3.1　滑动摩擦导轨结构设计技巧与禁忌

滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接触。其优点是结构简单,接触刚度大;缺点是摩擦阻力大,磨损快,低速运动时易产生爬行现象。

3.1.1　滑动摩擦导轨的类型及结构

按导轨承导面的截面形状,滑动摩擦导轨可分为圆柱面导轨和棱柱面导轨,其分类和截面形状见表3⁃1。其中凸形导轨不易积存切屑、脏物,但也不易保存润滑油,故宜作低速导轨,例如车床的床身导轨。凹形导轨则相反,可作高速导轨,如磨床的床身导轨,但需有良好的保护装置,以防切屑、脏物掉入。

　　(1)圆柱面导轨

圆柱面导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单,易于达到较高的精度;缺点是对温度变化比较敏感,

间隙不能调整。

在图3⁃2所示的结构中,支臂和立柱构成圆柱面导轨。立柱的圆柱面上加工有螺纹槽,转动螺母即可带动支臂上下移动,螺钉用于锁紧,垫块用于防止螺钉压伤圆柱表面。

对于圆柱面导轨,在多数情况下,运动件的转动是不允许的,为此,可采用各种防转结构。最简单的防转结构是在运动件和承导件的接触表面上制出平面、凸起或凹槽。图3⁃3(a)、(b)、(c)所示是这种防转结构的几个例子。利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动[图3⁃3(d)]。适当增大辅助导向面与基本导向面之间的距离,可减小由导轨间的间隙所引起的转角误差。当辅助导向面也为圆柱面时,即构成双圆柱面导轨[图3⁃3(e)],它既能保证较高的导向精度,又能保证较大的承载能力。

为了提高圆柱面导轨的精度,必须正确选择圆柱面导轨的配合。当导向精度要求较高时,常选用H7/f7或H7/g6配合。当导向精度要求不高时,可选用H8/f7或H8/g7配合。若仪器在温度变化不大的环境下工作,可按H7/h6或H7/js6配合加工,然后再进行研磨直到能够平滑移动时为止。

(2)棱柱面导轨

常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨。

① 双三角形导轨　两条导轨同时起着支承和导向作用[图3⁃4(a)],故导轨的导向精度高,承载能力大,两条导轨磨损均匀,磨损后能自动补偿间隙,精度保持性好。但这种导轨的制造、检验和维修都比较困难,因为它要求四个导轨面都均匀接触,刮研劳动量较大。此外,这种导轨对温度变化比较敏感。

② 三角形⁃平面导轨　这种导轨[图3⁃4(b)]保持了双三角形导轨导向精度高、承载能力大的优点。避免了由于热变形所引起的配合状况的变化,且工艺性比双三角形导轨大为改善,因而应用很广。缺点是两条导轨磨损不均匀,磨损后不能自动调整间隙。

③ 矩形导轨　可以做得较宽,因而承载能力和刚度较大。优点是结构简单,制造、检验、修理较易。缺点是磨损后不能自动补偿间隙,导向精度不如三角形导轨。

图3⁃5所示结构是将矩形导轨的导向面A与承载面B、C分开,从而减小导向面的磨损,有利于保持导向精度。图3⁃5(a)中的导向面A是同一导轨的内外侧,两者之间的距离较小,热膨胀变形较小,可使导轨的间隙相应减小,导向精度较高。但此时两导轨面的摩擦力将不同,因此应合理布置驱动元件的位置,以避免工作台倾斜或被卡住。图3⁃5(b)所示结构以两导轨面的外侧作为导向面,克服了上述缺点,但因导轨面间距离较大,容易受热膨胀的影响,要求间隙不宜过小,从而影响导向精度。

④ 燕尾形导轨　主要优点是结构紧凑、调整间隙方便。缺点是几何形状比较复杂,难于达到很高的配合精度,并且导轨中的摩擦力较大,运动灵活性较差,因此通常用在结构尺寸较小及导向精度与运动灵便性要求不高的场合。图3⁃6所示为燕尾形导轨的应用举例,其中图3⁃6(c)所示结构的特点是把燕尾槽分成几块,便于制造、装配和调整。

3.1.2　滑动摩擦导轨的结构设计技巧与禁忌

滑动摩擦导轨结构设计的原则,首先是要合理地确定驱动力方向和作用点,使导轨的倾覆力矩尽可能小,从而消除运动件移动时转动的趋势,使运动件移动平稳而且灵活。此外,导轨间隙的调整、维修以及温度变化和刚度的影响等问题,也要综合考虑。下面分别予以讨论。

