直線導(dǎo)軌選型培訓(xùn)教程.ppt

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機(jī)械設(shè)計 第十八章 直線導(dǎo)軌 第一節(jié)概述第二節(jié)滑動導(dǎo)軌第三節(jié)滾動導(dǎo)軌 返回章目錄 第一節(jié)概述 直線導(dǎo)軌的作用是支承和引導(dǎo)運(yùn)動部件按給定的方向作往復(fù)直線運(yùn)動 兩個作相對運(yùn)動的部件形成一對導(dǎo)軌副 設(shè)在支承部件2上的配合面稱為靜導(dǎo)軌 設(shè)在運(yùn)動部件1上的配合面稱為動導(dǎo)軌 具有動導(dǎo)軌的運(yùn)動部件常稱為工作臺 滑臺 滑板 導(dǎo)靴 頭架等 按摩擦性質(zhì)分 一 導(dǎo)軌的分類 滑動導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)執(zhí)動壓導(dǎo)軌普通滑動導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌 滾珠導(dǎo)軌滾柱導(dǎo)軌滾針導(dǎo)軌滾動軸承導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)是滑動摩擦 兩導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)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(dǎo)軌面間的接觸 開式導(dǎo)軌 閉式導(dǎo)軌 依靠導(dǎo)軌本身的幾何形狀保證動 靜導(dǎo)軌面間的接觸 導(dǎo)向精度指運(yùn)動部件按給定方向作直線運(yùn)動的準(zhǔn)確程度 精度保持性指導(dǎo)軌在工作過程中保持原有幾何精度的能力 運(yùn)動精度包括低速運(yùn)動平穩(wěn) 無爬行 定位準(zhǔn)確 足夠的剛度在載荷的作用下 導(dǎo)軌的變形不應(yīng)超過允許值 結(jié)構(gòu)工藝性好導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單 便于制造 檢驗和調(diào)整 從而降低成本 具有良好的潤滑和防護(hù)裝置 二 導(dǎo)軌的基本要求 根據(jù)機(jī)器的工作條件 性能特點(diǎn) 精度要求 選擇導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型 導(dǎo)軌截面形狀 進(jìn)行導(dǎo)軌的力學(xué)計算 確定結(jié)構(gòu)尺寸 確定導(dǎo)軌副的間隙 公差和加工精度 選擇導(dǎo)軌材料 摩擦面硬度匹配 表面精加工和熱處理方法 選擇導(dǎo)軌的預(yù)緊載荷 設(shè)計預(yù)緊載荷的加載方式與裝置 選擇導(dǎo)軌面磨損后的補(bǔ)償方式和調(diào)整裝置 選擇導(dǎo)軌的潤滑方式 設(shè)計潤滑系統(tǒng)和防護(hù)裝置 三 導(dǎo)軌的設(shè)計程序及內(nèi)容 第二節(jié)滑動導(dǎo)軌 滑動導(dǎo)軌的動 靜導(dǎo)軌面直接接觸 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 接觸剛度大 缺點(diǎn)是摩擦阻力大 磨損快 低速運(yùn)動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象 1 導(dǎo)軌截面的基本形式 一 滑動導(dǎo)軌的類型 特點(diǎn)及應(yīng)用 V形導(dǎo)軌 導(dǎo)軌磨損后能自動補(bǔ)償 故導(dǎo)向精度較高 它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定 一般為90 矩形導(dǎo)軌 結(jié)構(gòu)簡單 制造 檢驗和修理較易 矩形導(dǎo)軌可以做得較寬 因而承載能力和剛度較大 應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn)是磨損后不能自動補(bǔ)償間隙 用鑲條調(diào)整時 會降低導(dǎo)向精度 燕尾形導(dǎo)軌 主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊 調(diào)整間隙方便 缺點(diǎn)是幾何形狀比較復(fù)雜 難于達(dá)到很高的配合精度 并且導(dǎo)軌中的摩擦力較大 運(yùn)動靈活性較差 因此 通常用在結(jié)構(gòu)尺寸較小及導(dǎo)向精度與運(yùn)動靈活性要求不高的場合 圓形導(dǎo)軌 圓形導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌面的加工和檢驗比較簡單 易于獲得較高的精度 缺點(diǎn)是導(dǎo)軌間隙不能調(diào)整 特別是磨損后間隙不能調(diào)整和補(bǔ)償 閉式圓形導(dǎo)軌對溫度變化比較敏感 為防止轉(zhuǎn)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(dǎo)軌同時起著支承和導(dǎo)向作用 故導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度高 承載能力大 兩條導(dǎo)軌磨損均勻 磨損后能自動補(bǔ)償間隙 精度保持性好 