1、滚动直线导轨滚动直线导轨 第一组第一组 冬冬2016.32016.3.2222导向支撑机构用于保证运动部件沿着一导向支撑机构用于保证运动部件沿着一定的轨迹（直线或圆）运动，并承受运定的轨迹（直线或圆）运动，并承受运动部件上的载荷。动部件上的载荷。简简 介介导向支承部件的作用是：导向支承部件的作用是：1 1）支承）支承2 2）限制运动部件按给定的运动）限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。要求和规定的运动方向运动。常见的支撑机构主要有导轨、轴常见的支撑机构主要有导轨、轴系及床身等，这里我们主要介绍系及床身等，这里我们主要介绍导轨中的滚动直线导轨。导轨中的滚动直线导轨。一、一、导轨导轨
2、副的组成、种类及其应副的组成、种类及其应满足的条件满足的条件1 1、导轨副的组成、导轨副的组成 承导件承导件(支承支承导轨、静导轨、静导轨导轨)运动件运动件(运动运动导轨导轨、动动导轨导轨)支承支承导轨用以支承和约束运动导轨，导轨用以支承和约束运动导轨，使之按功能要求作正确的运动使之按功能要求作正确的运动。导轨副导轨副运动件运动件承导件承导件（1 1）按运动轨迹分）按运动轨迹分 直线运动导轨副直线运动导轨副 回转运动导轨副回转运动导轨副2 2、导轨副的分类、导轨副的分类直线运动导轨副直线运动导轨副回转运动导轨副回转运动导轨副（2 2）按接触面的摩擦性质分）按接触面的摩擦性质分弹性摩擦导轨流体介
3、质摩擦导轨滚动轴承型滚动导轨块型滚柱（针）型滚珠型滚动导轨组合型棱柱型圆柱型滑动导轨滚珠导轨滚珠导轨滚柱导轨滚柱导轨滚动轴承导轨滚动轴承导轨液体静压导轨液体静压导轨三角形三角形矩形矩形燕尾形燕尾形圆形圆形（3 3）按导轨副的截面形状分）按导轨副的截面形状分每种又分为凸形和凹形每种又分为凸形和凹形对称三角形对称三角形4545o o90900 01201200 0凸形凸形 凹形凹形燕尾形燕尾形55550 0 55 550 0凸形凸形 凹形凹形矩形矩形凸形凸形 凹形凹形圆形圆形凸形凸形 凹形凹形（4 4）按结构特点分为）按结构特点分为开式导轨开式导轨闭式导轨闭式导轨开式导轨开式导轨 借助重力或弹簧力
4、保证运动件与承导面之间借助重力或弹簧力保证运动件与承导面之间的接触。的接触。开式圆柱面导轨开式圆柱面导轨开式开式“V”V”形导轨形导轨闭式导轨：闭式导轨：只靠导轨本身的结构形式保证运动件与承导面只靠导轨本身的结构形式保证运动件与承导面之间的接触。之间的接触。闭式圆柱面导轨闭式圆柱面导轨闭式直角导轨闭式直角导轨3 3、导轨副应满足的基本要求、导轨副应满足的基本要求 指动导轨按给定方向作直线运指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。动的准确程度。导向精度：导向精度：（1 1）导向精度高）导向精度高影响导向精度的因素：影响导向精度的因素：导轨的结构导轨的结构导轨的几何精度和接触精度导轨的几何精度和接
5、触精度 导轨的配合间隙导轨的配合间隙 油膜厚度和油膜刚度（静压导轨）油膜厚度和油膜刚度（静压导轨）导轨和基础件的刚度导轨和基础件的刚度热变形热变形（2 2）刚性好）刚性好导轨的刚度即抵抗载荷的能力。导轨的刚度即抵抗载荷的能力。（3 3）精度的保持性）精度的保持性提高导轨的精度保持性方法：提高导轨的精度保持性方法：正确的润滑与保护；正确的润滑与保护；对于滑动导轨，采用贴塑导轨；对于滑动导轨，采用贴塑导轨；（4 4）运动的灵活性和低速运动的平稳性）运动的灵活性和低速运动的平稳性 减小摩擦可以提高系统运动的减小摩擦可以提高系统运动的灵活性和低速运动的平稳性；灵活性和低速运动的平稳性；为防止爬行现象的
6、出现，可同时采取以下为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑导轨等；贴塑导轨等；在普通导轨上使用含有极性添加剂的导在普通导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；轨油；用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。统的刚度。（5 5）对温度的敏感性和结构工艺性）对温度的敏感性和结构工艺性 导轨对温度变化的敏感性，主要取决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；于导轨材料和导轨配合间隙的选择；结
