各類機床導軌的比較及功能分析

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各類機床導軌的比較及功能分析
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8 D) `2 e/ F% _; M0 R    　設計者在設計機床時，導軌的設計形式是多種多樣的。人們不禁要問，哪一種導軌是最佳的。本文闡述的是各種導軌的比較和分析其不同的原因。

. T& \, r7 P7 z/ a! f　　機床控制元件的運動實現(xiàn)了機床的精密加工，這是手動工具和機床的主要區(qū)別，下面討論的是機床的控制元件之一——導軌系統(tǒng)。
; h: w* B( c+ q( u% G　　機床制造者最關心的莫過于機床的精度，剛性和使用壽命。對導軌系統(tǒng)的研究途徑是很不夠的，至少在機床制造技術方面沒有把它放在重要的位置上，在機床樣本，宣傳廣告上，最具有吸引力的技術參數(shù)是：主軸轉速、進給速度、換刀時間和快速進給速度。當然，這些參數(shù)對機床的性能是很重要的。但導軌為機床功能的實現(xiàn)奠定了可靠的基礎。
　　各種類型的機床工作部件，都是利用控制軸在指定的導軌上運動，機床設計者根據(jù)機床的類型和用途選用各種不同形式的導軌系統(tǒng)，用得較為廣泛的有下列三種；即平面導軌、直線滾動導軌和循環(huán)滾柱與平面導軌的組合所構成的滾動體導軌。當然系統(tǒng)遠不止上述三種形式，還有其它形式的導軌。
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　　導軌的功能

* g+ r6 ~9 N+ }# i  c# R; m5 G　　盡管導軌系統(tǒng)的形式是多種多樣的，但工作性質都是相同的，機床工作部件在指定導軌系統(tǒng)上移動，尤如火車沿著鐵軌在指定的方向上行駛。無論是機床導軌還是鐵路上的鐵軌，都是體現(xiàn)如下三種基本功能：
　　(1)為承載體的運動導向
　　(2)為承載體提供光滑的運動表面
　　(3)把火車的運動或機床的切削所產生的力傳到地基或床身上，減少由此產生的沖擊對乘客和被動加工零件的影響。
　　沿導軌系統(tǒng)的運動，大多數(shù)為直線運動，也有少數(shù)為弧線運動。本文討論的重點是直線導軌系統(tǒng)。當然，直線導軌的很多技術可以直接應用弧形導軌。
　　導軌為什么被稱為“系統(tǒng)”呢？這是因為導軌系統(tǒng)的工作包含著若干元件的同時工作，最基本的元件為一個運動元件和一個固定元件。運動元件的形式有多種多樣，以后將予以詳細介紹，固定元件一般為道軌式，它是導軌精度的保證，如果導軌彎曲變形，運動元件或滑動元件便失去精確的導向。
　　機床制造廠都在盡最大的努力，確保導軌安裝的精確性。導軌被加工前。導軌和工作部件都已經過時效處理。以消除內應力。為了保證導軌的精度和延長使用壽命，刮研是一種常用的工藝方法。
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　　鑲鋼導軌
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　　機床上最常用的導軌形式是鑲鋼導軌，它的使用已有很長的歷史。鑲鋼導軌是導軌系統(tǒng)的固定元件，其截面為矩形。它可水平裝在機床的床身上，也可以與床身鑄成一體，分別被稱為鑲鋼式或整體式。鑲鋼式導軌是由鋼制成的，經淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把鑲鋼導軌用螺釘或粘結劑(環(huán)氧樹脂)貼在機床床身或經刮研的立柱配合表面上，確保導軌獲得最佳的平面度。這種形式，維修更換方便、簡單，很受維修工人的歡迎。
3 d! j& [, i8 O" s$ ?　　整體導軌或鑄造導軌，即鋼導軌與底座鑄成一體，加工后再經精磨到要求的尺寸和光潔度。導軌必須經過火焰淬火提高表面硬度，以提高導軌的耐磨性。床身一般為球墨鑄鐵，當然球墨鑄鐵的硬度比不上鋼，整體導軌可以重新修理和淬硬，但更換它幾乎是不可能的。
為了實現(xiàn)上述的目的，機床制造者過去的通常做法是：鋼導軌的邊緣設計有鉤形的“耳朵”，在澆鑄底座前，把鋼導軌置于底座的鑄模內，再把鐵水澆入鑄模內，這樣便把鋼導軌與底座鑄成一體。

