導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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. 直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(含轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌) 1 導(dǎo)軌的作用和設(shè)計要求 當(dāng)運動件沿著承導(dǎo)件作直線運動時,承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)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(dǎo)軌的要求如下: 1.一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運動件沿導(dǎo)軌移動的直線性,以及它與有關(guān)基面間的相互位置的正確性。 2.運動輕便平穩(wěn)。工作時,應(yīng)輕便省力,速度均勻,低速時應(yīng)無爬行現(xiàn)象。 3.良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后,能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過程中要磨損,但應(yīng)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(dǎo)軌面承受的,故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此,常用加大導(dǎo)軌面寬度,以降低導(dǎo)軌面比壓;設(shè)置輔助導(dǎo)軌,以承受外載。 5.溫度變化影響小。應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下,仍能正常工作。 6.結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的條件下,應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單,便于加工、丈量、裝配和調(diào)整,降低本錢。 不同設(shè)備的導(dǎo)軌,必須作具體分析,對其提出相應(yīng)的設(shè)計要求。必須指出,上述六點要求是相互影響的。 2 導(dǎo)軌設(shè)計的主要內(nèi)容 設(shè)計導(dǎo)軌應(yīng)包括下列幾方面內(nèi)容: 1.根據(jù)工作條件,選擇合適的導(dǎo)軌類型。 2.選擇導(dǎo)軌的截面外形,以保證導(dǎo)向精度。 3.選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)向精度。 5.選擇公道的潤滑方法和防護裝置,使導(dǎo)軌有良好的工作條件,以減少摩擦和磨損。 6.制訂保證導(dǎo)軌所必須的技術(shù)條件,如選擇適當(dāng)?shù)牟牧?,以及熱處理、精加工和丈量方法等? 3 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. 滑動導(dǎo)軌 (1) 基本形式(見圖21-10) 三角形導(dǎo)軌:該導(dǎo)軌磨損后能自動補償,故導(dǎo)向精度高。它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定,一般為90。為增加承載面積,減小比壓,在導(dǎo)軌高度不變的條件下,采用較大的頂角(110~120);為進步導(dǎo)向性,采用較小的頂角(60)。假如導(dǎo)軌上所受的力,在兩個方向上的分力相差很大,應(yīng)采用不對稱三角形,以使力的作用方向盡可能垂直于導(dǎo)軌面。 矩形導(dǎo)軌:優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,制造、檢驗和修理方便;導(dǎo)軌面較寬,承載力較大,剛度高,故應(yīng)用廣泛。但它的導(dǎo)向精度沒有三角形導(dǎo)軌高;導(dǎo)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(dǎo)軌:燕尾形導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(zhuǎn)動,可在圓柱表面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(dǎo)軌組合形式 三角形和矩形組合:這種組合形式以三角導(dǎo)軌為導(dǎo)向面,導(dǎo)向精度較高,而平導(dǎo)軌的工藝性好,因此應(yīng)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(dǎo)軌易儲存潤滑油,低、高速都能采用;棱-平組合導(dǎo)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(dǎo)軌移動輕便省力和兩導(dǎo)軌磨損均勻,驅(qū)動元件應(yīng)設(shè)在三角形導(dǎo)軌之下,或偏向三角形導(dǎo)軌。 矩形和矩形組合:承載面和導(dǎo)向面分開,因而制造和調(diào)整簡單。導(dǎo)向面的間隙用鑲條調(diào)整,接觸剛度低。見圖 雙三角形導(dǎo)軌:由于采用對稱結(jié)構(gòu),兩條導(dǎo)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(dǎo)向精度高,但工藝性差,四個表面刮削或磨削也難以完全接觸,假如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(dǎo)軌正常工作,導(dǎo)軌滑動表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小,會增加摩擦阻力;間隙過大,會降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證,要廢很大的勞動量,而且導(dǎo)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(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。 矩形導(dǎo)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(jié)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(cè)面間隙。見圖21-14。 圓形導(dǎo)軌的間隙不能調(diào)整。 