數控機床導軌的結構設計（含滾動導軌）
一、導軌的作用和設計要求
當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力(載荷及運動件本身的重量)的作用下，沿給定的方向進行直線運動。對導軌的要求如下：
1.一定的導向精度。導向精度是指運動件沿導軌移動的直線性，以及它與有關基面間的相互位置的準確性。
2.運動輕便平穩。工作時，應輕便省力，速度均勻，低速時應無爬行現象。
3.良好的耐磨性。導軌的耐磨性是指導軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導軌在使用過程中要磨損，但應使磨損量小，且磨損后能自動補償或便于調整。
4.足夠的剛度。運動件所受的外力，是由導軌面承受的，故導軌應有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導軌面寬度，以降低導軌面比壓;設置輔助導軌，以承受外載。
5.溫度變化影響小。應保證導軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。
6.結構工藝性好。在保證導軌其它要求的前提下，應使導軌結構簡單，便于加工、測量、裝配和調整，降低成本。
不同設備的導軌，必須作具體分析，對其提出相應的設計要求。必須指出，上述六點要求是相互影響的。
二：導軌設計的主要內容
設計導軌應包括下列幾方面內容：
1.根據工作條件，選擇合適的導軌類型。
2.選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度?
3.選擇適當的導軌結構及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩。
4.選擇導軌的補償及調整裝置，經長期使用后，通過調整能保持需要的導向精度。
5.選擇合理的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。
6.制訂保證導軌所必須的技術條件，如選擇適當的材料，以及熱處理、精加工和測量方法等。
三、導軌的結構設計
1. 滑動導軌
(1) 基本形式
三角形導軌：該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角(110°～120°);為提高導向性，采用較小的頂角(60°)。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。
矩形導軌：優點是結構簡單，制造、檢驗和修理方便;導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高;導軌間隙需用壓板或鑲條調整，且磨損后需重新調整。
燕尾形導軌：燕尾形導軌的調整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調節各面的間隙，且高度小，結構緊湊;但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。
圓形導軌：制造方便，外圓采用磨削，內孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調整間隙。為防止轉動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。
2.常用導軌組合形式
三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導軌為導向面，導向精度較高，而平導軌的工藝性好，因此應用最廣。
這種組合有V-平組合、棱-平組合兩種形式。V-平組合導軌易儲存潤滑油，低、高速都能采用;棱-平組合導軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。
為使導軌移動輕便省力和兩導軌磨損均勻，驅動元件應設在三角形導軌之下，或偏向三角形導軌。
矩形和矩形組合：承載面和導向面分開，因而制造和調整簡單。導向面的間隙用鑲條調整，接觸剛度低。
雙三角形導軌：由于采用對稱結構，兩條導軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導向精度高，但工藝性差，四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，如果運動部件熱變形不同，也不能保證四個面同時接觸，故不宜用在溫度變化大的場合。
(3)導軌間隙調整
為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當的間隙。間隙過小，會增加摩擦阻力;間隙過大，會降低導向精度。導軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導軌經過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調整，故導軌應有間隙調整裝置。
矩形導軌需要在垂直和水平兩個方向上調整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調整它的低面間隙，其方法有：a)刮研或配磨下壓板的結合面;b)用螺釘調整鑲條位置;c)改變墊片的片數或厚度;見圖21-13。
在水平方向上，常用平鑲條或斜鑲條調整它的側面間隙。
圓形導軌的間隙不能調整
