機電裝備支承件和導軌設計_機電裝備設計PPT

1、1,第四章 機電裝備支承件和導軌設計Bearing Part And Guideway Design for Electro-mechanical Equipment,4.6 導軌的類型及基本要求 4.7 滑動導軌設計 4.8 卸荷導軌設計 4.9 滾動導軌設計 4.10 潤滑與防護、提高耐磨性的措施,本節(jié)主要內(nèi)容,2,4.6 導軌的類型及基本要求,4.61 功用和分類 功用：使運動部件沿一定的軌跡(直線或圓周)運 動，并承受運動部件上的載荷即起導向和承載作 用。 在導軌副中，運動的一方稱作運動導軌，不 動的一方稱作支承導軌。支承導軌用以支承和約 束運動導軌，使之按功能要求作正確運動,3,按運

2、動導軌的軌跡分： 直線運動導軌副：一個直線運動自由度 圓周運動導軌副：一個旋轉(zhuǎn)自由度 按導軌面間的摩擦特性分： 滑動摩擦導軌副：是基礎 滾動摩擦導軌副：導向精度高 液體摩擦導軌副：吸振性好，摩擦系數(shù)小 導軌面間有一層油膜，實現(xiàn)液體摩擦，導軌間不相互接 觸，摩擦因數(shù)為0.00050.0010，不會磨損，有利于保持 導軌的導向精度，在低速下不宜產(chǎn)生爬行，在機床上得到 廣泛應用,分類,4,按結(jié)構(gòu)形式分 ：開式導軌和閉式導軌,開式導軌： 必須借助于運動件的自重或外載荷，保證在一定的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導軌和支承導軌的工作面保持可靠的接觸，從而保證運動導軌的規(guī)定運動。 結(jié)構(gòu)簡單，但不能承受較大顛覆

3、力矩的作用,5,閉式導軌： 借助導軌副本身的封閉式結(jié)構(gòu)，保證在變化的空間位置和受力狀態(tài)下，運動導軌和支承導軌的工作面都能始終保持可靠的接觸，從而保證運動導軌的規(guī)定運動,6,4.6.2 導軌副應滿足的要求 1、導向精度 定義：運動導軌的實際運動方向與給定運動方向之間的偏差。 影響導向精度的主要因素：導軌的幾何精度、導軌的結(jié)構(gòu)形式、裝 配質(zhì)量、導軌及其支承件的剛度和熱變形等。 2、接觸精度 定義：導軌副摩擦表面的實際接觸面積占理論接觸面積的百分比。 3、精度保持性 主要由導軌的耐磨件決定。影響因素有磨損性質(zhì)、載荷狀況、 導軌材料、工藝方法和潤滑防護條件等。 4、低速運動平穩(wěn)性 低速運動速度可達0.

4、05mm/min 。 5、剛度 6、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好等,7,4.7 滑動導軌,4.7.1 材料與熱處理 對導軌材料的要求和匹配 材料應具有良好的耐磨件、摩擦因數(shù)小和動靜摩擦因 數(shù)差小； 加工和使用時產(chǎn)生的內(nèi)應力小，工藝性和尺寸穩(wěn)定性 好及成本低等性能； 導軌副應盡量由不同材料組成，如果選用相同材料， 應采用不同的熱處理或不同的硬度； 通常動導軌用較軟、耐磨性低的材料，固定導軌用較 硬和耐磨材料制造,8,導軟材料匹配及其相對壽命,注：導軌材料前邊為動導軌，后面為定導軌,9,導軌材料與熱處理 鑄鐵（灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵） 鑄鐵是一種成本低、有良好的減振性和耐磨性、易于鑄造和切削加 工的金屬

