方形導(dǎo)軌和圓形導(dǎo)軌的選擇

自從采用了Thomson于20世紀(jì)40年代發(fā)明的圓形導(dǎo)軌BallBushing直線軸承，循環(huán)滾珠直線導(dǎo)軌領(lǐng)域一直保持穩(wěn)定發(fā)展。載荷能力、使用壽命的提高以及制造的簡化，使幾近零摩擦的直線導(dǎo)軌越來越多的應(yīng)用于更為廣泛的領(lǐng)域中。自從20世紀(jì)70年代推出方形導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌以來，設(shè)計(jì)工程師一直面臨的關(guān)鍵問題就是：應(yīng)該選用圓形導(dǎo)軌還是方形導(dǎo)軌？盡管設(shè)計(jì)中固有的各種磨制要求導(dǎo)致方形導(dǎo)軌的初始成本是圓形導(dǎo)軌的數(shù)倍，但新的制造技術(shù)和尺度經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)允許方形導(dǎo)軌在更廣泛的應(yīng)用空間與圓形導(dǎo)軌展開有力競爭。在進(jìn)入機(jī)床領(lǐng)域之后，在曾經(jīng)只能采用圓形導(dǎo)軌產(chǎn)品的許多應(yīng)用中，現(xiàn)在已經(jīng)能夠看到方形導(dǎo)軌的使用。然而，圓形直線軸承的銷售額還在逐年提高。由于某些固有獨(dú)特性以及適合特定應(yīng)用的有利特性，滾珠襯套導(dǎo)軌依然流行，最重要的原因就是因?yàn)樗鼈兪菆A形的，而方形銷有時(shí)是無法匹配到圓形孔中的。為了將正確類型的直線導(dǎo)軌應(yīng)用于特定應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師必須考慮到每種導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)和能力。首先必須考慮的就是設(shè)計(jì)要求，這就需要考慮載荷、準(zhǔn)確度、剛度、光潔度、幾何尺寸等重要因素。而在通常情況下，這些要求之間存在著相互制約作用。方形導(dǎo)軌產(chǎn)品可以很好地滿足需要高剛度的高載荷應(yīng)用，例如25mm方形導(dǎo)軌的最高載荷可達(dá)20kN，在軸承導(dǎo)軌和導(dǎo)軌之間平行運(yùn)行時(shí)，可達(dá)到3?10m/m的高精度。這種導(dǎo)軌產(chǎn)品中的滾珠軌道經(jīng)過精密的研磨，從而使該導(dǎo)軌與滾珠精密匹配，即滾珠導(dǎo)軌上運(yùn)行的座圈只能略微大于滾珠本身的直徑。這就使?jié)L珠和座圈之間的接觸面積在載荷下大于圓形導(dǎo)軌總成，因?yàn)樵趫A形導(dǎo)軌中滾珠和內(nèi)座圈（軸）均為凸表面。因此，由于滾珠在載荷下變扁，當(dāng)加載時(shí)，方形導(dǎo)軌軸承的剛度將增加到原來的五倍。方形導(dǎo)軌也可以用于帶預(yù)載荷的情況，載荷從輕載荷（額定動載荷的3%）到重載荷（額定動載荷的13%）均可適用。方形導(dǎo)軌軸承的典型應(yīng)用是對載荷能力、剛度和準(zhǔn)確度要求極高的機(jī)床行業(yè)。由于軸承已經(jīng)承受了一個(gè)初始變形，因此，重預(yù)載荷進(jìn)一步降低了載荷下的變形量。到目前為止，我們已經(jīng)討論了采用球形滾珠元件的軸承。值得注意的是，如果在不提高包絡(luò)尺寸的情況下需要比方形滾珠導(dǎo)軌更高（兩倍以上）的載荷能力，還可選擇配有圓柱輥?zhàn)有驮姆叫螌?dǎo)軌軸承。在方形導(dǎo)軌可以滿足載荷能力、剛度和準(zhǔn)確度要求后，許多工程師就不會再做進(jìn)一步的測試。