导向支撑部件的选择与设计1课件

第五节 导向支承部件的选择与设计一.导轨副的组成、种类及其应满足的要求二.滑动导轨副的结构及选择三.滚动导轨副的类型与选择四.静压导轨副工作原理1 一一.导轨副的组成、种类及其应满足的要求导轨副的组成、种类及其应满足的要求 1.作用：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的运动通常被称为导轨副，简称导轨。运动方向为直线的被称为直线运动导轨副；运动方向为回转的被称为回转运动导轨副。2.组成：导轨副主要由承导件 1 和运动件 2 组成。如右图所示。23.种类：常用的导轨副可按摩擦性质和结构特点分类。按摩擦性质分为：（1）滑动导轨：两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。（2）滚动导轨：两导轨导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等。（3）气(液)体导轨：导轨的运动件与导向支承件之间充压力油或气。按结构特点分：（1）开式导轨：借助重力或弹簧弹力保证运动件和承载面接触。（2）闭式导轨：靠导轨本身形状保证运动件和承载面接触。3常用导轨副的结构原理454.导轨的基本要求（6项）：(1)导向精度高 (2)刚度好 (3)运动轻便平稳 (4)耐磨性好 (5)温度变化影响小 (6)工艺性好6（1）导向精度高：导轨按给定方向运动的准确程度要高。影响因素：导轨的结构类型、导轨的几何精度、接触精度、导轨的配合间隙、油膜厚度和油膜刚度、导轨和基础件的刚度和热变形等。对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面和运动面严格分开；当运动件较重时必须设有卸荷装置，运动件的支撑，必须符合三点定位的原理。7几何精度：导轨在水平、垂直平面内的直线度 两导轨面间的平行度8(2)刚度好：导轨抵抗载荷的能力强。在恒定载荷作用下，导轨刚度一般有自身、局部和接触三种刚度；可用加大尺寸、添加辅助导轨或施加预载荷等方法提高刚度；(3)运动轻便平稳：工作时轻便省力，低速时无爬行现象（其主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统刚性不足）。9 左图丝杆在低速运行时(如0.05)，往往不是作连续的匀速运动而是时走时停，这就是爬行现象，右图将传动系统和摩擦副简化为弹簧-阻尼系统，来解释爬行现象。1-主动件；2-弹簧-阻尼；3-运动件；4-静导轨 为防止爬行现象的出现，可采用滚动导轨、静压导轨、贴塑料层导轨等或在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；提高传动系统的刚度。10(4)耐磨性好：导轨在长时间使用后，仍能保持一定导向精度的能力；主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等；为此需要对导轨进行正确的润滑与保护。(5)温度变化影响小：导轨在环境温度变化的情况下仍能正常工作，既不卡死，也不影响系统的精度；导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择；(6)工艺性好：结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便。115.导轨副的设计内容(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低速平稳性；125.导轨副的设计内容（续）(4)选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持所需要的导向精度；(5)选择合理的耐磨涂料、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)制订保证导轨正常工作所必需的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。13二二.滑动导轨副的结构及选择滑动导轨副的结构及选择1.滑动导轨副的截面形状及其特点常见的导轨截面形状，有三角形(分对称、不对称两类)、矩形、燕尾形及圆形四种。14（1）三角形导轨特点*承载面与导向面重合，在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，导向精度较高；*截面角度在9030度范围内变化，越小，导向精度越高，但摩擦力也越大*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；*缺点是导轨水平与垂直方向误差相互影响，工艺性差，制造、检验和修理困难。15（2）矩形导轨特点：*导向精度没有三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，须有调整间隙装置；*承载面（顶面）与导向面（侧面）分开，精度保持性好；*导轨面较宽，承载能力大，刚度大；*水平和垂直方向的位置各不相关，安装、调整、制造、检验和修理方便。16（3）燕尾形特点*导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可调节水平与垂直方向的间隙；*高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩；*刚度较差，摩擦力较大；*制造、检验和维修都不方便；*用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。