7、构结构工艺性是指系统在正常工作条件下，工艺性是指系统在正常工作条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从而最大限度的降低成本。维修及检测方便，从而最大限度的降低成本。直线导轨直线导轨一般为二种，一种是滚动式，一种是滑动式，滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到m级的定位精度。滚动直线导轨的分类 a.a.按滚动体的形状分类按滚动体的形状分类 a.滚珠导轨：点接触，灵敏度高，刚度小，承载能力差。与滚珠接触的
8、导轨面可为直线形或圆形，后者刚度和承载能力提高，但是摩擦增大。b.滚柱导轨：线接触，刚度和承载能力都有所提高，但导轨的制造精度要求高，可将滚珠做成腰鼓形。c.滚针导轨：高度小，结构紧凑，排列紧凑，承载能力大，但摩擦增大，精度较低。d.滚珠滚柱组合导轨：在导轨方向上，滚珠滚柱交替放置，滚珠直径比滚柱稍大，轻载时滚珠灵巧转动，重载时滚珠稍有变形，部分载荷由滚柱承担。e.滚珠长圆柱滚动导轨：长圆柱固定在运动件上，滚珠装在导轨的V形槽内，制造精度要求较低。1 1）滚珠导轨滚珠导轨运动件运动件滚珠滚珠承导件承导件各滚动体类型的特点摩擦小，但承载能力差，刚度低，不能承受大的颠覆力矩和水平力。适用于载荷不超
9、过200N的小型部件特点：特点：2 2）滚柱导轨）滚柱导轨运动件运动件滚柱滚柱承导件承导件承载能力和刚度比滚珠导轨副要高，导向性能也高；对安装精度的要求较高特点：特点：3 3）滚针导轨）滚针导轨特点：承载力比滚柱导轨大，但安装精度要求更高，适用于结构尺寸受限制的机床 b.b.按导轨截面形状分类按导轨截面形状分类 右左图所示为四方向等载荷式，导轨截面为矩形，承载时各方向受力大小相等。梯形截面如右图所示，导轨能承受较大的垂直载荷，而其它方向的承载能力较低，但对于安装基准的误差调节能力较强。箭头粗细表示受力大小矩形导轨 梯形导轨 c.c.按滚道沟槽形状分类按滚道沟槽形状分类 有单圆弧和双圆弧二种，见
10、右图。单圆弧沟槽为二点接触，如右上图所示。双圆弧沟槽为四点接触，如右下图所示。前者运动摩擦和安装基准平均作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。一、一、原理原理二、直线滚动二、直线滚动导轨副的导轨副的特点特点优点优点 摩擦系数小（摩擦系数小（0.0030.0050.0030.005）运动灵活；运动灵活；不易出现爬行；不易出现爬行；可以预紧，刚度高；可以预紧，刚度高；寿命长寿命长 精度高；精度高；润滑方便润滑方便 由专业厂生产，可以外购选由专业厂生产，可以外购选用用缺点缺点 抗振性差，接触应力大；抗振性差，接
11、触应力大；对导轨的表面硬度、表面对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸形状精度和滚动体的尺寸精度要求高精度要求高 结构复杂，制造困难，成结构复杂，制造困难，成本高；本高；对脏物比较敏感，必须有对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。良好的防护装置。导向精度 耐磨性 刚度 工艺性三、对滚动导轨的基本要求三、对滚动导轨的基本要求 滚动导轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀、运动灵敏及定位精度高的场合。四四、适用场合、适用场合 静导轨静导轨动导轨动导轨五结构结构形式形式滑块滑轨滚动体线性滑轨组成回流系统滚动体保持器防尘机构刮油片回流系统滚动体保持器防尘机构刮油片六、滚动直线导轨的其他系统的功能
12、回流系统：端盖一组线性滑轨有两个端盖组件，分别搭接在滑块两端而成为一道封闭的滚动体循环管路，简单来说就是让滚动体转弯的管路滚动体保持器在滑块未套上滑轨前，用来支撑着滚动体，不至于掉离滑块防尘机构底部防尘片，装设于滑块下方，达到密封的功能，防止粉尘及切削侵入滚动体的循环路径刮油片装设在滑块两侧最外端达到密封的功能，防止粉尘及切削侵入滚动体的循环路径七、导轨的材料 导轨的材料选择在满足以上要求的同时还应具备较高的强度、良好的工艺性、成本低、环境温度改变时的尺寸稳定性等，常见材料如下：1）铸铁：灰铸铁（HT20-40），孕育铸铁(HT30-54)，合金铸铁 铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火（