但這種導(dǎo)軌的制造 檢驗和維修都比較困難 因為它要求四個導(dǎo)軌面都均勻接觸 刮研勞動量較大 此外 這種導(dǎo)軌對溫度變化比較敏感 2 常用導(dǎo)軌的組合形式 一條導(dǎo)軌往往不能承受力矩載荷 故通常都采用兩條導(dǎo)軌來承受載荷和進(jìn)行導(dǎo)向 常用滑動導(dǎo)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(dǎo)向精度高 承載能力大的特點(diǎn) 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(dǎo)軌大為改觀 因而應(yīng)用很廣 缺點(diǎn)是兩條導(dǎo)軌磨損不均勻 磨損后不能自動調(diào)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(dǎo)向精度高 容易獲得較高的平行度 側(cè)導(dǎo)向面間隙用鑲條調(diào)整 側(cè)向接觸剛度較低 雙矩形組合 特點(diǎn)與矩形和平面形組合相同 但導(dǎo)向面之間的距離較大 側(cè)向間隙受溫度影響大 導(dǎo)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(dǎo)軌承受大部分壓力 用燕尾形導(dǎo)軌作側(cè)導(dǎo)向面 可減少壓板的接觸面 調(diào)整間隙簡便 V形和燕尾形組合 組合成閉式導(dǎo)軌的接觸面較少 便于調(diào)整間隙 V形導(dǎo)軌起導(dǎo)向作用 導(dǎo)向精度高 加工和測量都比較復(fù)雜 雙圓形組合 結(jié)構(gòu)簡單 圓柱面既是導(dǎo)向面又是支承面 對兩導(dǎo)軌的平行度要求嚴(yán) 導(dǎo)軌剛度較差 磨損后不易補(bǔ)償 圓形和矩形組合 矩形導(dǎo)軌可用鑲條調(diào)整 對圓形導(dǎo)軌的位置精度要求較雙圓形組合要求低 二 導(dǎo)軌間隙的調(diào)整 為了保證導(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 間隙過小會增大摩擦力 間隙過大又會降低導(dǎo)向精度 為此常采用鑲條和壓板來調(diào)整導(dǎo)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(jié)合面來調(diào)整 b 用改變墊片的厚度來調(diào)整 三 滑動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 1 壓強(qiáng)驗算 導(dǎo)軌的失效形式主要是磨損 而導(dǎo)軌的磨損又與導(dǎo)軌表面的壓強(qiáng)密切相關(guān) 1 導(dǎo)軌面上的壓強(qiáng) 假設(shè) 導(dǎo)軌本身剛度大于接觸剛度 只考慮接觸變形對壓強(qiáng)的影響 接觸變形和壓強(qiáng)沿導(dǎo)軌長度方向線性分布 沿導(dǎo)軌寬度方向均勻分布 當(dāng)導(dǎo)軌面上作用有法向力F和傾覆力矩M時 最大壓強(qiáng) 最小壓強(qiáng) 平均壓強(qiáng) 2 導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng) 當(dāng)M FL 1 6時 主導(dǎo)軌面上的最小壓強(qiáng)為正 可以用開式導(dǎo)軌 這時 主導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng)用前式計算 即 當(dāng)M FL 1 6時 主導(dǎo)軌面上的最小壓強(qiáng)為負(fù) 應(yīng)采用輔助導(dǎo)軌面和壓板 此種情況下 主導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng)可按下式計算 當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌面上的壓強(qiáng) 當(dāng)導(dǎo)軌面上作用有法向力F和傾覆力矩M時 輔助導(dǎo)軌面最大壓強(qiáng)可按下式計算 式中 pmax是主導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng) K 是系數(shù) 其值見圖18 12 當(dāng)導(dǎo)軌面上只作用有傾覆力矩M時 輔助導(dǎo)軌面上的最大壓強(qiáng)可按下式計算 式中系數(shù)K 查表18 2 4 許用壓強(qiáng) 為了保證導(dǎo)軌有足夠的耐磨性 設(shè)計導(dǎo)軌時 應(yīng)使導(dǎo)軌面上的平均壓強(qiáng)不超過許用平均壓強(qiáng) 最大壓強(qiáng)不超過許用最大壓強(qiáng) 即 不同工作條件下導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng)值不同 鑄鐵導(dǎo)軌的許用平均壓強(qiáng)和許用最大壓強(qiáng)見表18 3 鋼導(dǎo)軌可將表中數(shù)值提高20 30 2 運(yùn)動部件不被卡住的條件 保證運(yùn)動部件不被卡住的條件是 當(dāng)d L很小時 上式fVd L項可略去 則有 當(dāng)H 0時 即驅(qū)動力F的作用點(diǎn)在運(yùn)動部件的軸線上 可得運(yùn)動部件正常運(yùn)動的條件為 為了保證運(yùn)動靈活 建議設(shè)計時取 當(dāng)H及a均為零時 