上圖為導軌夾緊裝置
有些導軌(如非水平放置的導軌)在移動之后要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖(夾)緊裝置。常用的鎖緊方式有機械鎖緊和液壓鎖緊。
四：提高耐磨性措施
導軌的使用壽命取決于導軌的結構、材料、制造質量、熱處理方法，以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長的時間內保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。提高導軌耐磨性的措施有：
1)選擇合理的比壓 單位面積上的壓力成為比壓，即
p=P/S(公斤/厘米2)
式中 P-作用在導軌上的力(公斤)
S-導軌的支承面積(厘米2)
由上式可知，要減小導軌的比壓，應減輕運動部件的重量和增大導軌支承面的面積。減小兩導軌面之間的中心距，可以減小外形尺寸和減輕運動部件的重量。但減小中心距受到結構尺寸的限制，同時中心距太小，將導致運動不穩定。
降低導軌比壓的另一辦法，是采用卸荷裝置，即在導軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作用力，以抵消導軌所承受的部分載荷。
2)選擇合適材料
目前常采用的導軌材料有以下幾種：
鑄鐵- 導軌與承導件或運動件鑄成一體，其材料常用灰口鑄鐵。它具有成本低，工藝性好，熱穩定性高等優點。在潤滑和防護良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200較為合適。適當增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可提高導軌的耐磨性。若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用耐磨鑄鐵，如高磷鑄鐵，硬度為HB=180～220，耐磨性能比灰口鑄鐵高一倍左右。若加入一定量的銅和鈦，成為磷銅鈦鑄鐵，其耐磨性比灰口鑄鐵高兩倍左右。但高磷系鑄鐵的脆性和鑄造應力較大，易產生裂紋，應采用適當的鑄造工藝。
此外，還可使用低合金鑄鐵及稀土鑄鐵。
鋼-要求較高的或焊接機架上的導軌，常用淬火的合金鋼制造。淬硬的鋼導軌的耐磨性比普通灰鑄鐵高5～10倍。常用的有20Cr鋼滲碳淬火和40Cr高頻淬火。
鋼導軌鑲接的方法有：
螺釘連接，應使螺釘不受剪切;為避免導軌上有孔(孔內積存贓物而加速磨損)，一般采用倒裝螺釘。結構上不便于從下面伸入螺釘固定時，可采用如圖所示的方法。螺釘固緊后，將六角頭磨平，使導軌上的螺釘孔和螺釘頭之間沒有間隙。
圖上用環氧樹脂膠接，膠接面之間的間隙不超過0.25毫米。膠粘導軌具有一定的膠接剛度和強度，尚有一定的抗沖擊性能，工藝簡單，成本較低。
塑料-用聚四氟乙烯為基材，添加不同的填充劑作為導軌材料。它具有耐磨、抗振以及動、靜摩擦系數低(0.04)，可消除低速爬行現象，在實際應用中取得良好的效果。
3)熱處理 為提高鑄鐵導軌的耐磨性，常對導軌表面進行淬火處理。表面淬火方法有：火焰淬火、高頻淬火和電接觸淬火。
4)潤滑和防護 潤滑油能使導軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長導軌的使用壽命。同時，對低速運動，潤滑可以防止"爬行";對高速運動，可減少摩擦熱，減少熱變形。
導軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動油泵和自動潤滑等。
導軌的防護裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導軌表面，以免使導軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此，在運動導軌端部安裝刮板;采用各種式樣的防護罩，使導軌不外露等辦法。
五：結構尺寸的驗算
1)校核溫度變化對導軌間隙的影響
導軌在溫度變化較大的環境中工作，應在選定精度和配合后，作導軌間隙驗算。為了保證工作時不致卡住，導軌的最小間隙應大于或等于零，即 Δmin≥0
導軌的最小間隙用下式計算：
Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)] (mm)
式中t-工作溫度(°C)
t0-制造時溫度(°C)
Dmin-包容件在t0時的最小尺寸(mm)
dmax-被包容件在t0時的最大尺寸(mm)
αk-包容件材料的線膨脹系數(1/°C)
αz-被包容件材料的線膨脹系數(1/°C)
為保證導向精度，導軌的最大間隙Δmax應小于或等于允許值，即Δmax≤[Δmax]
導軌的最大間隙用下式計算：
Δmax=Dmax[1+αk(t-t0)]-dmin[1+αz(t-t0)] (mm)
式中 Dmax-包容件在t0時的最大尺寸(mm)
dmin-被包容件在t0時的最小尺寸(mm)
2)不自鎖條件和導軌間隙計算
當初定導軌的結構形式和尺寸后，應注意作用力的方向和作用點的位置，力求使導軌的傾斜力矩小，否則使導軌的摩擦力增大，磨損加快，從而降低導軌的靈活性和導向精度，甚至回使導軌卡住。其驗算公式見表：
六、滾動導軌
在承導件和運動件之間放入一些滾動體(滾珠、滾柱或滾針)，使相配的兩個導軌面不直接接觸的導軌，稱為滾動導軌。
滾動導軌的特點是摩擦阻力小，運動輕便靈活;磨損小，能長期保持精度;動、靜摩擦系數差別小，低速時不易出現"爬行"現象，故運動均勻平穩。因此，滾動導軌在要求微量移動和精確定位的設備上，獲得日益廣泛的運用。
