导轨设计1.1导轨的功用、分类和基本要求1.1.1导轨的功用和分类导轨的功用是支承并引导运动部件，使之沿着一定的轨迹准确运动。

在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，固定不动的叫做支承导轨。

动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。

导轨可按下列性质进行分类：（1）运动性质1）主运动导轨动导轨作主运动，与支承导轨间相对运动的速度较高。

2）进给运动导轨动导轨作进给运动，与支承导轨间的相对运动速度较低。

机床中大多数导轨属于进给运动导轨。

3)移置导轨这种导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动。

(2)摩擦性质1）滑动导轨两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦，按其摩擦状态又可分为：液体静压导轨两导轨面间具有一层静压油膜，相当于静压滑动轴承，摩擦性质属于纯液体摩擦，主运动和进给运动导轨都能应用，但用于进给运动导轨较多。

液体动压导轨当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体动压效应使导轨油囊处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦，相当于动压滑动轴承，这种导轨只能用于高速场合，故仅用作主运动导轨。

混合摩擦导轨在导轨面间虽有一定的动压效应或静压效应，但由于速度还不够高，油楔所形成的压力油还不足以隔开导轨面，导轨面仍处于直接接触状态，大多数导轨属于这一类。

边界摩擦导轨在滑动速度很低时，导轨面间不足以产生动压效应。

2)滚动导轨在两导轨副接触面间装有球、滚子和滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性能，广泛地应用于进给运动和旋转运动的导轨。

(3)受力情况1）开式导轨若导轨所承受的颠覆力矩不大，在部件自重和外载作用下，导轨面a和b在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如图4. la所示。

2)闭式导轨部件上所受的颠覆力矩M较大时，就必须增加压板以形成辅助导轨面e，才能使主导轨面c和d都良好地接触，称为闭式导轨，如图4.1b所示。

1.1.2导轨的基本要求1．较高的导向精度导向精度是指动导轨运动轨迹的准确性。

它是保证导轨工作质量的前提，继而也保证了运动部件的运动准确性。

导轨在空载运动和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。

影响导向精度的主要因素是导轨的结构型式、导轨的几何精度和接触精度、导轨和基础部件的刚度、导轨的油膜厚度和刚度、导轨和基础部件的热变形等。

2．良好的耐磨性导向精度的持久性主要是由导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、工艺方法及受力情况等有关。

另外，导轨和基础部件上的残余应力，也会使导轨发生蠕变而影响导轨精度的保持性。

影响精度保持性的主要因素是磨损，提高耐磨性以保证导向精度的持久性。

3．足够的刚度足够的刚度可以保证在额定载荷作用下，导轨的变形在允许范围内。

受载后，导轨的变形是绝对的，它会影响导向精度和部件的相对位置。

因此，要求导轨应有足够的刚度。

4.良好的低速运动平稳性当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现爬行现象。

低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑、动静摩擦因数的差值以及传动导轨运动的传动系统的刚度等有关。

5．结构简单、工艺性好设计时要使导轨的制造和维护方便，刮研量小。

如果是镶装导轨，则应尽量做到更换容易。

1.2滑动导轨1.2.1导轨的材料1．对导轨材料的要求导轨的材料有铸铁、钢、非铁金属和塑料等。

对其主要要求是耐磨性好、工艺性好和成本低。

对于塑料镶装导轨的材料，还应保证：在温度升高（主运动导轨120-150℃，进给导轨60℃）和空气湿度增大时的尺寸稳定性；在静载压力达到5 MPa时，不发生蠕变；塑料的线膨胀系数应与铁接近。

2.常用导轨的材料1)铸铁铸铁成本低，有良好的减振性和耐磨性。

2)钢采用淬火钢和氮化钢的镶装钢导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。

但镶钢导轨工艺复杂，加工较困难，成本也较高。

3)非铁金属用于镶装导轨的非铁金属板的材料主要有锡青铜和锌合金。

4)塑料镶装塑料导轨具有摩擦因数小、耐磨性好、抗撕伤能力强、低速时不易出现爬行、加工性能和化学稳定性好、工艺简单、成本低等特点，因而在各类设备的动导轨上都有应用。

