直線導軌選型培訓教程.ppt

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機械設計 第十八章 直線導軌 第一節(jié)概述第二節(jié)滑動導軌第三節(jié)滾動導軌 返回章目錄 第一節(jié)概述 直線導軌的作用是支承和引導運動部件按給定的方向作往復直線運動 兩個作相對運動的部件形成一對導軌副 設在支承部件2上的配合面稱為靜導軌 設在運動部件1上的配合面稱為動導軌 具有動導軌的運動部件常稱為工作臺 滑臺 滑板 導靴 頭架等 按摩擦性質分 一 導軌的分類 滑動導軌 靜壓導執(zhí)動壓導軌普通滑動導軌 滾動導軌 滾珠導軌滾柱導軌滾針導軌滾動軸承導軌 兩導軌面間的摩擦性質是滑動摩擦 兩導軌面間的摩擦性質是滾動摩擦 按受力情況分 必須借助于外力才能保證動 靜導軌面間的接觸 開式導軌 閉式導軌 依靠導軌本身的幾何形狀保證動 靜導軌面間的接觸 導向精度指運動部件按給定方向作直線運動的準確程度 精度保持性指導軌在工作過程中保持原有幾何精度的能力 運動精度包括低速運動平穩(wěn) 無爬行 定位準確 足夠的剛度在載荷的作用下 導軌的變形不應超過允許值 結構工藝性好導軌的結構應力求簡單 便于制造 檢驗和調整 從而降低成本 具有良好的潤滑和防護裝置 二 導軌的基本要求 根據(jù)機器的工作條件 性能特點 精度要求 選擇導軌的結構類型 導軌截面形狀 進行導軌的力學計算 確定結構尺寸 確定導軌副的間隙 公差和加工精度 選擇導軌材料 摩擦面硬度匹配 表面精加工和熱處理方法 選擇導軌的預緊載荷 設計預緊載荷的加載方式與裝置 選擇導軌面磨損后的補償方式和調整裝置 選擇導軌的潤滑方式 設計潤滑系統(tǒng)和防護裝置 三 導軌的設計程序及內容 第二節(jié)滑動導軌 滑動導軌的動 靜導軌面直接接觸 其優(yōu)點是結構簡單 接觸剛度大 缺點是摩擦阻力大 磨損快 低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象 1 導軌截面的基本形式 一 滑動導軌的類型 特點及應用 V形導軌 導軌磨損后能自動補償 故導向精度較高 它的截面角度由載荷大小及導向要求而定 一般為90 矩形導軌 結構簡單 制造 檢驗和修理較易 矩形導軌可以做得較寬 因而承載能力和剛度較大 應用廣泛 缺點是磨損后不能自動補償間隙 用鑲條調整時 會降低導向精度 燕尾形導軌 主要優(yōu)點是結構緊湊 調整間隙方便 缺點是幾何形狀比較復雜 難于達到很高的配合精度 并且導軌中的摩擦力較大 運動靈活性較差 因此 通常用在結構尺寸較小及導向精度與運動靈活性要求不高的場合 圓形導軌 圓形導軌的優(yōu)點是導軌面的加工和檢驗比較簡單 易于獲得較高的精度 缺點是導軌間隙不能調整 特別是磨損后間隙不能調整和補償 閉式圓形導軌對溫度變化比較敏感 為防止轉動 可在圓柱表面開槽或加工出平面 開槽制出平面 雙V形組合 兩條導軌同時起著支承和導向作用 故導軌的導向精度高 承載能力大 兩條導軌磨損均勻 磨損后能自動補償間隙 精度保持性好 但這種導軌的制造 檢驗和維修都比較困難 因為它要求四個導軌面都均勻接觸 刮研勞動量較大 此外 這種導軌對溫度變化比較敏感 2 常用導軌的組合形式 一條導軌往往不能承受力矩載荷 故通常都采用兩條導軌來承受載荷和進行導向 常用滑動導軌的組合形式有 V形和平面形組合 這種組合保持了雙V形組合導向精度高 承載能力大的特點 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形組合導軌大為改觀 因而應用很廣 