(1)符合力学要求的设计技巧与禁忌

① 驱动力作用点应使两导轨的阻力矩平衡　用螺旋驱动的工作台,螺旋中心A的位置应适当选择(图3⁃7),使两条导轨产生的摩擦力F1、F2对A的摩擦力矩相平衡,即l1F1=l2F2。否则将产生不平衡的摩擦力矩,在工作台反向时,由于摩擦力矩的作用,使工作台在水平面内旋转一个角度(决定于导轨刚度和间隙大小)。

② 倾覆力矩较大时导轨运动不灵活　图3⁃8(a)所示为一用油缸驱动的工作台,两侧采用圆柱面导轨,因油缸偏置,产生倾覆力矩,导轨中的立柱和套筒间产生摩擦阻力,致使工作台上下移动不灵活,有别劲现象,且有振动和噪声。为解决上述不足,可改为如图3⁃8(b)所示,加配重,重锤的重量与油缸推力大小必须考虑力臂l1、l2的大小,或将油缸放在重物的重心线上,这样运动便可正常。

③ 工作台不要与驱动件刚性连接　如图3⁃9(a)所示,导轨上的工作台与驱动件丝杠刚性连接,如果两者相互不平行,则导轨运动将不灵活,甚至发生卡滞现象。而图3⁃9(b)所示的连接只保证丝杠能驱动工作台运动,其它方向允许有一定的自由移动与转动,丝杠与工作台二者即使平行度有一些误差,也不会导致运动不灵活或发生卡滞现象。

④ 应避免导轨的压板固定接触不良　固定工作台的压板常与下导轨面接触,在工作台受向上的力或倾覆力矩时,压板起固定作用,因此压板应与下导轨面紧密、全面地接触。由于压板受力时相当于悬臂梁,压板与床身之间不能只用一个螺栓固定,如图3⁃10(a)所示,而应该采取如图3⁃9(b)所示方式固定。

⑤ 不宜使导轨与工作台两者中“长的在上”　在床身上通过导轨支撑工作台,二者之间相对运动,如果上面的移动件较长,而下面的支撑件较短[图3⁃11(a)],则当移动到左或右极限位置时,由于工作台及其上工件的重量偏移,而使导轨受力不均匀,产生不均匀磨损。图3⁃11(b)所示较好。

　　⑥ 镶条应装在不受力面上　有镶条的表面导向精度和承载能力差,所以不应该用有镶条的面作为受力面,如图3⁃12(a)所示,而应当采用图3⁃12(b)所示结构。当不能避免有镶条的面承载时,要使有镶条的表面受力最小,如图3⁃12(c)所示。

(2)调整间隙结构设计技巧与禁忌

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。间隙过小会增大摩擦力,间隙过大又会降低导向精度,所以常采用镶条进行调整。如图3⁃13所示为截面为矩形[图3⁃13(a)]或平行四边形[图3⁃13(b)]的平镶条的调整结构。有关间隙调整结构的设计分述如下。

① 双矩形导轨应装镶条调整间隙。双矩形导轨用侧面导向时,靠加工精度以保持导向面两边良好接触是困难的,如图3⁃14(a)所示。应采用镶条调整间隙,如图3⁃14(b)所示。

② 镶条导轨不宜用开槽沉头螺钉固定。在机座上安装镶条导轨时,机座上常预先加工出凸台或凹槽定位导轨,或采用销钉定位导轨,在已有定位装置的情况下,不宜采用头部为锥面或者有定心作用的开槽沉头螺钉,如图3⁃15(a)所示,这种螺钉在导轨已定位的情况下,因无法调整,而使头部锥面无法均匀接触。此时,应采用内六角螺钉,如图3⁃15(b)所示。

　　③ 镶条调整应无间隙。图3⁃16(a)所示用一个螺钉调整镶条位置,结构虽然简单,但螺钉头与镶条凹槽之间有间隙,工作中引起镶条窜动,使导轨松紧不一致,产生间隙。而图3⁃16(b)所示用两个螺钉,消除了间隙,比较合理,但这一结构的螺钉还应有防松装置,图中没有画出。

④ 选用耐磨材料提高导轨耐磨性保持适当间隙。合理选用材料或使用耐磨的材料作衬板,不易研伤,提高了导轨的耐磨性,可较长时间保持适宜的间隙。如图3⁃17(a)所示,压模机滑动模架中的滑动模板与支座之间无衬板,互相之间极易研伤,且磨损后间隙无法进行补偿,长期磨损间隙变大,连接螺栓就会松动,致使滑动模架下沉,模具不能处于正确位置,易出废品。若采用图3⁃17(b)所示结构,在滑动模架与支座间加耐磨的铜材料作衬板,不易研伤,且在磨损后可加垫片进行补偿,导轨可在较长的时间内正常工作。