3．导轨副材料的选用在导轨副中，为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同材料。

如果采用相同材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。

一般说来动导轨的硬度比支承导轨的硬度约低15-45 HBS为宜。

在直线运动导轨中，长导轨用较耐磨的或硬度较高的材料制造。

这是因为：1)长导轨各处使用机会难以均等，磨损不均匀，对加工的精度影响较大。

因此，长导轨的耐磨性应高一些。

2)长导轨面不容易刮研，选用耐磨材料制造可减少维修的劳动量。

3)不能完全防护的导轨都是长导轨。

它露在外面，容易被刮伤。

在回转运动导轨副中，应将较软的材料用于动导轨。

这是因为花盘或圆工作台导轨比底座加工方便些，磨损后修理也比较方便。

导轨材料的搭配有如下几种：铸铁一铸铁、铸铁一淬火铸铁、铸铁一淬火钢、非铁金属一铸-铁、塑料一铸铁、淬火钢一淬火钢等，前者为动导轨，后者为支承导轨。

除铸铁导轨外，其他导轨均为镶装的。

1.2.2导轨的结构1．直线运动导轨直线运动导轨截面的基本形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形四种形式，如图4.2所示。

三角形导轨的导向性随顶角a的大小而不同，a越小导向性越好。

但是当a减小时，导轨面的当量摩擦因数会加大。

通常取三角形导轨的顶角a为90°。

矩形导轨具有刚度高，加工、检验和维修都较方便的优点。

但矩形导轨由于存在侧面间隙，因此导向性差。

矩形导轨适用于载荷较大，而导向性要求略低的设备。

燕尾形导轨的优点是高度较小，间隙调整方便，可以承受颠覆力矩，而缺点是刚度较差，加工、检验和维修不方便。

β通常取55°。

这种导轨适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的场合。

圆柱形导轨，制造方便，不易积存较大的切屑，但磨损后很难调整和补偿间隙，应用较少。

导轨的尺寸已标准化，可参阅有关标准。

直线运动导轨通常由两条组合而成，如图4.3所示。

图4.3a所示为双三角形导轨。

它的导向性和精度保持性好，但由于过定位，加工、检验和维修都比较困难，因此多用于精度要求较高的设备，如单柱坐标镗床。

图4.3b所示为双矩形导轨。

它的承载能力较大，但导向性稍差，多用于普通精度的设备。

由一条导轨的两侧导向时，叫做窄式组合，如图4.4a所示；分别由两条导轨的外侧导向时，叫做宽式组合，如图4.4b所示。

宽式组合导向性稍差，因此双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些。

图4.3c所示为三角形和矩形导轨的组合，它兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点，应用最广，如磨床、龙门刨床等工作台导轨。