  　　滑動導軌

　　傳統(tǒng)導軌的發(fā)展，首先表現(xiàn)在滑動元件和導軌形式上，滑動導軌的特點是導軌和滑動件之間使用了介質，形式的不同在于選擇不同的介質。
0 Q& [( C6 z3 z　　液壓被廣泛用于許多導軌系統(tǒng)。靜壓導軌是其中的一種，液壓油在壓力作用下，進入滑動元件的溝槽，在導軌和滑動元件之間形成油膜，把導軌和移動元件隔開，這樣大大減少移動元件的摩擦力。靜壓導軌對大負荷是極其有效的，對偏心負荷有補償作用。例如：一個大型的砂型箱在加工時，正好走到機床行程的末端，負載導軌能夠增大油壓，使導軌準確地保持著水平負載的狀態(tài)。有的臥式鏜銑床使用這種技術補償深孔加工時主軸轉速的下降。
/ r1 d8 V- _9 o  G$ Y　　利用油作為介質的另一種導軌形式是動壓導軌，動壓導軌與靜壓導軌的不同點是：油不是在壓力下起作用的，它利用油的粘度來避免移動元件和導軌之間的直接接觸，優(yōu)點是節(jié)省液壓油泵。
　　空氣也可以用于移動元件和導軌之間的介質，它也有兩種形式，氣動靜壓導軌和氣動動壓導軌，工作原理與液壓導軌相同。
　　使用比較普通的抗摩擦導軌，它是在移動元件上安裝一種抗摩擦材料(如聚氯乙烯或青銅混合材料等)，以替代液體介質，如油或空氣。其作用與液體介質相似，安裝在移動元件上的抗摩擦材料應設計有油槽，滿足移動元件和導軌表面之間油潤滑或其它形式潤滑的需要。
! h" Z7 ~  M9 [9 \, p1 A　　眾所周知，平面導軌和移動元件之間的接觸面積比較大，移動元件要作快速微量進給.需要克服移動元件的慣量，因此將會產生爬行現(xiàn)象。當滾珠絲杠或其它驅動力推動移動元件移動時，產生一個輕微粘附阻力，移動元件開始運動時，由于移動元件處于被抓住的狀態(tài)，出現(xiàn)了輕微的跳動，導致產生爬行，這種現(xiàn)象對于大的移動影響不大，而對于微量移動，就成為一個問題。
) d5 G+ D% w, I4 F, B　　可調性是平面導軌特有的優(yōu)點，根據(jù)導軌的使用情況，平面導軌系統(tǒng)至少有一個或一個以上的可調邊。由于移動元件沿著直線導軌的側邊移動，保證移動元件與導軌側面緊密接觸是極為重要的。普遍使用調整的方法是斜鐵，斜鐵位于移動元件和導軌接觸面相對的側面之間。形狀為錐形條塊角鐵，可以精確地調整，以消除移動部件和導軌之間的間隙。如果滑動部件或導軌磨損，接觸表面之間的間隙加大，可調整斜鐵進行補償。
5 ?# v6 [# U' G% @( M; u: J　　機床制造廠已發(fā)明了斜鐵自動調整的專利技術，它的基本原理是使斜鐵保持固定的彈簧壓力，一旦導軌系統(tǒng)被磨損，斜鐵能自動地消除移動部件與導軌之間的間隙。
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　直線導軌
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　　新的導軌系統(tǒng)使機床可獲得快速進給速度，在主軸轉速相同的情況下，快速進給是直線導軌的特點。直線導軌與平面導軌一樣，有兩個基本元件；一個作為導向的為固定元件，另一個是移動元件。由于直線導軌是標準部件，對機床制造廠來說.唯一要做的只是加工一個安裝導軌的平面和校調導軌的平行度。當然，為了保證機床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多數(shù)情況下，安裝是比較簡單的。
　　作為導向的導軌為淬硬鋼，經精磨后置于安裝平面上。與平面導軌比較，直線導軌橫截面的幾何形狀，比平面導軌復雜，復雜的原因是因為導軌上需要加工出溝槽，以利于滑動元件的移動，溝槽的形狀和數(shù)量，取決于機床要完成的功能。例如：一個既承受直線作用力，又承受顛覆力矩的導軌系統(tǒng)，與僅承受直線作用力的導軌相比.設計上有很大的不同。
$ D1 z# w+ W& f# A: t8 N　　直線導軌的移動元件和固定元件之間不用中間介質，而用滾動鋼球。因為滾動鋼球適應于高速運動、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿足運動部件的工作要求，如機床的刀架，拖板等。直線導軌系統(tǒng)的固定元件(導軌)的基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為“v”字形。支架包裹著導軌的頂部和兩側面。為了支撐機床的工作部件，一套直線導軌至少有四個支架。用于支撐大型的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個。
    　機床的工作部件移動時，鋼球就在支架溝槽中循環(huán)流動，把支架的磨損量分攤到各個鋼球上，從而延長直線導軌的使用壽命。為了消除支架與導軌之間的間隙，預加負載能提高導軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，預加負荷的獲得.是在導軌和支架之間安裝超尺寸的鋼球。鋼球直徑公差為±20微米，以0.5微米為增量，將鋼球篩選分類，分別裝到導軌上，預加負載的大小，取決于作用在鋼球上的作用力。如果作用在鋼球上的作用力太大，鋼球經受預加負荷時間過長，導致支架運動阻力增大。這里就有一個平衡作用問題；為了提高系統(tǒng)的靈敏度，減少運動阻力，相應地要減少預加負荷，而為了提高運動精度和精度的保持性，要求有足夠的預加負數(shù)，這是矛盾的兩方面。
/ N$ Y* V6 V5 ^7 P+ `! {. ~  k　　工作時間過長，鋼球開始磨損，作用在鋼球上的預加負載開始減弱，導致機床工作部件運動精度的降低。如果要保持初始精度，必須更換導軌支架，甚至更換導軌。如果導軌系統(tǒng)已有預加負載作用。系統(tǒng)精度已喪失，唯一的方法是更換滾動元件。
' Y# q3 ?, G) G( e: V; X. a　　導軌系統(tǒng)的設計，力求固定元件和移動元件之間有最大的接觸面積，這不但能提高系統(tǒng)的承載能力，而且系統(tǒng)能承受間歇切削或重力切削產生的沖擊力，把作用力廣泛擴散，擴大承受力的面積。為了實現(xiàn)這一點，導軌系統(tǒng)的溝槽形狀有多種多樣，具有代表性的有兩種，一種稱為哥待式(尖拱式)，形狀是半園的延伸，接觸點為頂點；另一種為園弧形，同樣能起相同的作用。無論哪一種結構形式，目的只有一個，力求更多的滾動鋼球半徑與導軌接觸(固定元件)。決定系統(tǒng)性能特點的因素是：滾動元件怎樣與導軌接觸，這是問題的關鍵。
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　　直線滾柱導軌

