機(jī)床設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí),導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)形式是多種多樣的。人們不禁要問(wèn),哪一種導(dǎo)軌是最佳的。本文闡述的是各種導(dǎo)軌的比較和分析其不同的原因。
機(jī)床制造者最關(guān)心的莫過(guò)于機(jī)床的精度,剛性和使用壽命。對(duì)導(dǎo)軌系統(tǒng)的研究途徑是很不夠的,至少在機(jī)床制造技術(shù)方面沒(méi)有把它放在重要的位置上,在機(jī)床樣本,宣傳廣告上,最具有吸引力的技術(shù)參數(shù)是:主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、換刀時(shí)間和快速進(jìn)給速度。當(dāng)然,這些參數(shù)對(duì)機(jī)床的性能是很重要的。但導(dǎo)軌為機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)奠定了可靠的基礎(chǔ)。
各種類型的機(jī)床工作部件,都是利用控制軸在指定的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),機(jī)床設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)床的類型和用途選用各種不同形式的導(dǎo)軌系統(tǒng),用得較為廣泛的有下列三種;即平面導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和循環(huán)滾柱與平面導(dǎo)軌的組合所構(gòu)成的滾動(dòng)體導(dǎo)軌。當(dāng)然系統(tǒng)遠(yuǎn)不止上述三種形式,還有其它形式的導(dǎo)軌。
特導(dǎo)軌的功能
盡管導(dǎo)軌系統(tǒng)的形式是多種多樣的,但工作性質(zhì)都是相同的,機(jī)床工作部件在指定導(dǎo)軌系統(tǒng)上移動(dòng),尤如火車(chē)沿著鐵軌在指定的方向上行駛。無(wú)論是機(jī)床導(dǎo)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)向
(2)為承載體提供光滑的運(yùn)動(dòng)表面
把火車(chē)的運(yùn)動(dòng)或機(jī)床的切削所產(chǎn)生的力傳到地基或床身上,減少由此產(chǎn)生的沖擊對(duì)乘客和被動(dòng)加工零件的影響。
(3)把火車(chē)的運(yùn)動(dòng)或機(jī)床的切削所產(chǎn)生的力傳到地基或床身上,減少由此產(chǎn)生的沖擊對(duì)乘客和被動(dòng)加工零件的影響。
沿導(dǎo)軌系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),大多數(shù)為直線運(yùn)動(dòng),也有少數(shù)為弧線運(yùn)動(dòng)。本文討論的重點(diǎn)是直線導(dǎo)軌系統(tǒng)。當(dāng)然,直線導(dǎo)軌的很多技術(shù)可以直接應(yīng)用弧形導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌為什么被稱為“系統(tǒng)”呢?這是因?yàn)閷?dǎo)軌系統(tǒng)的工作包含著若干組件的同時(shí)工作,最基本的組件為一個(gè)運(yùn)動(dòng)組件和一個(gè)固定組件。運(yùn)動(dòng)組件的形式有多種多樣,以后將予以詳細(xì)介紹,固定組件一般為道軌式,它是導(dǎo)軌精度的保證,如果導(dǎo)軌彎曲變形,運(yùn)動(dòng)組件或滑動(dòng)組件便失去精確的導(dǎo)向。
機(jī)床制造廠都在盡最大的努力,確保導(dǎo)軌安裝的精確性。導(dǎo)軌被加工前。導(dǎo)軌和工作部件都已經(jīng)過(guò)時(shí)效處理。以消除內(nèi)應(yīng)力。為了保證導(dǎo)軌的精度和延長(zhǎng)使用壽命,刮研是一種常用的工藝方法。
鑲鋼導(dǎo)軌
