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

3 F8 W7 J2 Q7 H8 }8 M8 r/ n    　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。
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) A* E/ ^- R, Q/ J5 |　　機床控制元件的運動實現了機床的精密加工，這是手動工具和機床的主要區別，下面討論的是機床的控制元件之一——導軌系統。
5 L: W" f: E/ U! Y　　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，這些參數對機床的性能是很重要的。但導軌為機床功能的實現奠定了可靠的基礎。
; R7 U9 c5 i! X6 @　　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，機床設計者根據機床的類型和用途選用各種不同形式的導軌系統，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滾柱與平面導軌的組合所構成的滾動體導軌。當然系統遠不止上述三種形式，還有其它形式的導軌。

　　導軌的功能

　　盡管導軌系統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，都是體現如下三種基本功能：
　　(1)為承載體的運動導向
% w/ A. B4 C/ A; L4 R( o& k9 u　　(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。
　　沿導軌系統的運動，大多數為直線運動，也有少數為弧線運動。本文討論的重點是直線導軌系統。當然，直線導軌的很多技術可以直接應用弧形導軌。
5 H6 _  Q& Q) W$ ]4 N　　導軌為什么被稱為“系統”呢？這是因為導軌系統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。
$ t' k; L' j  e4 g( d: t　　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。

　　鑲鋼導軌
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2 v! t% |3 w- \6 W　　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。
　　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。
( [1 A7 ^' Y0 D; ]0 F/ f為了實現上述的目的，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。
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  　　滑動導軌
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　　傳統導軌的發展，首先表現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。
4 H& p- g' O( a! C3 u　　液壓被廣泛用于許多導軌系統。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。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。
　　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，優點是節省液壓油泵。
3 o: \, A9 o8 ^' }# d& \　　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。
$ s2 B3 g0 [5 i- }% ~( M$ L　　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。
2 G9 a6 q1 c2 q: W' O% K　　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，出現了輕微的跳動，導致產生爬行，這種現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。
4 E# Q- ]6 X* d1 J! l  u9 a: _　　可調性是平面導軌特有的優點，根據導軌的使用情況，平面導軌系統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。
　　機床制造廠已發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

　　新的導軌系統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，與僅承受直線作用力的導軌相比.設計上有很大的不同。
7 k* l, M8 H% F　　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。直線導軌系統的固定元件(導軌)的基本功能如同軸承環，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，支架的數量可以多于四個。
6 D$ G* _, `& j! \  u1 T    　機床的工作部件移動時，鋼球就在支架溝槽中循環流動，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的穩定性，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，這是矛盾的兩方面。
　　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。如果導軌系統已有預加負載作用。系統精度已喪失，唯一的方法是更換滾動元件。
" z$ h) ]% w+ ~& p% t( c. A# a　　導軌系統的設計，力求固定元件和移動元件之間有最大的接觸面積，這不但能提高系統的承載能力，而且系統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。為了實現這一點，導軌系統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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) C+ l' @. I6 j' ?5 W3 g　　直線滾柱導軌

& g( v* P% R, U  }　　直線滾柱導軌系統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，直線滾柱導軌系統比傳統的平面導機能經受高速運轉，改善機床的性能。
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　　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。優點是V型導軌系統導向性好，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，保持滾動元件的良好潤滑，能減少導軌系統的磨損，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啊！

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