圖21-13 圖21-14 (4)夾緊裝置 有些導(dǎo)軌(如非水平放置的導(dǎo)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(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法,以及使用與維護。進步導(dǎo)軌的耐磨性,使其在較長的時間內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度,就能延長設(shè)備的使用壽命。進步導(dǎo)軌耐磨性的措施有: 1)選擇公道的比壓 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(dǎo)軌上的力(公斤) S-導(dǎo)軌的支承面積(厘米2) 由上式可知,要減小導(dǎo)軌的比壓,應(yīng)減輕運動部件的重量和增大導(dǎo)軌支承面的面積。減小兩導(dǎo)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(jié)構(gòu)尺寸的限制,同時中心距太小,將導(dǎo)致運動不穩(wěn)定。 降低導(dǎo)軌比壓的另一辦法,是采用卸荷裝置,即在導(dǎo)軌載荷的相反方向,增加彈簧或液壓作用力,以抵消導(dǎo)軌所承受的部分載荷。 2)選擇合適材料 目前常采用的導(dǎo)軌材料有以下幾種: 鑄鐵- 導(dǎo)軌與承導(dǎo)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較為合適。適當(dāng)增加鑄鐵中含碳量和含磷量,減少含硅量,可進步導(dǎo)軌的耐磨性。若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。若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(yīng)力較大,易產(chǎn)生裂紋,應(yīng)采用適當(dāng)?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(dǎo)軌,常用淬火的合金鋼制造。淬硬的鋼導(dǎo)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(dǎo)軌鑲接的方法有: 螺釘連接,應(yīng)使螺釘不受剪切;為避免導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用中取得良好的效果。 3)熱處理 為進步鑄鐵導(dǎo)軌的耐磨性,常對導(dǎo)軌表面進行淬火處理。表面淬火方法有: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(dǎo)軌間形成一層極薄的油膜,阻止或減少導(dǎo)軌面直接接觸,減小摩擦和磨損,以延長導(dǎo)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(dǎo)軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動油泵和自動潤滑等。 導(dǎo)軌的防護裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導(dǎo)軌表面,以免使導(dǎo)軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此,在運動導(dǎo)軌端部安裝刮板;采用各種式樣的防護罩,使導(dǎo)軌不過露等辦法。 (6) 結(jié)構(gòu)尺寸的驗算 1)校核溫度變化對導(dǎo)軌間隙的影響 導(dǎo)軌在溫度變化較大的環(huán)境中工作,應(yīng)在選定精度和配合后,作導(dǎo)軌間隙驗算。為了保證工作時不致卡住,導(dǎo)軌的最小間隙應(yīng)大于或即是零,即 Δmin≥0 導(dǎo)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(dǎo)向精度,導(dǎo)軌的最大間隙Δmax應(yīng)小于或即是答應(yīng)值,即Δmax≤[Δmax] 導(dǎo)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(dǎo)軌間隙計算 當(dāng)初定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式和尺寸后,應(yīng)留意作用力的方向和作用點的位置,力求使導(dǎo)軌的傾斜力矩小,否則使導(dǎo)軌的摩擦力增大,磨損加快,從而降低導(dǎo)軌的靈活性和導(dǎo)向精度,甚至回使導(dǎo)軌卡住。其驗算公式見表21-6。 2.轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌 在承導(dǎo)件和運動件之間放進一些轉(zhuǎn)動體(滾珠、滾柱或滾針),使相配的兩個導(dǎo)軌面不直接接觸的導(dǎo)軌,稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌。 轉(zhuǎn)動導(dǎo)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)差別小,低速時不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象,故運動均勻平穩(wěn)。因此,轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌在要求微量移動和精確定位的設(shè)備上,獲得日益廣泛的運用。 轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的缺點是:導(dǎo)軌面和轉(zhuǎn)動體是點接觸或線接觸,抗振性差,接觸應(yīng)力大,故對導(dǎo)軌的表面硬度要求高;對導(dǎo)軌的外形精度和轉(zhuǎn)動體的尺寸精度要求高。 (1)結(jié)構(gòu)形式 滾珠導(dǎo)軌-圖示21-17為V-平截面的滾珠導(dǎo)軌、雙V形截面的滾珠導(dǎo)軌和圓形截面滾珠導(dǎo)軌。由于滾珠和導(dǎo)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(dǎo)軌-滾柱導(dǎo)軌中的滾柱與導(dǎo)軌面是線接觸,故它的承載能力和剛度比滾珠導(dǎo)軌大,耐磨性較好,靈活性稍差。如圖21-18,滾柱對導(dǎo)軌的不平度較敏感,輕易產(chǎn)生側(cè)向偏移和滑動,而使導(dǎo)軌的阻力增加,磨損加快,精度降低。滾柱的直徑越大,對導(dǎo)軌的不平度越為敏感。 當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸受限制時,可采用直徑較小的滾柱,這種導(dǎo)軌稱為滾針導(dǎo)軌。 滾柱導(dǎo)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(jié)構(gòu)如圖21-19所示。