滾動導軌的缺點是：導軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差，接觸應力大，故對導軌的表面硬度要求高;對導軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高。
(1)結構形式
滾珠導軌-圖示為V-平截面的滾珠導軌、雙V形截面的滾珠導軌和圓形截面滾珠導軌。由于滾珠和導軌面是點接觸，故運動輕便，但剛度低，承載能力小。常用于運動件重量、載荷不大的場合。
圖上滾柱(滾針)導軌-滾柱導軌中的滾柱與導軌面是線接觸，故它的承載能力和剛度比滾珠導軌大，耐磨性較好，靈活性稍差。如圖21-18，滾柱對導軌的不平度較敏感，容易產生側向偏移和滑動，而使導軌的阻力增加，磨損加快，精度降低。滾柱的直徑越大，對導軌的不平度越為敏感。
上圖的組合中，當結構尺寸受限制時，可采用直徑較小的滾柱，這種導軌稱為滾針導軌。
滾柱導軌支承為標準部件，具有安裝、潤滑簡單，調整防護容易等優點。由于滾柱在封閉的滾道內滾動，故可用于行程很大的導軌上。
滾動導軌支撐
1-本體 2-滾柱 3-導向片 4-反射器滾柱導軌可采用標準的滾動軸承，裝在偏心軸上，如圖21-20所示，以便于調整。其偏心量一般取0.2-0.5毫米。
2)滾動導軌設計的一般問題
1)結構形式的選擇：滾動導軌按其結構特點，分為開式和閉式兩種。開式滾動導軌用于外加載荷作用在兩條導軌中間，依靠運動件本身重量即可保持導軌良好接觸的場合。閉式導軌則相反。
滾珠導軌的靈活性最好，結構簡單，制造容易，但承載能力小，剛度低，常用于精度要求高、運動靈活、輕載的場合。滾柱(針)導軌剛度大，承載能力強，但對位置精度要求高。滾動導軌采用標準滾動軸承，結構簡單，制造容易，潤滑方便。宜用于中等精度的場合。為了增加滾動導軌的承載能力，可施預加載荷。這時剛度大，且沒有間隙，精度相應提高，但阻尼比無預加載荷時大，制造復雜，成本高。故多用于精密導軌。
2)選擇長度：一般應在滿足導軌運動行程的前提下，盡可能使導軌的長度短一些。
為防止滾動體在行程的極端位置時脫落，運動件的長度應為
L=l+2a+Smax/2
式中 L-運動件或承導件的長度，計算時取較短者的長度(毫米);
l-支承點的距離(毫米);
a- 在極端位置時的余量;如圖
采用循環式的滾動導軌支承時，運動件的行程長度不受限制。
滾動體尺寸和數目：滾動體直徑大，承載能力大，摩擦阻力小。對于滾珠導軌，滾珠直徑增大，剛度增高(滾柱導軌的剛度與滾柱直徑無關)。因此，如果不受結構的限制，應有限選用尺寸較大的滾動體。
滾針導軌的摩擦阻力較大，且滾針可能產生滑動。所以盡可能不采用滾針導軌(特別是滾針直徑小于4毫米時)。
當滾動體的數目增加時，導軌的承載能力和剛度也增加。但滾動體的數目不宜太多，過多會增加載荷在滾動體上分布的不均勻性，剛度反而下降。若滾動體數目太少，制造誤差將會顯著地影響運動件的導向精度。一般在一個滾動帶歸上，滾動體的數目最少為12個。經驗表明：運動部件的重量，使滾柱單位長度上的載荷q≥4公斤/厘米時;對于滾珠導軌，在每個滾珠上的載荷為p≥3(d)1/2公斤時，(d為滾珠直徑，毫米)，載荷的分布比較均勻。
在滾柱導軌中，增加滾柱的長度，可減小接觸應力和增大剛度，但載荷分布的不均勻性也增大。對于鋼制摸削導軌，滾柱導軌和直徑之比l/d<1.5，對于鑄鐵導軌，l/d可增大些(滾柱直徑一般不小于6毫米，滾針直徑不小于4毫米)。
3) 滾動導軌剛度及預緊方法：如圖
上圖講述當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置Ⅰ時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平;當導軌移動到位置Ⅱ或Ⅲ時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜α角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產生彈性變形，會使工作臺下凹(有時還可能出現波浪形)，影響導軌的精度。
為減小導軌變形，提高剛度，除合理選擇滾動體的形狀、尺寸、數量和適當增加工作臺的厚度外，常用預加載荷的辦法來提高導軌的剛度。圖21-18所示的燕尾形滾動導軌，用移動導軌板獲得并控制預加載荷。
試驗證明：隨著過盈量的增加，導軌的剛度開始急劇增加，達到一定程度后，再增加過盈量，剛度不會顯著提高。牽引力隨著過盈量增加而增大，但在一定限度內變化不大，過盈量超過一定值后，則急劇增加。因此，合理的過盈量應使導軌剛度較好而牽引力不大。
4)技術要求：導軌的質量取決于它的制造精度和安裝精度，設計時應根據使用要求，制定出滾動導軌的若干技術條件，下列項目和數據可供參考：
兩導軌面間的不平度一般為3微米;
導軌不直度一般為10-15微米，精密的小于10微米。
滾動體的直徑差，對于一般的導軌，全部滾動體的直徑差不大于2微米，每組滾動體的直徑差不大于1微米;對于精密導軌，全部滾動體的直徑差不大于1微米，每組滾動體的直徑差不大于0.5微米;
滾柱的錐度在滾柱長度范圍內，大小端直徑差小于0.5-1微米;
表面光潔度通常應刮研;在25×25厘米2內，其接觸斑點為20-25個點，精密的取上限，一般的取下限。
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