3.2　滚动摩擦导轨结构设计技巧与禁忌

滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体(滚珠、滚柱、滚动轴承等),使导轨运动时处于滚动摩擦状态。

与滑动摩擦导轨比较,滚动摩擦导轨的特点如下。

① 摩擦因数小,并且静、动摩擦因数之差很小,故运动灵便,不易出现爬行现象。

② 定位精度高,一般滚动导轨的重复定位误差为0.1~0.2μm,而滑动导轨的定位误差一般为10~20μm。因此,当要求运动件产生精确微量的移动时,通常采用滚动摩擦导轨。

③ 磨损较小,寿命长,润滑简便。

④ 结构较为复杂,加工比较困难,成本较高。

⑤ 对脏物及导轨面的误差比较敏感。

3.2.1　滚动摩擦导轨的类型及结构

滚动摩擦导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨等。

(1)滚珠导轨

① V形滚珠导轨　图3⁃30和图3⁃31是V形滚珠导轨的两种典型结构形式。在V形槽(V形角一般为90°)中安置着滚珠,隔离架用来保持各个滚珠的相对位置,固定在承导件上的限动销与隔离架上的限动槽构成限动装置,用来限制运动件的位移,以免运动件从承导件上滑脱。

　　图3⁃30中的OO轴为滚珠的瞬时回转轴线,由于a、b、c三点的速度与运动件的速度相等,但c点的回转半径rm大于a、b两点的回转半径rn,因此右排滚珠的速度小于左排滚珠的速度,为了避免由于隔离架的限制而使滚珠产生滑动,把隔离架右排的分珠孔制成平椭圆形。

V形滚珠导轨的优点是工艺性较好,容易达到较高的加工精度,但由于滚珠和导轨面是点接触,接触应力较大,容易压出沟槽,如沟槽的深度不均匀,将会降低导轨的精度。为了改善这种情况,可采取如下措施。

a.预先在V形槽与滚珠接触处研磨出一窄条圆弧面的浅槽,从而增加了滚珠与滚道的接触面积,提高了承载能力和耐磨性,但这时导轨中的摩擦力略有增加。

b.采用双圆弧滚珠导轨[图3⁃32(a)]。这种导轨是把V形导轨的V形滚道改为圆弧形滚道,以增大滚动体与滚道接触点的综合曲率半径,从而提高导轨的承载能力、刚度和使用寿命。双圆弧导轨的缺点是形状复杂,工艺性较差,摩擦力较大,当精度要求很高时不易满足使用要求。双圆弧滚珠导轨的主要参数如图3⁃32(b)所示,根据使用经验,滚珠半径r与滚道圆弧半径R之比常取为r/R=0.90~0.95,接触角θ=45°。

② 圆杆式滚珠导轨　图3⁃33所示是圆杆式滚珠导轨的结构,其中的A、B、C是三对淬火钢制成的圆杆,圆杆经过仔细的研磨和检验,以保证必要的直线度。运动

件下面固定的矩形杆F也用淬火钢制成,D和E是滚珠。这种导轨的优点是运动灵便性较好,耐磨性较好,圆杆磨损后,只需将其转过一个角度即可恢复原始精度。

③ 滚珠循环式滚珠导轨　当要求运动件的行程很大或需要简化导轨的设计和制造时,可采用滚珠循环式滚珠导轨。图3⁃34是这种导轨的结构简图,它由运动件、滚珠、承导件和返回器组成。运动件上有工作滚道和返回滚道,与两端返回器的圆弧槽面滚道接通,滚珠在滚道中循环滚动,行程不受限制。

为了保证滚珠导轨的运动精度和各滚珠承受载荷的均匀性,应严格控制滚珠的形状误差和各滚珠间的直径差。例如19JA万能工具显微镜横向滑板滚珠导轨,滚珠间的直径不均匀度和滚珠的圆度误差均要求在0.5μm以内。

(2)滚柱导轨与滚动轴承导轨

为了提高滚动导轨的承载能力和刚度,可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。这类导轨的结构尺寸较大,常用在比较大型的精密机械上。

① 交叉滚柱V⁃平导轨　如图3⁃35(a)所示,在V形空腔中交叉排列着滚柱,这些滚柱的直径d略大于长度b,相邻滚柱的轴线互相垂直交错,单数号滚柱在AA1面间滚动(与B1面不接触),双数号滚柱在BB1面间滚动(与A1面不接触),右边的滚柱则在平面导轨上运动。这种导轨不用保持架,可增加滚动体数目,提高导轨刚度。