5、材料。 灰鑄鐵： 應用最多的灰鑄鐵是HT200，鑄鐵鑄鐵的導軌摩擦副適 用于需要手工刮研的導軌；對加工精度保持性要求不高的中等精度 和運動速度低的導軌。 孕育鑄鐵： 在鐵水中加入少量孕育劑硅和鋁而構(gòu)成的孕育鑄鐵，可 使鑄件獲得到均勻的強度和硬度。 耐磨鑄鐵： 高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵。高磷鑄鐵是指磷的 質(zhì)量分數(shù)高于0.3的鑄鐵、耐磨性比孕育鑄鐵提高1倍多。磷銅鈦 鑄鐵和釩鈦鑄鐵是提高機床導軌耐磨性的好材料。具有力學性能 好、耐磨性比孕育鑄鐵高1.52.0倍、鑄鐵質(zhì)量容易控制等優(yōu)點，但 成本較高。目前多用于精密機床,10,鑄鐵導軌的淬火 接觸電阻淬火淬硬深度很淺，對導軌耐磨性提高的 幅度不

6、大。 感應淬火有高頻與中頻感應加熱淬火兩種，硬度可達 4555HRC，耐磨性可提高近兩倍。中頻加熱淬硬層 較深，可達23mm。高頻與中頻淬火后的導軌面要進 行磨削加工。 火焰表面淬火的導軌因淬硬層深而使導軌耐磨性有 較大的提高，但淬火后的變形較大，增加了磨削加工 量,11,電極間的短路電流控制在400600A，工作時滾輪在 20N的壓力下與HT導軌保持接觸。導軌與滾輪接觸產(chǎn)生電 熱效應 ,自行冷卻。淬硬深度0.15mm左右， 硬度達55HRC,12,鋼： 采用淬火鋼和氮化鋼的鑲鋼導軌，可大幅度地提高導軌的耐磨性。 鑲鋼導軌材料有幾類： 合金工具鋼或軸承鋼，牌號為9Mn2V、GrWMn、GGr

7、l5 等。整體淬硬，硬度60 HRC； 高碳工具鋼，牌號為T8A、T10A等，整體淬硬，硬度 58HRC； 中碳鋼。牌號為45或40C r ，整體淬硬，硬48HRC； 低碳鋼，牌號為20 C r，滲碳淬硬，硬度61HRC ； 氮化鋼，牌號為38CrMoALA以，氮化處理，表面硬度 850HV（相當于6465HRC,13,有色金屬 用于鑲裝導軌的有色金屬板的材料，主要有：錫青銅 ZCuSn6Pb6Zn3、鋁青銅ZCuAl9Mn2和鋅合金ZZuAl-10-5 等。 多用于重型機床的動導軌上，與鑄鐵的支撐導軌相配偶， 用于防止撕傷、保證運動的平穩(wěn)性和提高移動精度。 從摩擦狀態(tài)和耐磨性來看，鋁青銅ZC

8、nAl9Mn2與錫青銅 ZCuSn6Pb6Zn3相仿，抗磨料磨損的耐磨性比鋅合金ZZnAl- 10-5高，但鋅合金的抗撕傷能力比較強。從成本來看，鋁青 銅ZCnAl9Mn2比錫青銅ZCuSn6Pb6Zn3低，但比鋅合金 ZZnAl-10-5高,14,高分子材料 鑲裝高分子材料導軌具有摩擦因數(shù)低、耐磨性好、 抗損傷能力強、低速時不易出現(xiàn)爬行、加工性和化學 穩(wěn)定性好、工藝簡單和成本低等優(yōu)點，在各類機床的 動導軌上都有應用，在精密、數(shù)控和重型機床動導軌 上的應用在逐漸增多。塑料導軌可與不淬硬的鑄鐵導 軌組成對偶摩擦副，也可與鑲鋼導軌組成對偶摩擦 副,15,4.7.2 結(jié)構(gòu)形式,a)凸矩形 b)凹矩形

9、,矩形導軌：剛度高，加工、檢驗和維修都較方便的優(yōu)點。但矩形導軌存在側(cè)向間隙，導向性差。 矩形導軌適用于載荷較大而導向性要求略低的機床。矩形導軌的承載面(頂面) 和導向面(側(cè)面)分開，精度保持性較好。導向面磨損量直接影響導向精度。凹矩形導軌易存潤滑油，但也易積灰塵污物，必須進行防護,直線運動導軌,16,a)凸三角形 b)凹三角形,三角形導軌：承載面與導向面重合，磨損量能自動補償，導向精度較高。頂角在60120度內(nèi)變化，頂角越小，導向精度越高，但摩擦力也越大。 小頂角用于輕載精密機械，大頂角用于大型機械； 凸三角形支承導軌，不易積存切屑，不易存留潤滑油，適用于不易防護、速度較低的進給運動導軌； 凹

