1.4 导轨磨床导轨的结构及特点_大型精密机床自准直设计原理及其应用-QQ阅读男生历史网

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1.4　导轨磨床导轨的结构及特点

1.4.1　对导轨的要求

导轨一般用来支承及导向运动部件，使之准确地沿着直线方向运动或圆周方向运动，数控机床上的直线运动部件一般沿着它的床身、立柱、横梁等支承部件的导轨运动，所以导轨的制造精度高低及精度保持性对机床加工精度有着重要的影响。数控机床对机床导轨的主要要求如下。

（1）足够的刚度

机床各运动部件所承受的外力，最终都要由导轨面来承担。若导轨受力后变形过大，就破坏了导向精度，同时恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要取决于导轨的类型、结构形式和尺寸大小、导轨与床身的连接方式、导轨的材料和表面加工质量等。数控机床的导轨要取较大的截面积，有的甚至还需要在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度。

（2）高的导向精度

导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线与有关基面之间的相互位置的准确性，它保证部件运动的准确。因此，无论是空载还是加工，导轨都应该具有足够的导向精度，这是对导轨的基本要求。导向精度受导轨的结构形状、组合方式、制造精度和导轨间隙的调整等影响，各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准，以保证导轨的导向精度。

（3）良好的耐磨性

耐磨性好使导轨的导向精度能够长久保持，耐磨性受到导轨副的材料、硬度、润滑和载荷等的影响。数控机床导轨的摩擦因数要小，而且动、静摩擦因数应尽量接近，以减小摩擦阻力和导轨热变形，使运动平稳轻便，低速且无爬行。

（4）好的精度保持性

数控机床精度保持性是指导轨保持原始精度的能力。影响精度保持性的因素主要是导轨接触面的磨损程度，特别是与导轨的结构形式以及支承件的材料密切有关。数控机床的精度保持性比普通机床要求高，如数控机床采用摩擦因数小的滚动导轨、塑料导轨或静压导轨，以减小摩擦力，进而减小磨损。

（5）低速运动的平稳性

低速运动的平稳性是指运动部件在导轨上低速滑动时，不发生爬行现象。造成爬行的原因很多，主要与摩擦性质、润滑条件和传动系统的刚度等相关。

1.4.2　导轨的种类和特点

机床导轨按运动件相对于固定件的运动轨迹可分为圆周运动导轨和直线运动导轨；按导轨接合面的摩擦性质主要可以分为滑动导轨和静压导轨两类。

（1）滑动导轨

① 滑动导轨的分类　滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，广泛应用在机床上。滑动导轨常见的截面形状如图1-19所示。

图1-19　滑动导轨常见的截面形状

a.矩形导轨　如图1-19（a）所示，这种导轨承载能力大，制造简单，且水平方向和垂直方向上的位置精度各不相关；但侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机构。

b.三角形导轨　如图1-19（b）所示，由于三角形有两个导向面，可以同时控制水平方向和垂直方向上的导向精度，因此这种导轨在载荷作用下，能自动补偿侧面间隙，导向精度较其他导轨高。

c.燕尾槽导轨　如图1-19（c）所示，这种导轨的高度最小，能承受倾覆力矩，但摩擦阻力较大。

d.圆柱形导轨　如图1-19（d）所示，这种导轨制造容易，但磨损后调整间隙困难。

以上截面形状的导轨还可分成凸形（如图1-19中对应的上图）和凹形（如图1-19中对应的下图）。凹形的易于存油，但也容易积存切屑和尘粒，所以适用于具有良好防护的环境；凸形的则需要有良好的润滑条件。矩形导轨通常也称为平导轨；三角形导轨在凸形时称为山形导轨，在凹形时则称为V形导轨。

滑动导轨的组合形式与应用如图1-20所示。直线运动的导轨一般是由两条导轨组成，按不同类型机床的工作要求采取不同的组合形式。在数控机床上，滑动导轨的形状主要是三角形-矩形式和矩形-矩形式两种，只有少部分结构采用燕尾式。双矩形导轨侧边导向，当采用一条导轨的两侧边导向时称为窄式导向，如图1-20（a）所示；若是分别用两条导轨的两侧边导向，则称为宽式导向，如图1-20（b）所示。窄导向式制造容易，受热变形影响小。