② V⁃平滚柱导轨　如图3⁃35(b)所示,这种导轨加工比较容易,V形导轨滚柱直径d与平面导轨滚柱直径d1之间的关系为d=d1sin(α/2),其中α是V形导轨的V形角。若把滚柱取出,上、下导轨面正好可互相研配,所以加工比较方便。

③ 滚动轴承导轨　如图3⁃36所示,直接用标准的滚动轴承作滚动体,结构简单、易于制造、调整方便,而且摩擦力矩小、运动灵活。导轨中滚动轴承不仅起着滚动体的作用,而且本身还能代替运动件或承导件。这种导轨被广泛应用于一些大型光学仪器上。

用作导轨的滚动轴承有很多为非标准深沟球轴承,万能工具显微镜纵向导轨结构是滚动轴承导轨应用的典型实例,如图3⁃37所示,其内圈固定,外圈旋转。用作导向的滚动轴承,其径向跳动量应小于0.5μm,用作支承的滚动轴承,其径向跳动量应小于1μm。为减小变形,轴承的内圈和外圈要比标准轴承厚些,轴承的外圈表面磨成圆弧形曲面,以保证与导轨接触良好。

3.2.2　滚动摩擦导轨的结构设计技巧与禁忌

(1)导轨的强度和刚度应足够

直线滚动导轨的样本中给出的额定动(Ca)、静(C0a)载荷,都是在各个滚珠受载均匀的理想状态下算出的。因此,必须十分注意避免力矩载荷和偏心载荷。否则,一部分滚珠承受的载荷,有可能超过计算Ca值时确定的许用接触应力(3000~3500MPa)和C0a确定的许用接触应力(4500~5000MPa),导致过早的疲劳破坏或产生压痕并出现振动、噪声和降低移动精度等现象。

滚珠导轨支承的工作台左、右移动时(图3⁃38),因为工作台本身重量的影响,使滚珠变形不同,而导致工作台倾斜,因而产生误差。因此,使滚动导轨处于不利位置,应该进行刚度计算,必要时还应该进行强度计算。

　　(2)降低导轨面接触应力

导轨面采用适当形状可以减小接触应力。

导轨面为V形的导轨[图3⁃39(a)]接触应力大,而导轨面采用双圆弧形[图3⁃39(b)]可以得到比V形的导轨小的接触应力,

但圆弧半径应大于滚珠半径,以减小摩擦。

(3)滚动导轨加工、装拆、调整设计技巧与禁忌

① 注意相配合的导轨面能互研　对于V⁃平滚柱导轨,如果取为d1=d2[图3⁃40(a)],则当取下滚柱后,由于导轨不能互研而使精度较低。如果使滚柱直径的关系为d1=d2/sinα[图3⁃40(b)],则当取下滚柱后,上、下导轨面正好可以互研,导轨精度高。

② 减少导轨安装的调整工作　对于高精度导轨,应尽量减少调整工作。例如万能显微镜导轨[图3⁃41(a)],原设计用滚动轴承支承,滚动轴承有0.5mm的偏心,靠调整达到要求的精度。如改为用V⁃平滚珠导轨[图3⁃41(b)],用磨床磨制导轨工作面以达到要求精度,这样改进以后,在保证原有精度情况下,生产率明显提高。

③ 回转导轨座圈连接结构应便于调整间隙　如图3⁃42所示为塔式起重机回转导轨结构,塔身通过紧固螺柱与上、下座圈连成一体,沿圆周排列的滚柱与上、下座圈和外齿轮组成下回转导轨。长期工作后,导轨与滚柱间的间隙增大,靠改变垫片厚度来调整间隙。改进前的结构如图3⁃42(a)所示,组装螺钉是上圈拧紧的,因此松开紧固螺栓的螺母,垫片还是抽不出来,只有先拆掉塔身,再松开组装螺钉,才能抽出垫片,进行调整间隙,因此调整极不方便。改进后的结构如图3⁃42(b)所示,组装螺钉从下圈拧入,则调整间隙时不需拆掉塔身,直接从下面松开紧固螺栓的螺母和组装螺钉,便可抽出垫片,调整很方便。

④ 防止滚动件脱出导轨　滚动导轨的滚珠是在导轨上自由运动的。长期工作之后滚珠可能从导轨的一端脱出[图3⁃43(a)]。因此,应在导轨的两端设置限位装置以防滚珠脱出[图3⁃43(b)]。