機(jī)床上最常用的導(dǎo)軌形式是鑲鋼導(dǎo)軌,它的使用已有很長(zhǎng)的歷史。鑲鋼導(dǎo)軌是導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定組件,其截面為矩形。它可水平裝在機(jī)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(dǎo)軌是由鋼制成的,經(jīng)淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把鑲鋼導(dǎo)軌用螺釘或粘結(jié)劑(環(huán)氧樹(shù)脂)貼在機(jī)床床身或經(jīng)刮研的立柱配合表面上,確保導(dǎo)軌獲得最佳的平面度。這種形式,維修更換方便、簡(jiǎn)單,很受維修工人的歡迎。
整體導(dǎo)軌或鑄造導(dǎo)軌,即鋼導(dǎo)軌與底座鑄成一體,加工后再經(jīng)精磨到要求的尺寸和光潔度。導(dǎo)軌必須經(jīng)過(guò)火焰淬火提高表面硬度,以提高導(dǎo)軌的耐磨性。床身一般為球墨鑄鐵,當(dāng)然球墨鑄鐵的硬度比不上鋼,整體導(dǎo)軌可以重新修理和淬硬,但更換它幾乎是不可能的。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的,機(jī)床制造者過(guò)去的通常做法是:鋼導(dǎo)軌的邊緣設(shè)計(jì)有鉤形的“耳朵”,在澆鑄底座前,把鋼導(dǎo)軌置于底座的鑄模內(nèi),再把鐵水澆入鑄模內(nèi),這樣便把鋼導(dǎo)軌與底座鑄成一體。
滑動(dòng)導(dǎo)軌
傳統(tǒng)導(dǎo)軌的發(fā)展,首先表現(xiàn)在滑動(dòng)組件和導(dǎo)軌形式上,滑動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是導(dǎo)軌和滑動(dòng)件之間使用了介質(zhì),形式的不同在于選擇不同的介質(zhì)。
液壓被廣泛用于許多導(dǎo)軌系統(tǒng)。靜壓導(dǎo)軌是其中的一種,液壓油在壓力作用下,進(jìn)入滑動(dòng)組件的溝槽,在導(dǎo)軌和滑動(dòng)組件之間形成油膜,把導(dǎo)軌和移動(dòng)組件隔開(kāi),這樣大大減少移動(dòng)組件的摩擦力。靜壓導(dǎo)軌對(duì)大負(fù)荷是極其有效的,對(duì)偏心負(fù)荷有補(bǔ)償作用。例如:一個(gè)大型的砂型箱在加工時(shí),正好走到機(jī)床行程的末端,負(fù)載導(dǎo)軌能夠增大油壓,使導(dǎo)軌準(zhǔn)確地保持著水平負(fù)載的狀態(tài)。有的臥式鏜銑床使用這種技術(shù)補(bǔ)償深孔加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的下降。
利用油作為介質(zhì)的另一種導(dǎo)軌形式是動(dòng)壓導(dǎo)軌,動(dòng)壓導(dǎo)軌與靜壓導(dǎo)軌的不同點(diǎn)是:油不是在壓力下起作用的,它利用油的粘度來(lái)避免移動(dòng)組件和導(dǎo)軌之間的直接接觸,優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省液壓油泵。
空氣也可以用于移動(dòng)組件和導(dǎo)軌之間的介質(zhì),它也有兩種形式,氣動(dòng)靜壓導(dǎo)軌和氣動(dòng)動(dòng)壓導(dǎo)軌,工作原理與液壓導(dǎo)軌相同。
使用比較普通的抗摩擦導(dǎo)軌,它是在移動(dòng)組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(zhì),如油或空氣。其作用與液體介質(zhì)相似,安裝在移動(dòng)組件上的抗摩擦材料應(yīng)設(shè)計(jì)有油槽,滿足移動(dòng)組件和導(dǎo)軌表面之間油潤(rùn)滑或其它形式潤(rùn)滑的需要。
眾所周知,平面導(dǎo)軌和移動(dòng)組件之間的接觸面積比較大,移動(dòng)組件要作快速微量進(jìn)給.需要克服移動(dòng)組件的慣量,因此將會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。當(dāng)滾珠絲杠或其它驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)移動(dòng)組件移動(dòng)時(shí),產(chǎn)生一個(gè)輕微粘附阻力,移動(dòng)組件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí),由于移動(dòng)組件處于被抓住的狀態(tài),出現(xiàn)了輕微的跳動(dòng),導(dǎo)致產(chǎn)生爬行,這種現(xiàn)象對(duì)于大的移動(dòng)影響不大,而對(duì)于微量移動(dòng),就成為一個(gè)問(wèn)題。