由于滾柱在封閉的滾道內(nèi)轉(zhuǎn)動,故可用于行程很大的導(dǎo)軌上。 轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌支撐 1-本體 2-滾柱 3-導(dǎo)向片 4-反射器 滾柱導(dǎo)軌可采用標準的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動導(dǎo)軌設(shè)計的一般題目 1)結(jié)構(gòu)形式的選擇:轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌按其結(jié)構(gòu)特點,分為開式和閉式兩種。開式轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌用于外加載荷作用在兩條導(dǎo)軌中間,依靠運動件本身重量即可保持導(dǎo)軌良好接觸的場合。閉式導(dǎo)軌則相反。 滾珠導(dǎo)軌的靈活性最好,結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌剛度大,承載能力強,但對位置精度要求高。轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌采用標準轉(zhuǎn)動軸承,結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動導(dǎo)軌的承載能力,可施預(yù)加載荷。這時剛度大,且沒有間隙,精度相應(yīng)進步,但阻尼比無預(yù)加載荷時大,制造復(fù)雜,本錢高。故多用于精密導(dǎo)軌。 2)選擇長度:一般應(yīng)在滿足導(dǎo)軌運動行程的條件下,盡可能使導(dǎo)軌的長度短一些。 為防止轉(zhuǎn)動體在行程的極端位置時脫落,運動件的長度應(yīng)為 L=l+2a+Smax/2 式中L-運動件或承導(dǎo)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(zhuǎn)動導(dǎo)軌支承時,運動件的行程長度不受限制。 轉(zhuǎn)動體尺寸和數(shù)目:轉(zhuǎn)動體直徑大,承載能力大,摩擦阻力小。對于滾珠導(dǎo)軌,滾珠直徑增大,剛度增高(滾柱導(dǎo)軌的剛度與滾柱直徑無關(guān))。因此,假如不受結(jié)構(gòu)的限制,應(yīng)有限選用尺寸較大的轉(zhuǎn)動體。 滾針導(dǎo)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(dǎo)軌(特別是滾針直徑小于4毫米時)。 當(dāng)轉(zhuǎn)動體的數(shù)目增加時,導(dǎo)軌的承載能力和剛度也增加。但轉(zhuǎn)動體的數(shù)目不宜太多,過多會增加載荷在轉(zhuǎn)動體上分布的不均勻性,剛度反而下降。若轉(zhuǎn)動體數(shù)目太少,制造誤差將會明顯地影響運動件的導(dǎo)向精度。一般在一個轉(zhuǎn)動帶回上,轉(zhuǎn)動體的數(shù)目最少為12個。經(jīng)驗表明: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(dǎo)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),載荷的分布比較均勻。 在滾柱導(dǎo)軌中,增加滾柱的長度,可減小接觸應(yīng)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(dǎo)軌,滾柱導(dǎo)軌和直徑之比l/d<1.5,對于鑄鐵導(dǎo)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(zhuǎn)動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法:如圖所示, a) 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時,工作臺壓在兩端轉(zhuǎn)動體上的壓力會發(fā)生變化,受力大的轉(zhuǎn)動體變形大,受力小的轉(zhuǎn)動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置Ⅰ時,兩端轉(zhuǎn)動體受力相等,工作臺保持水平;當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置Ⅱ或Ⅲ時,兩端轉(zhuǎn)動體受力不相等,變形不一致,使工作臺傾斜α角,由此造成誤差。此外,轉(zhuǎn)動體支承工作臺,若工作臺剛度差,見下圖,則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形,會使工作臺下凹(有時還可能出現(xiàn)波浪形),影響導(dǎo)軌的精度。 為減小導(dǎo)軌變形,進步剛度,除公道選擇轉(zhuǎn)動體的外形、尺寸、數(shù)目和適當(dāng)增加工作臺的厚度外,常用預(yù)加載荷的辦法來進步導(dǎo)軌的剛度。圖21-18所示的燕尾形轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌,用移動導(dǎo)軌板獲得并控制預(yù)加載荷。 試驗證實:隨著過盈量的增加,導(dǎo)軌的剛度開始急劇增加,達到一定程度后,再增加過盈量,剛度不會明顯進步。牽引力隨著過盈量增加而增大,但在一定限度內(nèi)變化不大,過盈量超過一定值后,則急劇增加。因此,公道的過盈量應(yīng)使導(dǎo)軌剛度較好而牽引力不大。 4)技術(shù)要求:導(dǎo)軌的質(zhì)量取決于它的制造精度和安裝精度,設(shè)計時應(yīng)根據(jù)使用要求,制定出轉(zhuǎn)動導(dǎo)軌的若干技術(shù)條件,下列項目和數(shù)據(jù)可供參考: 兩導(dǎo)軌面間的不平度一般為3微米; 導(dǎo)軌不直度一般為10-15微米,精密的小于10微米。 轉(zhuǎn)動體的直徑差,對于一般的導(dǎo)軌,全部轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于2微米,每組轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于1微米;對于精密導(dǎo)軌,全部轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于1微米,每組轉(zhuǎn)動體的直徑差不大于0.5微米; 滾柱的錐度在滾柱長度范圍內(nèi),大小端直徑差小于0.5-1微米; 表面光潔度通常應(yīng)刮研;在2525厘米2內(nèi),其接觸斑點為20-25個點,精密的取上限,一般的取下限。 (end) .- 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