10、三角形支承導軌，能得到較充足的潤滑，除用于精密與大型機床的進給導軌外，還可用于主運動導軌，但是必須很好地防護，以免落入切屑和灰塵,17,18,a)凸燕尾形 b)凹燕尾形,燕尾形導軌：在承受顛覆力矩的條件下高度較小，用于多坐標多層工作臺，使總高度減小。 加工、維修較困難，磨損后不能自動補償； 可用鑲條來調(diào)整間隙，結(jié)構(gòu)緊湊,上三種導軌形狀均由直線組成，稱為棱柱面導軌,19,a)凸圓形 b)凹圓形,圓形導軌：制造方便，工藝性好，但磨損后難于調(diào)整間隙。多用于只承受軸向力的部件，如立式導軌,天津海特直線軸承,20,直線運動導軌的組合形式,雙矩形組合：兩條矩形導軌的組合突出了矩形導軌承載能力較大的特點，但

11、導向性稍差。 多用于普通精度的機床和重型機床。 由一條導軌的兩側(cè)導向時，為窄式組合； 分別由兩條導軌的外側(cè)導向時，為寬式組合。 導軌受熱膨脹時寬式組合的矩形導軌比窄式變形量大，調(diào)整時應留較大的側(cè)向間隙，因而導向性較差。雙矩形導軌窄式組合比寬式用得更多一些,21,雙三角組合： 兩條三角形導軌的組合突出了三角形導軌的優(yōu)缺點。 導向性和精度保持性； 由于超定位，加工、檢驗和維修都比較困難。 多用于精度要求較高的機床，如絲杠車床、單柱坐標鏜床和齒輪加工機床等,22,矩-三角組合：兼有導向性好、制造方便和剛度高的優(yōu)點，承載能力優(yōu)于雙三角組合，導向性優(yōu)于雙矩形組合，工藝性介于二者之間，應用廣泛,雙圓柱導軌

12、：常用于只受軸向力的場合，如拉床、攻螺紋機和機械手等,23,旋轉(zhuǎn)運動的導軌,平面環(huán)形導軌只能承受軸向載荷，因而必須與主軸聯(lián)合使用，由主軸來承受徑向載荷。這種導軌適用于由主軸定心的各種回轉(zhuǎn)運動導軌的機床，例如立式車床。 2錐面導軌 母線傾角在15度45度范圍內(nèi)變化，常取30度。除軸向載荷外還能承受一定的徑向載荷,1平面環(huán)形導軌 承載能力大、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性較好、制造方便的優(yōu)點,24,雙錐面(V形)導軌 除軸向載荷和徑向載荷外，能承受一定顛覆力矩。其缺點是工藝性差，在與主軸聯(lián)合使用時既要保證導軌面的接觸，又要保證導軌面與主軸的同心是相當困難的，因此有被平面環(huán)形導軌取代的趨勢,20度70度,25,4

13、.7.3導軌壓強計算 分析導軌面上的受力和比壓； 探討合適的導軌結(jié)構(gòu)，減小導軌的比壓； 力求磨損均勻，使導軌結(jié)構(gòu)上保證磨損后對 加工精度影響盡可能的小； 磨損后能調(diào)整間隙,26,比壓計算,許用壓強的計算方法，見表5-2（導軌的許用壓強,27,4.7.4 靜壓導軌,工作原理與靜壓軸承相同。在導軌的油腔中通入一定壓強的潤 滑油，使動導軌微微抬起，在導軌面間充滿潤滑油所形成的油膜， 使導軌處于純液體摩擦狀態(tài)。 優(yōu)點： 靜壓油膜使導軌面分開，導軌即使在起動和停止階段也沒有磨 損，精度保持性好。 靜壓導軌的油膜較厚，有均化誤差的作用，可以提高精度。 摩擦因數(shù)很小，大大降低傳動功率，減少摩擦發(fā)熱。 低速移