13、借助与工件接触的电极(高导电材料的滚轮)通电后，因接触电阻而加热工件表面随之快速冷却的淬火工艺）和中高频感应淬火（使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法）。接触电阻淬火，淬硬层为0.150.2mm。硬度可达HRC55。中高频感应淬火，淬硬层为23mm，硬度可达HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，同时淬火需要相应的设备。2）钢：镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为52-58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等渗
14、碳淬火，渗碳淬硬至56-62HRC；38CrMoAlA等采用氮化处理。3）有色金属：常用的有色金属有黄铜HPb59-l；锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5，超硬铝LC4、铸铝ZL106等。其中以铝青铜较好。4）塑料：镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低等优点。缺点是压缩变形较大，易蠕变。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。常见的塑料有：常见的塑料有：聚四氟乙烯软带：聚四氟乙烯软带：摩擦系数
15、低，动静摩擦系数相近，低速运动摩擦系数低，动静摩擦系数相近，低速运动稳定性好，不易产生爬行。摩擦系数一般为稳定性好，不易产生爬行。摩擦系数一般为0.03-0.050.03-0.05，耐磨系数为，耐磨系数为0.03-0.050.03-0.05。缺点是缺点是粘结时保持平整较为困难。粘结时保持平整较为困难。复合材料导轨板：具有良好的摩擦特性，又复合材料导轨板：具有良好的摩擦特性，又有一定的刚性和导热性，自润滑性能也较好，有一定的刚性和导热性，自润滑性能也较好，但是成本较高。但是成本较高。其他涂料：棉纶和酚醛夹布塑料等，这些材料其他涂料：棉纶和酚醛夹布塑料等，这些材料撕伤能力强。撕伤能力强。耐磨涂料：
16、常见的是环氧树脂耐磨涂料（适用耐磨涂料：常见的是环氧树脂耐磨涂料（适用于导轨修复）和含氟耐磨涂料等。于导轨修复）和含氟耐磨涂料等。八、滚动导轨的预紧八、滚动导轨的预紧目的：提高刚度预紧的方法：采用过盈配合采用调整元件1 1）采用过盈配合）采用过盈配合2 2）采用调整元件）采用调整元件九、滚动直线导轨的有关计算九、滚动直线导轨的有关计算 循环式直线导轨副的承载能力用额定动载荷Ca和额定静载荷Coa表示。其额定寿命L用下式计算：3hzS10L60nl2L式中：额定寿命（km）；行程长度（m）；每分钟往复次数；小时为单位的额定寿命。LSlznhL额定动载荷额定动载荷CaCa：32123015111z
17、ld.Cas.b式中：式中：钢球直径（钢球直径（mmmm）；）；钢球循环系列数；钢球循环系列数；钢座的有效长度（钢座的有效长度（mmmm）；接触角，接触角，4545 有效接触的钢球数；有效接触的钢球数；倾斜角倾斜角,0,0 额定动载荷（额定动载荷（NN）。）。适应比系数适应比系数SlaCbd额定静载荷额定静载荷CoaCoa：iZdKCbacos200090zi0K 额定寿命额定寿命L L与额定动载荷与额定动载荷CaCa的关系式可表示为：的关系式可表示为：KPCfffffLawacth其中其中：实际工作载荷实际工作载荷(kNkN)；指数，滚珠，指数，滚珠，滚子滚子 额定寿命单位，滚珠，额定寿命单
18、位，滚珠，滚子滚子 硬度系数，硬度系数，温度系数，查表温度系数，查表1 1；接触系数，查表接触系数，查表2 2；精度系数，查表精度系数，查表3 3；载荷系数，查表载荷系数，查表4 4；P3K)(50 kmK)(100 kmK 3/106.358HRCfh滚道实际硬度hfcftfafwf直线运动导轨副 回转运动导轨副导轨副的分类（按运动轨迹分）导轨副的分类（按运动轨迹分）工作温度（）1001.001001500.901502000.732002500.60tf表1 温度系数每根导轨上的滑块数11.0020.8130.7240.6650.61cf表2 接触系数 精度系数CDEFGH1.01.00.
