(dòng)導(dǎo)軌板的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)緊 三 導(dǎo)軌主要參數(shù)的確定 1 導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 靜導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 2 滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)量 增大滾動(dòng)體直徑 可以減小摩擦系數(shù)和接觸應(yīng)力 不易產(chǎn)生滑動(dòng) 若采用滾柱 推薦其直徑d 6 8mm 滾柱的長(zhǎng)徑比b d 1 5 2 0 滾動(dòng)體的數(shù)量取決于導(dǎo)軌的長(zhǎng)度和剛度條件 每一條導(dǎo)軌上一般不少于12 16個(gè) 若數(shù)量過(guò)多 會(huì)因制造誤差引起載荷分布不均勻 推薦取 滾珠數(shù)量 滾柱數(shù)量 上兩式中 F為每條導(dǎo)軌所承受的載荷 N d為滾珠直徑 mm b為滾柱長(zhǎng)度 mm 3 導(dǎo)軌強(qiáng)度計(jì)算 滾動(dòng)導(dǎo)軌受力圖 按接觸區(qū)不產(chǎn)生塑性變形計(jì)算導(dǎo)軌面的靜強(qiáng)度 強(qiáng)度條件為 作用于一個(gè)滾動(dòng)體上的許用載荷 F 由下式求得 對(duì)滾珠導(dǎo)軌 對(duì)滾柱導(dǎo)軌 式中 d為滾珠或滾柱直徑 mm b為滾柱長(zhǎng)度 mm K1為材料系數(shù) MPa 按表18 4選取 K2為硬度系數(shù) 按表18 5選取 K3為精度系數(shù) 按表18 6選取 4 接觸變形 對(duì)滾珠導(dǎo)軌 對(duì)滾柱導(dǎo)軌 上兩式中 F為一個(gè)滾珠上的載荷 N F1為一個(gè)滾柱單位長(zhǎng)度上的載荷 N mm k為滾珠導(dǎo)軌的接觸剛度系數(shù) N mm 按圖18 21 a 選取 k1為滾珠導(dǎo)軌的接觸剛度系數(shù) N mm mm 按圖18 21 b 選取 5 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選用計(jì)算 1 額定壽命計(jì)算 式中 L為額定壽命 km C為基本額定動(dòng)載荷 kN 從樣本中查取 Pd當(dāng)量動(dòng)載荷 kN 為壽命指數(shù) 當(dāng)滾動(dòng)體為球時(shí) 3 當(dāng)滾動(dòng)體為滾子時(shí) 10 3 K為額定壽命單位 當(dāng)滾動(dòng)體為球時(shí) K 50km 當(dāng)滾動(dòng)體為滾子時(shí) K 100km fh為硬度系數(shù) 按圖18 23選取 通常滾道硬度不低于58HRC 故可取fh 1 ft為溫度系數(shù) 按表18 7選取 fc為接觸系數(shù) 按表18 8選取 fa為精度系數(shù) 按表18 9選取 fw為載荷系數(shù) 按表18 10選取 2 額定靜載荷 式中 C0為額定靜載荷 kN 從樣本中查取 P0為靜載荷或沖擊載荷 kN fs為靜態(tài)安全系數(shù) 按表18 11選取 四 滾動(dòng)導(dǎo)軌的材料和熱處理 對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌材料的主要要求是硬度高 性能穩(wěn)定以及良好的加工性能 滾動(dòng)體的材料一般采用滾動(dòng)軸承鋼 GCrl5 淬火后硬度可達(dá)到60 66HRC 常用的導(dǎo)軌材料 低碳合金鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 氮化鋼 鑄鐵 本章結(jié)束