17（4）圆形特点*磨损后很难调整和补偿间隙；*制造方便，外圆采用磨削，内孔经过珩磨，可达到精密配合；*圆柱导轨用于承受轴向载荷的场合；*圆柱形导轨有两个自由度，适用于同时作直线运动和转动的地方。若要限制转动。可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。182.滑动导轨副的组合形式（1）双三角形导轨组合 （2）双矩形组合 （3）三角形矩形组合（4）三角形平面导轨组合 （5）燕尾形矩形导轨组合19（1）双三角形导轨组合特点*这种组合突出了三角形导轨的优缺点，导向精度高，能自动补偿垂直和水平方向的磨损；*但工艺性差，四个面很难同时接触，多用于高精度机械。1-三角形导轨；2型导轨；3-压板 20（2）双矩形组合特点*侧面导向有两种组合：宽式组合（图a）和窄式组合(图b、c)。*宽式组合两导向侧面间的距离大，热变形大，要求间隙大，因而导向精度低，但承载能力大；*窄式组合间距较小，加工测量方便，容易获得较高的平行度，热变形小，可选用较小的间隙，因而导向精度高，但可能被“卡死”。1-1-承载面承载面 ；2-2-导向面；导向面；3-3-辅助导轨面辅助导轨面21（3）三角形矩形组合特点*导向性优于矩形导轨，承载能力优于三角形导轨，工艺性介于二者之间。*若两条导轨上的载荷相等，摩擦力不等使导轨磨损不均匀。一般是三角形导轨比矩形导轨磨损快，磨损后又不能通过调节来补偿；*牵引力应与导轨的摩擦阻力的合力在同一直线上，以免产生力矩，影响运动件的导向精度和运动的灵活性；*闭合导轨有压板面，能承受颠覆力矩。22（4）三角形平面导轨组合特点：*具有三角形和矩形组合导轨的基本特点；*不能承受颠覆力矩，只能用于受力向下的场合。23（5）燕尾形导轨及其组合：兼有调整方便和承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱和摇臂等导轨。243.滑动导轨副间隙调整 导轨正常工作需载导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整。常用方法有：压板调整、平镶条调整、斜镶条调整。25（1）压板调整 如下图，可修刮压板 1 来调整矩形导轨的间隙。矩形导轨垂直方向间隙的调整1-压板；2-接合面；3-调整螺钉；4-调整垫片26（2）平镶条调整 图为采用平镶条调整导轨间隙的结构。平镶条横截面积可为平行四边形或矩形。调整沿平镶条全长均匀分布的若干螺钉使间隙适当，再用螺母锁紧；由于全长上只有若干螺钉点受力，容易产生挠度变形，刚性差；制造方便，设计时加大镶条厚度，缩短螺钉之间距离。27（3）斜镶条调整 图c采用两根斜镶条，图b采用一根斜镶条；调整时拧动两端螺钉，使斜镶条纵向移动来调整间隙。为了缩短斜镶条的长度，一般将镶条放在移动件上。镶条两侧面与导轨面全部接触，故刚性好，但斜镶条必须加工成斜形，因此制造困难。284.导轨副材料的选择 导轨常用材料：（1）铸铁（2）钢（3）有色金属（4）塑料 常使用铸铁-铸铁、铸铁-钢的导轨。29（1）铸铁 铸铁具有良好的耐磨性、减振性和工艺性，常用的铸铁有：灰铸铁：一般选择200，硬度在180200，用于中等精度、低速导轨。高磷铸铁：包括含磷量为0.3以上的高磷铸铁，耐磨性能比200约高一倍；磷铜钛铸铁，其耐磨性能比200约高二倍；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能。孕育铸铁：把硅、铝孕育剂加入铁水而得，常用的为300，耐磨性高于灰铸铁。30（2）钢 为了提高导轨的耐磨性，可以采用淬硬的钢导轨。淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬钢导轨的耐磨性比不淬硬铸铁导轨高510倍；一般要求的导轨，常用的钢有45钢、40、T8A、T10A、5、5等。要求高的导轨，常采用的钢有20、20、15号等。31（3）有色金属 常用的有色金属有黄铜59，锡青铜6-6-3，铝青铜9-2和锌合金10-5，超硬铝4、铸铝Z16等。铝青铜成本高，性能好；锌合金成本较低，性能也稍差。32（4）塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性高，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200260)，抗撕伤能力强，摩擦系数小，化学稳定性好，工艺简单，成本低等优点。缺点是压缩变形大，易蠕变。常用的材料有锦纶和酚醛夹布塑料、环氧树脂耐磨涂料、聚四氟乙烯等。贴塑导轨软带金属塑料复合导轨板塑料涂层33贴塑导轨软带 这种导轨软带是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成。图为某加工中心工作台的横剖面图，其中作为移动部件的工作台导轨各面（包括下压板和镶条）都粘有塑料导轨软带。34塑料导轨软带通常采用粘结材料将其贴在所需处35金属塑料复合导轨板 金属塑料复合导轨板分三层，如图所示。内层钢背保证导轨板的机械强度和承载能力。钢背上镀铜烧结球形青铜粉或铜丝网形成多孔中间层，以提高导轨板的导热性，然后用真空浸渍的方法使塑料进入孔或网中。