19、90.90.80.7表3 精度系数af工作条件无外部冲击或振动的低速运动场合，速度小于15m/min11.5无明显冲击或振动的中速运动场合，速度小于60m/min1.52有外部冲击或振动的高速运动场合，速度大于60m/min23.5表4 载荷系数wf六、滚动导轨设计的一般问题1、结构形式的选择：滚动导轨按其结构特点，分为开式和闭式两种。开式滚动导轨用于外加载荷作用在两条导轨中间，依靠运动件本身重量即可保持导轨良好接触的场合。闭式导轨则相反。滚珠导轨的灵活性最好，结构简单，制造容易，但承载能力小，刚度低，常用于精度要求高、运动灵活、轻载的场合。滚柱（针）导轨刚度大，承载能力强，但对位置精度要求高
20、。滚动导轨采用标准滚动轴承，结构简单，制造容易，润滑方便。宜用于中等精度的场合。为了增加滚动导轨的承载能力，可施预加载荷。这时刚度大，且没有间隙，精度相应提高，但阻尼比无预加载荷时大，制造复杂，成本高。故多用于精密导轨。2、选择长度：一般应在满足导轨运动行程的前提下，尽可能使导轨的长度短一些。为防止滚动体在行程的极端位置时脱落，运动件的长度应为 L=l+2a+Smax/2 式中L-运动件或承导件的长度，计算时取较短者的长度（毫米）；l-支承点的距离（毫米）；在极端位置时的余量；如图21-21。采用循环式的滚动导轨支承时，运动件的行程长度不受限制。滚动体尺寸和数目：滚动体直径大，承载能力大，摩擦
21、阻力小。对于滚珠导轨，滚珠直径增大，刚度增高（滚柱导轨的刚度与滚柱直径无关）。因此，如果不受结构的限制，应有限选用尺寸较大的滚动体。滚针导轨的摩擦阻力较大，且滚针可能产生滑动。所以尽可能不采用滚针导轨（特别是滚针直径小于4毫米时）。当滚动体的数目增加时，导轨的承载能力和刚度也增加。但滚动体的数目不宜太多，过多会增加载荷在滚动体上分布的不均匀性，刚度反而下降。若滚动体数目太少，制造误差将会显著地影响运动件的导向精度。一般在一个滚动带归上，滚动体的数目最少为12个。经验表明：运动部件的重量，使滚柱单位长度上的载荷q4公斤/厘米时；对于滚珠导轨，在每个滚珠上的载荷为p3（d）1/2公斤时，（d为滚珠
22、直径，毫米），载荷的分布比较均匀。在滚柱导轨中，增加滚柱的长度，可减小接触应力和增大刚度，但载荷分布的不均匀性也增大。对于钢制摸削导轨，滚柱导轨和直径之比l/d1.5，对于铸铁导轨，l/d可增大些（滚柱直径一般不小于6毫米，滚针直径不小于4毫米）。3、滚动导轨刚度及预紧方法：如图所示，当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，见图21-23，则在自重和载荷作
23、用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。为减小导轨变形，提高刚度，除合理选择滚动体的形状、尺寸、数量和适当增加工作台的厚度外，常用预加载荷的办法来提高导轨的刚度。燕尾形滚动导轨，用移动导轨板获得并控制预加载荷。试验证明：随着过盈量的增加，导轨的刚度开始急剧增加，达到一定程度后，再增加过盈量，刚度不会显著提高。牵引力随着过盈量增加而增大，但在一定限度内变化不大，过盈量超过一定值后，则急剧增加。因此，合理的过盈量应使导轨刚度较好而牵引力不大。4、技术要求：导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，设计时应根据使用要求，制定出滚动导轨的若干技术条件，下列项目和数据可供
24、参考：两导轨面间的不平度一般为3微米；导轨不直度一般为10-15微米，精密的小于10微米。滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于2微米，每组滚动体的直径差不大于1微米；对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于1微米，每组滚动体的直径差不大于0.5微米；滚柱的锥度在滚柱长度范围内，大小端直径差小于0.5-1微米；表面光洁度通常应刮研；在2525厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取下限。结构：滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端
25、部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。导轨以滚珠作为滚动体，运动灵敏度好，定位度高;但其承载能力和刚度较小，一般都需要通过预紧提高承载能力和刚度。为了避免在导轨上压出凹坑而丧失精度，一般采用淬火钢制造导轨面。滚珠导轨适用于运动部件质量不大，切削力较小的数控机床。滚珠导轨滚珠导轨图示为V-平截面的滚珠导轨、双V形截面的滚珠导轨和圆形截面滚珠导轨。由于滚珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。滚柱导轨导轨的承载力及刚度都比滚珠导轨要大，但
26、对于安装的要求也高。安装不良，会引起偏移和侧向滑动，使导轨磨损加快、降低精度。目前数控机床、特别是载荷较大的机床，通常都采用滚柱导轨。滚针导轨滚针导轨的滚针比同直径的滚柱长度更长。滚针导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。为了提高工作台的移动精度，滚针的尺寸应按直径分组。滚针导轨适用于导轨尺寸受限制的机床上。图上滚柱（滚针）导轨-滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，灵活性稍差。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱的直径越大，对导轨的不平度越为敏感。当结构尺寸受限制时，可采用直径较小的滚柱，这种导轨称为滚针导轨。滚柱导轨支承为标准部件，具有安装、润滑简单，调整防护容易等优点。滚动导轨支撑1-本体 2-滚柱 3-导向片 4-反射器