然而，這會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，以及前期成本和維護(hù)成本的增加。圓形導(dǎo)軌產(chǎn)品具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是：當(dāng)安裝到超過150mm/m平面度誤差的欠光滑表面上時(shí)，仍然能夠平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)在滾軸上、傾斜處和側(cè)滑角裝配剛性直線軸承時(shí)，裝配表面的平面度誤差通常會造成束縛，從而導(dǎo)致更高的拖曳，并會將使用壽命降低高達(dá)50%。為了解決此問題，在裝配過程中，必須嚴(yán)格修整匹配表面，或者將各部件進(jìn)行墊片調(diào)整并調(diào)節(jié)到正常運(yùn)行，這將使成本提高。對于更精密的機(jī)加工應(yīng)用，由于維護(hù)要求提高，因此會提高前期成本和操作成本。此項(xiàng)成本隨應(yīng)用的不同而差異較大，從不足100美元到數(shù)千美元都有可能。而采用圓形導(dǎo)軌產(chǎn)品，可將軸承安裝到焊接管型框架或直接固定到混凝土工廠的地板上。由于具有調(diào)心能力，滾珠襯套直線軸承可適應(yīng)各種條件。由于軸是圓形的，因此，滾珠襯套在圍繞軸滾動的過程中可自由旋轉(zhuǎn)。這樣兩個(gè)相鄰導(dǎo)軌的安裝高度可略有不同，當(dāng)導(dǎo)軌以300mm或300mm以上的間隔進(jìn)行安裝時(shí)，1到2mm的高度差是可以接受的。同樣，大多數(shù)滾珠襯套上的軸承座圈在設(shè)計(jì)上可確保每個(gè)直線軸承在傾斜處和偏滑角上旋轉(zhuǎn)最多1/2度，以適應(yīng)平面度或?qū)χ姓`差。用于約束滾珠襯套以及導(dǎo)軌支撐件的軸臺通常采用鋁材質(zhì)，具有較小的靈活性，以適應(yīng)各軸之間的最大25m的平行性誤差。其結(jié)果是能夠在不理想的情況下達(dá)到0.001到0.004的摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效引導(dǎo)。將直線導(dǎo)軌安裝到焊接管型框架上在工廠自動化中非常常見。在許多OEM應(yīng)用中，裝配表面均采用拉拔管材和板金。在這些條件下，圓形導(dǎo)軌產(chǎn)品通常比方形產(chǎn)品更快速地安裝和更平穩(wěn)地運(yùn)行。圓形導(dǎo)軌產(chǎn)品的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是其圓形板可在端部支撐軸，實(shí)現(xiàn)橫跨相當(dāng)于軸直徑的12?24倍的間隙的圓形直線軸承設(shè)計(jì)，從工廠自動化中的龍門吊系統(tǒng)到DNA取樣機(jī)中揀選和放置模塊的各種應(yīng)用均可采用這一設(shè)計(jì)。運(yùn)動軸完全通過固定軸的兩端進(jìn)行組建。無論兩點(diǎn)之間的機(jī)器表面處于何種情況，無論是否只有一個(gè)點(diǎn)，該裝置的精密性都不會受到影響，僅僅取決于端部支撐裝置的準(zhǔn)確度。此外，如果要通過直線導(dǎo)軌對中一套絲杠傳動系統(tǒng)，只需在一個(gè)板上打三個(gè)孔，即以兩個(gè)圓形導(dǎo)軌和絲杠軸承的支撐為基準(zhǔn)，這是最容易做到的方法。通過這一設(shè)計(jì)，在裝配過程中無需調(diào)節(jié)。解決對中問題的方形導(dǎo)軌解決方案只需使用一個(gè)導(dǎo)軌。由于它能夠支撐所有方向上的力矩，因此，在導(dǎo)軌副甚至軸承副中無需使用方形導(dǎo)軌軸承。