可調(diào)性是平面導(dǎo)軌特有的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)導(dǎo)軌的使用情況,平面導(dǎo)軌系統(tǒng)至少有一個(gè)或一個(gè)以上的可調(diào)邊。由于移動(dòng)組件沿著直線導(dǎo)軌的側(cè)邊移動(dòng),保證移動(dòng)組件與導(dǎo)軌側(cè)面緊密接觸是極為重要的。普遍使用調(diào)整的方法是斜鐵,斜鐵位于移動(dòng)組件和導(dǎo)軌接觸面相對(duì)的側(cè)面之間。形狀為錐形條塊角鐵,可以精確地調(diào)整,以消除移動(dòng)部件和導(dǎo)軌之間的間隙。如果滑動(dòng)部件或?qū)к壞p,接觸表面之間的間隙加大,可調(diào)整斜鐵進(jìn)行補(bǔ)償。
機(jī)床制造廠已發(fā)明了斜鐵自動(dòng)調(diào)整的專利技術(shù),它的基本原理是使斜鐵保持固定的彈簧壓力,一旦導(dǎo)軌系統(tǒng)被磨損,斜鐵能自動(dòng)地消除移動(dòng)部件與導(dǎo)軌之間的間隙。
直線導(dǎo)軌
直線導(dǎo)軌系統(tǒng)使機(jī)床可獲得快速進(jìn)給速度,在主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下,快速進(jìn)給是直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)。直線導(dǎo)軌與平面導(dǎo)軌一樣,有兩個(gè)基本組件;一個(gè)作為導(dǎo)向的為固定組件,另一個(gè)是移動(dòng)組件。由于直線導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)部件,對(duì)機(jī)床制造廠來(lái)說(shuō).唯一要做的只是加工一個(gè)安裝導(dǎo)軌的平面和校調(diào)導(dǎo)軌的平行度。當(dāng)然,為了保證機(jī)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(jiǎn)單的。
作為導(dǎo)向的導(dǎo)軌為淬硬鋼,經(jīng)精磨后置于安裝平面上。與平面導(dǎo)軌比較,直線導(dǎo)軌橫截面的幾何形狀,比平面導(dǎo)軌復(fù)雜,復(fù)雜的原因是因?yàn)閷?dǎo)軌上需要加工出溝槽,以利于滑動(dòng)組件的移動(dòng),溝槽的形狀和數(shù)量,取決于機(jī)床要完成的功能。例如:一個(gè)既承受直線作用力,又承受顛覆力矩的導(dǎo)軌系統(tǒng),與僅承受直線作用力的導(dǎo)軌相比.設(shè)計(jì)上有很大的不同。
直線導(dǎo)軌的移動(dòng)組件和固定組件之間不用中間介質(zhì),而用滾動(dòng)鋼球。因?yàn)闈L動(dòng)鋼球適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)小、靈敏度高,滿足運(yùn)動(dòng)部件的工作要求,如機(jī)床的刀架,拖板等。直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定組件(導(dǎo)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(dǎo)軌的頂部和兩側(cè)面。為了支撐機(jī)床的工作部件,一套直線導(dǎo)軌至少有四個(gè)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(gè)。
