直线导轨的结构设计(含转动导轨)
1 导轨的作用与设计要求
当运动件沿着承导件作直线运动时,承导件上的导轨起支承与导向的作用,即支承运动件与保证运动件在外力(载荷及运动件本身的重量)的作用下,沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下: 1、一定的导向精度。导向精度就是指运动件沿导轨移动的直线性,以及它与有关基面间的相互位置的正确性。
2、运动轻便平稳。工作时,应轻便省力,速度均匀,低速时应无爬行现象。
3、良好的耐磨性。导轨的耐磨性就是指导轨长期使用后,能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损,但应使磨损量小,且磨损后能自动补偿或便于调整。
4、足够的刚度。运动件所受的外力,就是由导轨面承受的,故导轨应有足够的接触刚度。为此,常用加大导轨面宽度,以降低导轨面比压;设置辅助导轨,以承受外载。
5、温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下,仍能正常工作。
6、结构工艺性好。在保证导轨其它要求的条件下,应使导轨结构简单,便于加工、丈量、装配与调整,降低本钱。
不同设备的导轨,必须作具体分析,对其提出相应的设计要求。必须指出,上述六点要求就是相互影响的。
2 导轨设计的主要内容
设计导轨应包括下列几方面内容:
1、根据工作条件,选择合适的导轨类型。
2、选择导轨的截面外形,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,以及运动轻便与平稳。
4、选择导轨的补偿及调整装置,经长期使用后,通过调整能保持需要的导向精度。
5、选择公道的润滑方法与防护装置,使导轨有良好的工作条件,以减少摩擦与磨损。
6、制订保证导轨所必须的技术条件,如选择适当的材料,以及热处理、精加工与丈量方法等。
3 导轨的结构设计
1、滑动导轨
(1) 基本形式(见图21-10)
三角形导轨:该导轨磨损后能自动补偿,故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定,一般为90°。为增加承载面积,减小比压,在导轨高度不变的条件下,采用较大的顶角(110°～120°);为进步导向性,采用较小的顶角(60°)。假如导轨上所受的力,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。
矩形导轨:优点就是结构简单,制造、检验与修理方便;导轨面较宽,承载力较大,刚度高,故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高;导轨间隙需用压板或镶条调整,且磨损后需重新调整。
燕尾形导轨:燕尾形导轨的调整及夹紧较简便,用一根镶条可调节各面的间隙,且高度小,结构紧凑;但制造检验不方
便,摩擦力较大,刚度较差。用于运动速度不高,受力不大,高度尺寸受限制的场合。
圆形导轨:制造方便,外圆采用磨削,内孔珩磨可达精密的配合,但磨损后不能调整间隙。为防止转动,可在圆柱表面开键槽或加工出平面,但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合。
(2)常用导轨组合形式
三角形与矩形组合:这种组合形式以三角导轨为导向面,导向精度较高,而平导轨的工艺性好,因此应用最广。
这种组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。V-平组合导轨易储存润滑油,低、高速都能采用;棱-平组合导轨不能储存润滑油,只用于低速移动。见图21-11。
图21-11
为使导轨移动轻便省力与两导轨磨损均匀,驱动元件应设在三角形导轨之下,或偏向三角形导轨。
矩形与矩形组合:承载面与导向面分开,因而制造与调整简单。导向面的间隙用镶条调整,接触刚度低。见图
双三角形导轨:由于采用对称结构,两条导轨磨损均匀,磨损后对称位置位置不变,故加工精度影响小。接触刚度好,导向精度高,但工艺性差,四个表面刮削或磨削也难以完全接触,假如运动部件热变形不同,也不能保证四个面同时接触,故不宜用在温度变化大的场合。
(3)间隙调整
为保证导轨正常工作,导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小,会增加摩擦阻力;间隙过大,会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证,要废很大的劳动量,而且导轨经过长期使用后,会因磨损而增大间隙,需要及时调整,故导轨应有间隙调整装置。
矩形导轨需要在垂直与水平两个方向上调整间隙。在垂直方向上,一般采用下压板调整它的低面间隙,其方法有:a)刮研或配磨下压板的结合面;b)用螺钉调整镶条位置;c)改变垫片的片数或厚度;见图21-13。
在水平方向上,常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。见图21-14。
圆形导轨的间隙不能调整。
图21-13
图21-14
(4)夹紧装置
有些导轨(如非水平放置的导轨)在移动之后要求将它的位置固定,因而要用专用的锁(夹)紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧与液压锁紧。见图21-15。
(5)进步耐磨性措施
导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法,以及使用与维护。进步导轨的耐磨性,使其在较长的时间内保持一定的导向精度,就能延长设备的使用寿命。进步导轨耐磨性的措施有:
1)选择公道的比压单位面积上的压力成为比压,即
p=P/S(公斤/厘米2)
式中P-作用在导轨上的力(公斤)
S-导轨的支承面积(厘米2)
由上式可知,要减小导轨的比压,应减轻运动部件的重量与增大导轨支承面的面积。减小两导轨面之间的中心距,可以减小外形尺寸与减轻运动部件的重量。但减小中心距受到结构尺寸的限制,同时中心距太小,将导致运动不稳定。
降低导轨比压的另一办法,就是采用卸荷装置,即在导轨载荷的相反方向,增加弹簧或液压作用力,以抵消导轨所承受的部分载荷。
2)选择合适材料目前常采用的导轨材料有以下几种:
铸铁- 导轨与承导件或运动件铸成一体,其材料常用灰口铸铁。它具有本钱低,工艺性好,热稳定性高等优点。在润滑与防护良好的情况下,具有一定的耐磨性。常用的就是HT200～HT400,硬度以HB=180～200较为合适。适当增加铸铁中含碳量与含磷量,减少含硅量,可进步导轨的耐磨性。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求,可使用耐磨铸铁,如高磷铸铁,硬度为HB=180～220,耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。若加进一定量的铜与钛,成为磷铜钛铸铁,其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。但高磷系铸铁的脆性与铸造应力较大,易产生裂纹,应采用适当的铸造工艺。
此外,还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。
钢-要求较高的或焊接机架上的导轨,常用淬火的合金钢制造。淬硬的钢导轨的耐磨性比普通灰铸铁高5～10倍。常用的有20Cr钢渗碳淬火与40Cr高频淬火。