14、動準確、均勻，運動平穩(wěn)性好。 與滾動導軌相比，靜壓的油膜具有吸振作用。 缺點： 結(jié)構(gòu)比較復雜，增加了液壓設備。 調(diào)整比較麻煩。 多用于精密級和高精度級機床的進給運動和低速運動導軌,28,29,4.8 卸荷導軌設計,機械卸荷導軌 導軌上的一部分載荷由支承在輔助導軌面4上的滾動軸承3承受。卸荷力的大小通過螺釘1和碟形彈簧2調(diào)節(jié)。卸荷點的數(shù)目取決于動導軌的載荷和卸荷系數(shù)的大小。為了減小滾動軸承的支承軸的中心線與支承導軌面不平行的影響，可 以采用自動調(diào)心的球面軸承,30,卸荷導軌的特點和應用： 采用卸荷導軌可以減輕支承導軌的負荷和降低導軌的 靜摩擦因數(shù)； 提高導軌的耐磨性和低速運動的平穩(wěn)性，減少或防止

15、 爬行； 手動操作的部件采用卸荷導軌后，可使操作輕便； 卸荷導軌由于導軌面仍然是直接接觸的，剛度較高。 卸荷導軌多用于要求精度高和接觸剛度高的機床。 導軌的卸荷方式有液壓卸荷、機械卸荷和氣壓卸荷， 其中液壓和機械卸荷方式應用較多,31,4.9 滾動導軌設計,滾動導軌是在靜、動導軌面之間放置滾動體如滾珠、滾柱、滾針或滾動導軌塊而構(gòu)成的。 滾動導軌與滑動導軌相比具有以下特點。 (1) 摩擦因數(shù)小(0.0030.005)，運動靈活； (2) 動、靜摩擦因數(shù)很接近，因而起動阻力小，低速運動平穩(wěn)性好，不易發(fā)生爬行。 (3)可以預緊，剛度高,32,4) 壽命長。 (5) 精度高。定位精度可達0.10.2m

16、，重復精度 可達0.2m。 (6) 潤滑方便，可以采用潤滑脂，一次裝填，長期 使用。 (7) 由專業(yè)廠生產(chǎn)，可外購選用。 (8) 結(jié)構(gòu)比較復雜、制造比較困難、成本比較高。 (9) 抗振和抗沖擊能力差，對灰塵屑末較敏感，必 須有良好的防護裝置,33,34,滾動導軌設計舉例,35,36,37,38,PC是當量載荷,求導軌的額定壽命,39,計算額定動載荷，根據(jù)算出的額定動載荷，查產(chǎn)品的手冊，選出最終的導軌型號，本例中為：HJG-DA20A型的滾動導軌副,40,4.10 潤滑與防護、提高耐磨性的措施,潤滑的目的： 降低摩擦力以提高機械效率；減少磨損以延長壽命；降低溫度以改善工作條件；防止生誘。 潤滑的

17、要求： 保證按規(guī)定供應清潔的潤滑油，油量可以調(diào)節(jié)，盡量采用自動和強制潤滑，潤滑元件可靠,41,潤滑油的選擇 導軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂。 滑動導軌用潤滑油，滾動導軌則兩種潤滑油都能用。 導軌潤滑油的粘度可以根據(jù)導軌的工作條件和潤滑方 式選擇。例如，低載荷（壓強p0.1Mpa的高、中速的 中、小型機床進給導軌，可采用N32全損耗系統(tǒng)用油，中 等載荷(壓強p0.2MPa) 的中、低速機床導軌，采用N46 或N68全損耗系統(tǒng)用油，重型機床(壓強p0.4MPa)的低 速導軌，可用N68或N100全損耗系統(tǒng)用油；豎直導軌和 傾斜導軌，可采用N46或N68全損耗系統(tǒng)用油,42,43,潤滑油來自液壓系統(tǒng)，要兼顧潤滑和液壓，一般采用 中等粘度的潤滑油，如磨床可用20號、30號或40號機床 液壓導軌油； 精密級和高精度級機床的進給