對于輕載荷，即處于軸承載荷和力矩能力范圍內(nèi)的載荷，單個(gè)方形導(dǎo)軌軸承即可提供所期望的引導(dǎo)，但并不是所有的方形導(dǎo)軌產(chǎn)品均可按此類型操作進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種引導(dǎo)消除了在漸擴(kuò)表面上對兩個(gè)導(dǎo)軌進(jìn)行對中的問題。然而，仍然必須考慮到通過傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行對中，方形導(dǎo)軌在設(shè)計(jì)上沒有橫跨間隙和端部支撐。由于偏心加載而在導(dǎo)軌上產(chǎn)生力矩，因此，單個(gè)導(dǎo)軌可能不適合運(yùn)動足跡較寬（如300mm）的應(yīng)用。在做出決定之前，應(yīng)檢查導(dǎo)軌的力矩額定值及其在力矩載荷下的剛度。在組件選擇過程中，設(shè)計(jì)靈活性是需要考慮的一個(gè)非常重要的因素。通常，為了達(dá)到最優(yōu)性能，必須對組件進(jìn)行改型，以提高功能或在所期望的空間中進(jìn)行匹配。當(dāng)與載荷額定值進(jìn)行對比時(shí)，方形導(dǎo)軌軸承比圓形滾珠襯套軸承更為緊湊。這樣，如果幾何尺寸支持用戶的系統(tǒng)要求，則用戶將有相當(dāng)優(yōu)化的外殼。然而，如果需要進(jìn)行改型，則在圓形導(dǎo)軌系統(tǒng)上更容易進(jìn)行此項(xiàng)工作。圓形軸系可按許多方式進(jìn)行配置，以便于該軸的端部固定，并可用作大尺寸總成中的一個(gè)結(jié)構(gòu)件，還可以中心和徑向通過軸箱的鉆孔、平面和直徑。采用圓形軸系后，可單獨(dú)購買滾珠襯套，這樣可以與相鄰組件中固有的鏜孔，以及鋁制或鋼制軸臺相匹配。軸臺使得軸承易于安裝，而且留出了一定的改型余量。在某些應(yīng)用中，平整度可能是需要考慮的另一個(gè)主要因素。雖然組件和應(yīng)用之間在細(xì)微處可能略有不同，并通常缺乏行業(yè)相關(guān)平整度數(shù)據(jù)，但滾珠襯套軸承往往可以非常平穩(wěn)地運(yùn)行，方形導(dǎo)軌和圓形導(dǎo)軌之間的差異通常用手即可感覺得到。滾珠和導(dǎo)軌之間凸表面的點(diǎn)式接觸可將擦傷的可能性降到最低。滾珠襯套通常在微小間隙量或1%到2%額定動載荷的輕預(yù)載荷下運(yùn)行，提高了平穩(wěn)性。而由于較高的一致性和預(yù)載荷，方形導(dǎo)軌軸承可在某些缺口”情況下使用。在大多數(shù)情況下，這是可行的，但如果需要用到儀表級軸承，圓形導(dǎo)軌可能更有優(yōu)勢。同樣，由于其簡單的圓形幾何形狀，圓形襯套上的密封件往往更為可靠，產(chǎn)生更小的拖曳。方形導(dǎo)軌擦拭器必須符合導(dǎo)軌中的滾珠軌道，以達(dá)到耐用型密封。安裝圓形導(dǎo)軌時(shí)最后需要考慮的是安裝在軸上的非滾珠型聚合物襯套?？刹捎眠m用于鋁或其他基底的高性能軸承級材料，以提供良好的載荷能力（相當(dāng)于滾珠襯套載荷能力的20%）和一個(gè)在0.05到0.25范圍內(nèi)的較低摩擦系數(shù)。襯套軸承可在具有能夠損傷密封嚴(yán)實(shí)的滾珠襯套的微粒的惡劣環(huán)境中平穩(wěn)運(yùn)行，也可在受到?jīng)_擊載荷損傷的滾珠軸承系統(tǒng)下正常工作。另一方面，滾珠循環(huán)噪聲可能會成為滾珠襯套或方形導(dǎo)軌軸承中的一個(gè)問題，但對于上述襯套軸承卻基本上不是問題。由于接觸面分布在一個(gè)較大的區(qū)域中，無需配有滾珠襯套的硬化鋼軸。可以采用不銹鋼軸系，既適用于像半導(dǎo)體和醫(yī)藥