图1-20　窄式导向与宽式导向

② 滑动导轨的材料　主要是铸铁、钢、塑料以及有色金属，应根据机床性能、成本的要求，合理选择导轨材料及热处理方法来降低摩擦因数，提高导轨耐磨性。

a.铸铁　是导轨常用的材料，常用铸铁的牌号为HT200和HT300。为了提高导轨的耐磨性，还有应用孕育铸铁、高磷铸铁和合金铸铁的。

b.钢　镶钢导轨也是机床导轨的常用形式之一，其常用材料为T10A、GCr15或38CrMnAl。镶钢导轨具有硬度高、耐磨性好的优点，但其制造工艺复杂，安装费时（尤其分段接长时），成本较高，并且总体刚度不如整体铸铁导轨好。近年来，为了发扬整体铸铁导轨和镶钢导轨的优点，避免它们的缺点，出现了把型钢与床身本体铸成一体的导轨形式，这种导轨经过淬火处理，其硬度可达60HRC以上。

c.塑料　镶粘塑料导轨是通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带，来达到改善导轨性能的目的。这种导轨所具有的共同特点是：摩擦因数小，并且动、静摩擦因数之差也很小，这样能防止低速爬行现象；耐磨性、抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好，并且工艺简单、成本低，具有良好的自润滑和抗振性。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配合使用。

常用的塑料导轨软带主要有以下两种。

ⅰ.以聚四氟乙烯为基体，通过添加多种填充材料而制成的高分子复合材料。纯聚四氟乙烯是不耐磨的，因而必须添加663青铜粉、石墨、MoS2、铅粉等填充材料来增加其耐磨性。这种导轨软带具有良好的抗磨、减摩、吸振、消声等性能；适用的工作温度范围宽（-200～280℃）；动、静摩擦因数小，并且两者差别很小；它还可以在干摩擦下应用，并能吸收外界进入导轨面的硬粒，使导轨不致拉伤和磨损。

这种材料一般被做成厚度为0.1～2.5mm的塑料软带的形式，粘贴在导轨基面上，如图1-21所示。图1-21（b）中的床身、滑板之间采用了聚四氟乙烯-铸铁导轨副，在滑板的各导轨面、压板和镶条上也粘贴有聚四氟乙烯塑料软带，以满足机床对导轨低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求。图1-21（a）为聚四氟乙烯塑料软带粘贴尺寸及粘贴表面加工要求，在导轨面加工出0.5～1mm深的凹槽，通过粘接剂将塑料软带与导轨粘接。

图1-21　镶粘塑料导轨的结构示意

这种导轨软带还可以制成金属与塑料的导轨板形式（称为DU导轨）：DU导轨是一种在钢板上烧结青铜粉以及真空浸渍含铅粉的聚四氟乙烯的板材。这种导轨板的总厚度为2～4mm，多孔青铜上方表层的聚四氟乙烯的厚度约为0.025mm。它的优点是刚性好，线胀系数几乎与钢板相同。

ⅱ.以环氧树脂为基体，加入胶体石墨、TiO2、MoS2等制成的抗磨涂层材料。这种涂层材料附着力强，可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形状的导轨上，涂层的厚度为1.5～2.5mm。环氧树脂耐磨涂料与铸铁组成的导轨副中，摩擦因数为0.1～0.12，在无润滑油的情况下仍有较好的润滑和防爬行的效果。

塑料涂层导轨主要使用在大型和重型的机床上。

③ 滑动导轨的技术要求

a.导轨的精度要求　不管是平-平型还是V-平型的滑动导轨，导轨面的平面度一般取0.01～0.015mm，长度方向的直线度一般取0.005～0.01mm，侧导向面的直线度一般取0.01～0.015mm，侧导向面之间的平行度一般取0.01～0.015mm，侧导向面对导轨底面的垂直度一般取0.005～0.01mm。　

镶钢导轨的平面度必须控制在0.005～0.01mm以下；平行度和垂直度控制在0.01mm以下。

b.导轨的热处理　由于数控机床的开动率普遍都很高，这就要求导轨具有较高的耐磨性，所以导轨大多都需要淬火处理。导轨淬火处理的方式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等，用得最多是前两种处理方式。

铸铁导轨的淬火硬度通常为50～55HRC，个别要求达到57HRC，淬火层的深度规定是经磨削后应保留1.0～1.5mm。

镶钢导轨通常采用中频淬火或渗氮淬火的处理方式，淬火硬度为58～62HRC，渗氮层厚度为0.5mm。

（2）静压导轨

静压导轨是在两个相对滑动面之间开有油腔，将有一定压力的油通过节流输入油腔，形成压力油膜，使运动件浮起。在工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。所以静压导轨的摩擦因数极小（约为0.0005），功率消耗小，导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。此外，油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性好，油膜还有吸振作用，所以抗振性也好。静压导轨运动平稳，无爬行，也不会产生振动。静压导轨的缺点是结构复杂，并需要有一套良好过滤效果的液压装置，制造成本高。静压导轨较多应用在大型、重型的数控机床上。

静压导轨按导轨形式可以分为开式和闭式两种，数控机床用的是闭式静压导轨。按供油方式又可以分为恒压（即定压）供油和恒流（即定量）供油两种。

静压导轨横截面的几何形状有矩形和V形两种。采用矩形便于制成闭式静压导轨；采用V形便于导向和回油。此外，油腔的结构对静压导轨性能也有很大影响。