图4.3d所示为燕尾形导轨，它是闭式导轨中接触面最少的一种结构，用一根镶条就可调节各接触面的间隙，如牛头刨床的滑枕。

图4.3e所示为矩形和燕尾形导轨的组合，它具有调整方便和承受较大力矩的优点，多用于横梁、立柱等的导轨。

图4.3f所示为双圆柱导轨，常用于只受轴向力的场合，如攻丝机和机械手等。

两条导轨的中心之间的距离Ld（图4.3c）叫做导轨的跨距，它的大小根据导轨的受力情况和参考现存同类设备导轨的尺寸确定。

2.回转运动导轨回转运动导轨的截面形状有平面、锥面和V形面三种，如图4.5所示。

图4.5a所示为平面环形导轨，它具有承载能力大、结构简单、制造方便的优点。

但平面环形导轨只能承受轴向载荷，因此必须与主轴联合使用，由主轴来承受径向载荷。

这种导轨适用于由主轴定心的各种回转运动导轨的设备，如齿轮加工机床。

图4.5b所示为锥面环形导轨，母线倾角常取30°，可以承受一定的径向载荷。

图4.5c,d,e所示皆为V形环面导轨，可以承受较大的径向载荷和一定的颠覆力矩。

但它们的共同缺点是工艺性差，在与主轴联合使用时既要保证导轨面的接触，又要保证导轨面与主轴的同心是相当困难的，因此有被平面环形导轨取代的趋势。

回转运动导轨的直径，根据下述原则选取：低速运动的圆工作台，为使其运动平稳，取环形导轨的直径接近于工作台的直径。

高速转动的圆工作台．取导轨的平均直径D'与工作台外径之比为0.6-0.7。

环形导轨面的宽度B应根据许用压力来洗择．通常取，最常用的取。

3．镶装导轨采用镶装导轨的目的，主要在于提高导轨的耐磨性。

有时由于结构的原因（焊接床身），也必须采用镶装导轨。

在支承导轨上通常镶装淬硬钢块、钢板或钢带，在动导轨上镶装塑料或非铁金属板等。

镶装导轨的结构可参阅有关资料。

4.导轨间隙的调整导轨结合面配合的松紧对设备的工作性能有很大的影响。

过紧不仅操作困难，而且磨损也快；过松则影响运动精度，甚至会产生振动。

因此，必须对导轨间隙加以调整。

常用调整导轨间隙的装置有镶条和压板两种。

（1）镶条镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙，以保证导轨面的企常接触。

镶条应放在导轨受力较小的一侧。

通常有平镶条和楔形镶条两种。

平镶条如图4.6所示，它具有调整方便、制造容易等特点。

但图中所示的平镶条较薄，只在与螺钉接触的几个点受力，容易变形，刚度低。

图4.7所示为楔形镶条，镶条的两个面分别与动导轨和支承导轨均匀接触，所以比平镶条刚度高，但加工稍困难。

楔形镶条的斜度为1:100-1:40，镶条越长斜度应越小，以免两端厚度相差太大。

（2）压板压板用于调整间隙并承受颠覆力矩，如图4.8所示。

图4.8a所示为用磨或刮压板3的e和d面来调整间隙。

间隙太大，则磨刮压板3与床鞍1的结合面d；间隙太小，则磨刮压板3与床身2的下导轨结合面e。

由于d面和e面不在同一水平面，因此用空刀槽分开。

这种方式制造简单，调整复杂。

图4.8b所示为用改变压板与床鞍结合面间垫片4的厚度的办法调整间隙，垫片4是由许多薄铜片叠在一起的，调整比较方便，但调整量受垫片厚度限制，降低了结合面的接触刚度。

图4.8c所示为压板与导轨之间用平镶条5调整间隙。

这种方法调节方便，但刚性比前两种差，因此多用于经常调节间隙和受力不大的场合。

1.2.3导轨的验算导轨的设计应先参考同类型设备，初步确定导轨的结构型式和尺寸，然后再进行验算。

导轨的主要失效形式为磨损，而导轨的磨损又与导轨副表面的压强有密切关系，随着压强的增加，导轨的磨损量也增加。

验算滑动导轨，现阶段只能验算导轨的压强和压强分布。

压强大小直接影响导轨表面的耐磨性，压强的分布影响磨损的均匀性。

通过压强分布还可以判断是否应采用压板，即导轨应是开式还是闭式的。

1．验算滑动导轨的步骤1)受力分析。

导轨上所受的外力一般包括切削力、工件和夹具的重量、动导轨所在部件的重量以及牵引力。

这些外力使各导轨面产生支反力和支反力矩。

牵引力、支反力和支反力矩都是未知力，一般可用静力平衡方程式求出。

当出现超静定时，可根据接触变形的条件建立附加方程式求各力。

首先建立外力矩方程式，然后依次求牵引力、支反力和支反力矩。

2)计算导轨的压强。