缺點是兩條導軌磨損不均勻 磨損后不能自動調整間隙 矩形和平面形組合 承載能力高 制造簡單 間隙受溫度影響小 導向精度高 容易獲得較高的平行度 側導向面間隙用鑲條調整 側向接觸剛度較低 雙矩形組合 特點與矩形和平面形組合相同 但導向面之間的距離較大 側向間隙受溫度影響大 導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 用矩形導軌承受大部分壓力 用燕尾形導軌作側導向面 可減少壓板的接觸面 調整間隙簡便 V形和燕尾形組合 組合成閉式導軌的接觸面較少 便于調整間隙 V形導軌起導向作用 導向精度高 加工和測量都比較復雜 雙圓形組合 結構簡單 圓柱面既是導向面又是支承面 對兩導軌的平行度要求嚴 導軌剛度較差 磨損后不易補償 圓形和矩形組合 矩形導軌可用鑲條調整 對圓形導軌的位置精度要求較雙圓形組合要求低 二 導軌間隙的調整 為了保證導軌正常工作 導軌滑動表面之間應保持適當?shù)拈g隙 間隙過小會增大摩擦力 間隙過大又會降低導向精度 為此常采用鑲條和壓板來調整導軌的間隙 平鑲條 1 鑲條 楔形鑲條 2 壓板 a 用磨或刮壓板的結合面來調整 b 用改變墊片的厚度來調整 三 滑動導軌的設計計算 1 壓強驗算 導軌的失效形式主要是磨損 而導軌的磨損又與導軌表面的壓強密切相關 1 導軌面上的壓強 假設 導軌本身剛度大于接觸剛度 只考慮接觸變形對壓強的影響 接觸變形和壓強沿導軌長度方向線性分布 沿導軌寬度方向均勻分布 當導軌面上作用有法向力F和傾覆力矩M時 最大壓強 最小壓強 平均壓強 2 導軌面上的最大壓強 當M FL 1 6時 主導軌面上的最小壓強為正 可以用開式導軌 這時 主導軌面上的最大壓強用前式計算 即 當M FL 1 6時 主導軌面上的最小壓強為負 應采用輔助導軌面和壓板 此種情況下 主導軌面上的最大壓強可按下式計算 當導軌上只有傾覆力矩作用時 F 0 考慮間隙 剛度的影響 取 式中 Km為考慮壓板和輔助導軌面的影響系數(shù) 見圖18 10 為間隙影響系數(shù) 見圖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 輔助導軌面上的壓強 當導軌面上作用有法向力F和傾覆力矩M時 輔助導軌面最大壓強可按下式計算 式中 pmax是主導軌面上的最大壓強 K 是系數(shù) 其值見圖18 12 當導軌面上只作用有傾覆力矩M時 輔助導軌面上的最大壓強可按下式計算 式中系數(shù)K 查表18 2 4 許用壓強 為了保證導軌有足夠的耐磨性 設計導軌時 應使導軌面上的平均壓強不超過許用平均壓強 最大壓強不超過許用最大壓強 即 不同工作條件下導軌的許用壓強值不同 鑄鐵導軌的許用平均壓強和許用最大壓強見表18 3 鋼導軌可將表中數(shù)值提高20 30 2 運動部件不被卡住的條件 保證運動部件不被卡住的條件是 當d L很小時 上式fVd L項可略去 則有 當H 0時 即驅動力F的作用點在運動部件的軸線上 可得運動部件正常運動的條件為 為了保證運動靈活 建議設計時取 當H及a均為零時 即驅動力F通過運動件軸線 可得F Fa 此時驅動力不會產(chǎn)生附加的摩擦力 導軌的運動靈活性最好 設計時應力求符合這種情況 當a 0時 即驅動力F平行于運動部件軸線 可得 3 導軌主要結構尺寸的確定 增大動導軌長度L 有利于提高導軌的導向精度和運動靈活性 但卻使運動部件的尺寸和重量加大 因此 設計時一般取L 1 2 1 8 a 其中a為兩導軌之間的距離 如結構允許 則可取L a 靜導軌的長度則主要取決于動導軌的長度及工作行程 導軌的主要尺寸有動導軌L和靜導軌的長度 