当青铜与配合面摩擦发热时，由于塑料的膨胀系数远大于金属，因而塑料将从多孔层的孔隙中挤出，向摩擦表面转移补充，形成厚约0.010.05的自润滑塑料层。这种复合导轨板的特点是摩擦特性优良。36塑料涂层 摩擦副的两配对表面中，若只有一个摩擦面磨损严重，则可把磨损部分切除，涂敷配置好的胶状塑料涂层，利用模具或另一摩擦表面使涂层成形，固化后的塑料涂层即成为摩擦副中配对面之一。此法不仅可用于各种摩擦副的修理，也可用于设备改装中改善导轨运动特性，特别是低速运动平稳性，还可用于新产品设计。注入塑料涂层材料可以免去大量刮研工作量。374导轨副材料的选择 当然，为了提高导轨的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。即使采用相同的材料，也应采用不同的热处理，以使动、静导轨的硬度不同。5提高导轨副耐磨性的措施（1）采用镶装导轨(镶钢导轨、镶塑料导轨和镶有色金属导轨)；（2）提高精度、改善表面粗糙度；（3）减小比压（减轻运动部件重量增大导轨副接触面积）。38391.直线运动滚动导轨副的特点及要求（1）特点优点：*摩擦系数小(0.003-0.005)，运动灵活；*动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行；*可以预紧,刚度高，抗振性强；*寿命长，使用耐磨材料制作，精度保持性好；*精度高，运动平稳；*润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；三三.滚动导轨副的结构及选择滚动导轨副的结构及选择40缺点：*导轨面与滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大；*结构复杂，制造困难，成本较高；（2）要求*导向精度高；*耐磨性好；*运动轻便平稳；*刚度好；*温度变化影响小；*工艺性好。41（2）要求1)导向精度。导向精度是导轨副最基本的性能指标。移动件在沿导轨运动时，不论有无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。这是保证机床运行工作质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度、垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。2)耐磨性。导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要失效形式是磨损，因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。3)刚度。为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。4)工艺性。导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。422.常用滚动导轨副的分类43（1）滚动体不循环形式 因为滚动体不循环，行程不能太长。结构简单，制造容易，有时间隙调整困难，滚动体有滚珠、滚柱和滚针等形式。1-1-动导轨；动导轨；2-2-滚珠；滚珠；3-3-定导轨；定导轨；4-4-滚柱；滚柱；5-5-滚针滚针44特点：*滚珠式：摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低；经常工作的滚珠接触部位，容易压出凹坑，适用于载荷不超过200N的小型部件；*滚柱式：承荷能力比滚珠导轨副高近10倍，刚度高；但对导轨面的平行度误差比较敏感，容易侧向偏移，引起磨损加剧；*滚针式：与滚柱式特点相同，结构尺寸受限制时选用。45应用实例 下图分别为几种滚动体不循环的导轨在轻载、中载和重载下的应用。a为三角-平面组合滚珠导轨，b为双三角组合滚珠导轨，c为双三角交叉滚柱导轨。46（2）滚动体循环 运行过程中滚动体沿着自己的循环通道自动循环，因而行程不受限制。滚动导轨副滚动导轨副47 滚动导轨块 48 标准直线滚动导轨副及其间隙调整1-1-定导轨定导轨 ；2-2-机身；机身；3-3-运动件；运动件；4-4-动导轨；动导轨；5-5-调整螺钉调整螺钉 ；6-6-塞块；塞块；7-7-偏心调整销轴偏心调整销轴 图中a的间隙用固定螺钉5调整，精度和刚度较低；b的间隙用塞块6来调整，精度和刚度均较高；c的间隙用偏心销轴7来调整。49（3）滚动轴承导轨副 结构特点：*它不仅起着滚动体的作用，而且还代替了导轨；*用作导轨的滚动轴承是内环固定，外环旋转，标准轴承相反。且轴承内外环比标准轴承厚，如下图所示；*精度更高，需专门制造。50 图示为一能承受载荷垂直载荷、水平载荷F与颠覆力矩T的液体静压导轨原理图。当工作台受垂直力作用而下降时，使间隙h1、h2减小，h3、h4增大，则流经节流器1、2的流量减小，使油腔压力p1、p2升高；而流经节流器3、4的流量增大，p3、p4降低。四个油腔所产生的向上的支承合力与力达到平衡状态，使工作台稳定在新的平衡位置。四四.静压导轨副工作原理静压导轨副工作原理51 同理，当导轨受水平载荷和颠覆力矩时也可做类似分析。要提高静压导轨的刚度，可提高供油(或气)的系统压力p，加大油(气腔)受力面积，减小导轨间隙。要提高静压导轨的导向精度，必须提高导轨表面加工的几何精度和接触精度，进入节流器的精滤过的油液中的杂质微粒的最大尺寸应小于导轨间隙。52