　　直線滾柱導軌系統(tǒng)是平面導軌與直線滾柱導軌的組合，用滾柱安裝在平行導軌上，用滾柱代鋼球承載機床的運動部件。優(yōu)點是接觸面積大、承載負荷大、靈敏度高。從床身尾部看，支架與滾柱置于平面導軌的頂面和側面，為了獲得高精度，在機床工作部件和支架內面之間，設置一塊楔板，使預加負載作用于支架的側面。楔板的工作原理與斜鐵相似，工作部件的重量作用于支架的頂面。由于作用在導軌系統(tǒng)上的預加負荷是可調的，為此楔板的損失得到補償，這一特點被廣泛用于中型或大型機床上，因為它對CNC指令反應靈敏，承受負荷大，直線滾柱導軌系統(tǒng)比傳統(tǒng)的平面導機能經受高速運轉，改善機床的性能。
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& U$ H* O. ~; r  A% W% d* V　　其它形式的導軌
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　　機床上常用的另一種導軌形式是燕尾槽導軌，一般用于機床運動部件的定位。例如：車削中心的尾架，導軌系統(tǒng)可以使尾架在上面移動或者移到要求的位置去支承被加工零件，然后迅速夾緊。機床很多附件，如定位工作臺、回轉工作臺或旋轉軸等，也采用燕尾槽導軌作為定位元件。然后夾緊在要求的位置上。如果機床往復行程較長，則采用V型導軟，如平面磨床和刨床等。優(yōu)點是V型導軌系統(tǒng)導向性好，能承受重力切削。有的采用V型導軌和平面導軌相結合的形式，V型導軌作為導向，平面導軌作為支承體。
　　為了保證導軌系統(tǒng)的壽命。維修是很關鍵的。導軌是機床的精密部件之一，不可能100%有防塵保護，灰塵污染大。因此、用戶要定期檢查、維護。液壓平面導軌一般為自身潤滑，介質本身就是潤滑劑。直線導軌和直線滾柱導柱則要求定期潤滑，很多直線導軌系統(tǒng)的鋼球和滾柱部分都安裝有油脂接頭與支架相連接。有的用導管連接，使油脂潤滑更方便，有的備有自動潤滑附件。無論采用什么形式的導軌系統(tǒng)，保持滾動元件的良好潤滑，能減少導軌系統(tǒng)的磨損，延長機床精度的保持時間。

獨孤狼

這位朋友講的非常精彩 但不完全少講了一種液壓支撐式復合滑動導軌

學之

看了之后是受益匪淺??！

inafag

不錯講解的相當精彩
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見習生小王

樓主把各種導軌講得很透，學習了。

qyz

很好的學習資料，謝謝

在他鄉(xiāng)搜搜

樓主講的太好了！還不用下載就能看，大家都應向樓主學習！

老風

樓主整理的這篇資料比較好。我始終把導柱也當作導軌。

爍爍

太好了，非常感謝，受益匪淺啊，大大大大大大