⑤ 镶条一般应放在受力较小一侧,如要求调整后中心位置不变,可在导轨两侧各放一根镶条。

⑥ 导轨长度较长时(l>1200mm)时,可采用两根镶条在两端调节,使结合面加工方便、接触良好。

⑦ 选择燕尾形导轨的镶条时,应考虑部件装配的方式,即便于装配。

(3)有利于制造装拆的结构设计技巧与禁忌

① 固定导轨的螺钉不应斜置　如图3⁃18(a)所示,当螺钉倾斜时,加工、装配都不方便,结构不合理,应改成图3⁃18(b)所示的结构。

　　② 避免导轨铸造缺陷　铸造与机座连在一起的导轨时,浇注时应使导轨位于最底部位,减少铸造缺陷。并且应使铸件各处厚度差异不大,避免出现铸造缩孔的缺陷(图3⁃19)。

③ 压板要有尺寸分界　为了调整压板与导轨底面之间的间隙,常采用加工压板A面的方法(图3⁃20)。在压板与导轨和床身之间结合面处开出沟槽,便于加工压板A面,以调整间隙。

(4)提高导轨刚度的结构设计技巧与禁忌

为了保证机构的工作精度,设计时应保证导轨具有足够的刚度。为此,设计时必须予以重视,有关设计技巧与禁忌分述如下。

① 镶条要有足够的刚度　如图3⁃21(a)所示的螺钉无锁紧装置,镶条很薄,刚度差,不能保证精度要求。图3⁃21(b)所示结构在镶条刚度和锁紧的可靠性方面得到了改善。

② 导轨支撑部分应该有较高的刚度　当导轨与铸造床身为一体时,应保证导轨部分有较高的刚度。不应把导轨设计成悬臂结构,如图3⁃22(a)所示。应使支撑在导轨下面,而且要有加强肋,如图3⁃22(b)所示。

③ 导轨结构形式对刚度影响案例分析　图3⁃23所示为小型坐标镗床导轨结构。图3⁃23(a)采用滑动导轨,在工作载荷有较大倾覆力矩时,会使工作台一端抬起,使机床加工时发生抖动,甚至无法加工。改用图3⁃23(b)结构,采用滚柱导轨,且增加了预压板A、B,它们与导轨的间隙不大于0.02mm,并采用了弹簧压紧(图中未表示)。

两种结构的导轨刚度对比见图3⁃24(a)、(b)及表3⁃2。由表中数值可见,后者显然优于前者。

(5)提高导轨导向精度的设计技巧与禁忌

① 三角形⁃平面导轨比双矩形导轨导向精度高　在工作台受力变化时,应避免因导向面改变而引起的误差。图3⁃25(a)所示的双矩形导轨不如图3⁃25(b)所示的三角形导轨⁃平面导轨使用好。

② 一般情况下不宜采用双V导轨　双V导轨[图3⁃26(a)]由于两条导轨都有导向作用,在一般情况下,难以达到两条导轨都密切接触。因此导轨的导向和支承作用不易圆满地实现。一般以采用V⁃平导轨[图3⁃26(b)]比较合适。采用V导轨必须有很高的加工精度,以保持两条导轨平行、等高、尺寸一致等,这种导轨的精度比较稳定,但造价很高。

③ 双圆柱面导轨比单圆柱面导轨导向精度高　圆柱面导轨,在多数情况下,运动件的转动是不允许的,为此,可采用各种防转结构。利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动,图3⁃27(a)所示为单圆柱面利用辅助导向面防转结构。适当增大辅助导向面与基本导向面之间的距离,可减小由导轨间的间隙所引起的转角误差。当辅助导向面也为圆柱面时,即构成双圆柱面导轨,如图3⁃27(b)所示。双圆柱面导轨比单圆柱面导轨导向精度高,它既能保证较高的导向精度,又能保证较大的承载能力。

　　④ 避免拧紧紧定螺钉时引起导轨变形影响精度　如图3⁃28(a)所示,当拧紧紧定螺钉时使导轨下凹,形成波纹形,影响了导轨的直线性。可改变导轨的剖面形状,使导轨成为一个独立的、刚度较大的部分,如图3⁃28(b)所示,如果螺钉固定部分与导轨用有较大柔性的小截面相连,可以减小紧定螺钉引起的变形对导轨直线性的影响。

(6)温度变化较大时应避免导向面之间距离太大　双矩形导轨利用两个侧面为导向面,用距离较远的两导向面时,导轨摩擦力是对称的,工作平稳,但在温度变化较大的情况下,间隙变化较大,可能会发生较大的晃动,甚至卡死[图3⁃29(a)]。此时,用一个导轨的两个侧面导向比较合适[图3⁃29(b)]。