機(jī)床的工作部件移動(dòng)時(shí),鋼球就在支架溝槽中循環(huán)流動(dòng),把支架的磨損量分?jǐn)偟礁鱾€(gè)鋼球上,從而延長(zhǎng)直線導(dǎo)軌的使用壽命。為了消除支架與導(dǎo)軌之間的間隙,預(yù)加負(fù)載能提高導(dǎo)軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性,預(yù)加負(fù)荷的獲得.是在導(dǎo)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(dǎo)軌上,預(yù)加負(fù)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(jīng)受預(yù)加負(fù)荷時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致支架運(yùn)動(dòng)阻力增大。這里就有一個(gè)平衡作用問(wèn)題;為了提高系統(tǒng)的靈敏度,減少運(yùn)動(dòng)阻力,相應(yīng)地要減少預(yù)加負(fù)荷,而為了提高運(yùn)動(dòng)精度和精度的保持性,要求有足夠的預(yù)加負(fù)數(shù),這是矛盾的兩方面。
工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng),鋼球開(kāi)始磨損,作用在鋼球上的預(yù)加負(fù)載開(kāi)始減弱,導(dǎo)致機(jī)床工作部件運(yùn)動(dòng)精度的降低。如果要保持初始精度,必須更換導(dǎo)軌支架,甚至更換導(dǎo)軌。如果導(dǎo)軌系統(tǒng)已有預(yù)加負(fù)載作用。系統(tǒng)精度已喪失,唯一的方法是更換滾動(dòng)組件。
導(dǎo)軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì),力求固定組件和移動(dòng)組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(chǎn)生的沖擊力,把作用力廣泛擴(kuò)散,擴(kuò)大承受力的面積。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),導(dǎo)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(diǎn)為頂點(diǎn);另一種為園弧形,同樣能起相同的作用。無(wú)論哪一種結(jié)構(gòu)形式,目的只有一個(gè),力求更多的滾動(dòng)鋼球半徑與導(dǎo)軌接觸(固定組件)。決定系統(tǒng)性能特點(diǎn)的因素是:滾動(dòng)組件怎樣與導(dǎo)軌接觸,這是問(wèn)題的關(guān)鍵。
直線滾柱導(dǎo)軌
直線滾柱導(dǎo)軌系統(tǒng)是平面導(dǎo)軌與直線滾柱導(dǎo)軌的組合,用滾柱安裝在平行導(dǎo)軌上,用滾柱代鋼球承載機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件。優(yōu)點(diǎn)是接觸面積大、承載負(fù)荷大、靈敏度高。
從床身尾部看,支架與滾柱置于平面導(dǎo)軌的頂面和側(cè)面,為了獲得高精度,在機(jī)床工作部件和支架內(nèi)面之間,設(shè)置一塊楔板,使預(yù)加負(fù)載作用于支架的側(cè)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(dǎo)軌系統(tǒng)上的預(yù)加負(fù)荷是可調(diào)的,為此楔板的損失得到補(bǔ)償,這一特點(diǎn)被廣泛用于中型或大型機(jī)床上,因?yàn)樗鼘?duì)CNC指令反應(yīng)靈敏,承受負(fù)荷大,直線滾柱導(dǎo)軌系統(tǒng)比傳統(tǒng)的平面導(dǎo)機(jī)能經(jīng)受高速運(yùn)轉(zhuǎn),改善機(jī)床的性能。
V型導(dǎo)軌
機(jī)床上常用的另一種導(dǎo)軌形式是V型(燕尾槽)導(dǎo)軌,一般用于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的定位。例如:車(chē)削中心的尾架,導(dǎo)軌系統(tǒng)可以使尾架在上面移動(dòng)或者移到要求的位置去支承被加工零件,然后迅速夾緊。
機(jī)床很多附件,如定位工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或旋轉(zhuǎn)軸等,也采用V型導(dǎo)軌作為定位組件,然后夾緊在要求的位置上。如果機(jī)床往復(fù)行程較長(zhǎng),則采用V型導(dǎo)軟,如平面磨床和刨床等。優(yōu)點(diǎn)是V型導(dǎo)軌系統(tǒng)導(dǎo)向性好,能承受重力切削。有的采用V型導(dǎo)軌和平面導(dǎo)軌相結(jié)合的形式,V型導(dǎo)軌作為導(dǎo)向,平面導(dǎo)軌作為支承體。