即驅(qū)動力F通過運(yùn)動件軸線 可得F Fa 此時驅(qū)動力不會產(chǎn)生附加的摩擦力 導(dǎo)軌的運(yùn)動靈活性最好 設(shè)計時應(yīng)力求符合這種情況 當(dāng)a 0時 即驅(qū)動力F平行于運(yùn)動部件軸線 可得 3 導(dǎo)軌主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 增大動導(dǎo)軌長度L 有利于提高導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度和運(yùn)動靈活性 但卻使運(yùn)動部件的尺寸和重量加大 因此 設(shè)計時一般取L 1 2 1 8 a 其中a為兩導(dǎo)軌之間的距離 如結(jié)構(gòu)允許 則可取L a 靜導(dǎo)軌的長度則主要取決于動導(dǎo)軌的長度及工作行程 導(dǎo)軌的主要尺寸有動導(dǎo)軌L和靜導(dǎo)軌的長度 導(dǎo)軌寬度b 兩導(dǎo)軌之間的距離a等 導(dǎo)軌寬度b可根據(jù)導(dǎo)軌面上的壓強(qiáng)不超過許用壓強(qiáng)的條件求出 兩導(dǎo)軌之間的距離a減小 則導(dǎo)軌尺寸減小 但導(dǎo)軌穩(wěn)定性變差 設(shè)計時應(yīng)在保證導(dǎo)軌工作穩(wěn)定的前提下 減小兩導(dǎo)軌之間的距離 四 提高導(dǎo)軌耐磨性的措施 合理選擇導(dǎo)軌的材料及熱處理 減小導(dǎo)軌面壓強(qiáng) 保證導(dǎo)軌良好的潤滑和防護(hù) 提高導(dǎo)軌的精度 第三節(jié)滾動導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌是在運(yùn)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(dǎo)軌運(yùn)動時處于滾動摩擦狀態(tài) 與滑動導(dǎo)軌比較 滾動導(dǎo)軌的特點(diǎn)是 摩擦系數(shù)小 并且靜 動摩擦系數(shù)之差很小 故運(yùn)動靈便 不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 導(dǎo)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 加工比較困難 成本較高 對臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感 滾珠導(dǎo)軌 一 滾動導(dǎo)軌的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 滾柱導(dǎo)軌 e 滾針導(dǎo)軌 十字交叉滾柱導(dǎo)軌 滾動軸承導(dǎo)軌 按導(dǎo)軌承受載荷種類的能力 滾動導(dǎo)軌分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌 按滾動體是否循環(huán) 滾動導(dǎo)軌分為循環(huán)式滾動導(dǎo)軌和非循環(huán)式滾動導(dǎo)軌 非循環(huán)式滾動導(dǎo)軌通常稱為滾動導(dǎo)軌 而把循環(huán)式滾動導(dǎo)軌稱為直線運(yùn)動滾動支承 二 滾動導(dǎo)軌的預(yù)緊 采用過盈裝配形成預(yù)加載荷 用移動導(dǎo)軌板的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)緊 三 導(dǎo)軌主要參數(shù)的確定 1 導(dǎo)軌的長度 動導(dǎo)軌的長度 靜導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)軌的長度和剛度條件 每一條導(dǎo)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(dǎo)軌所承受的載荷 N d為滾珠直徑 mm b為滾柱長度 mm 3 導(dǎo)軌強(qiáng)度計算 滾動導(dǎo)軌受力圖 按接觸區(qū)不產(chǎn)生塑性變形計算導(dǎo)軌面的靜強(qiáng)度 強(qiáng)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(dǎo)軌 對滾柱導(dǎo)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(dǎo)軌 對滾柱導(dǎo)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(dǎo)軌的接觸剛度系數(shù) N mm 按圖18 21 a 選取 k1為滾珠導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)量動載荷 kN 為壽命指數(shù) 當(dāng)滾動體為球時 3 當(dāng)滾動體為滾子時 10 3 K為額定壽命單位 當(dāng)滾動體為球時 K 50km 當(dāng)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(dǎo)軌的材料和熱處理 對滾動導(dǎo)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(dá)到60 66HRC 常用的導(dǎo)軌材料 低碳合金鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 氮化鋼 鑄鐵 本章結(jié)束