導軌寬度b 兩導軌之間的距離a等 導軌寬度b可根據(jù)導軌面上的壓強不超過許用壓強的條件求出 兩導軌之間的距離a減小 則導軌尺寸減小 但導軌穩(wěn)定性變差 設計時應在保證導軌工作穩(wěn)定的前提下 減小兩導軌之間的距離 四 提高導軌耐磨性的措施 合理選擇導軌的材料及熱處理 減小導軌面壓強 保證導軌良好的潤滑和防護 提高導軌的精度 第三節(jié)滾動導軌 滾動導軌是在運動部件和支承部件之間放置滾動體 滾珠 滾柱 滾動軸承等 使導軌運動時處于滾動摩擦狀態(tài) 與滑動導軌比較 滾動導軌的特點是 摩擦系數(shù)小 并且靜 動摩擦系數(shù)之差很小 故運動靈便 不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 導向和定位精度高 且精度保持性好 磨損較小 壽命長 潤滑簡便 結構較為復雜 加工比較困難 成本較高 對臟物及導軌面的誤差比較敏感 滾珠導軌 一 滾動導軌的類型及結構特點 滾柱導軌 e 滾針導軌 十字交叉滾柱導軌 滾動軸承導軌 按導軌承受載荷種類的能力 滾動導軌分為開式導軌和閉式導軌 按滾動體是否循環(huán) 滾動導軌分為循環(huán)式滾動導軌和非循環(huán)式滾動導軌 非循環(huán)式滾動導軌通常稱為滾動導軌 而把循環(huán)式滾動導軌稱為直線運動滾動支承 二 滾動導軌的預緊 采用過盈裝配形成預加載荷 用移動導軌板的方法實現(xiàn)預緊 三 導軌主要參數(shù)的確定 1 導軌的長度 動導軌的長度 靜導軌的長度 2 滾動體的尺寸和數(shù)量 增大滾動體直徑 可以減小摩擦系數(shù)和接觸應力 不易產(chǎn)生滑動 若采用滾柱 推薦其直徑d 6 8mm 滾柱的長徑比b d 1 5 2 0 滾動體的數(shù)量取決于導軌的長度和剛度條件 每一條導軌上一般不少于12 16個 若數(shù)量過多 會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為每條導軌所承受的載荷 N d為滾珠直徑 mm b為滾柱長度 mm 3 導軌強度計算 滾動導軌受力圖 按接觸區(qū)不產(chǎn)生塑性變形計算導軌面的靜強度 強度條件為 作用于一個滾動體上的許用載荷 F 由下式求得 對滾珠導軌 對滾柱導軌 式中 d為滾珠或滾柱直徑 mm b為滾柱長度 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 對滾珠導軌 對滾柱導軌 上兩式中 F為一個滾珠上的載荷 N F1為一個滾柱單位長度上的載荷 N mm k為滾珠導軌的接觸剛度系數(shù) N mm 按圖18 21 a 選取 k1為滾珠導軌的接觸剛度系數(shù) N mm mm 按圖18 21 b 選取 5 直線滾動導軌副的選用計算 1 額定壽命計算 式中 L為額定壽命 km C為基本額定動載荷 kN 從樣本中查取 Pd當量動載荷 kN 為壽命指數(shù) 當滾動體為球時 3 當滾動體為滾子時 10 3 K為額定壽命單位 當滾動體為球時 K 50km 當滾動體為滾子時 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 滾動導軌的材料和熱處理 對滾動導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 滾動體的材料一般采用滾動軸承鋼 GCrl5 淬火后硬度可達到60 66HRC 常用的導軌材料 低碳合金鋼 合金結構鋼 合金工具鋼 氮化鋼 鑄鐵 本章結束