3.2　滾動摩擦導軌結構設計技巧與禁忌

滾動摩擦導軌是在運動件和承導件之間放置滾動體(滾珠、滾柱、滾動軸承等),使導軌運動時處于滾動摩擦狀態。

與滑動摩擦導軌比較,滾動摩擦導軌的特點如下。

① 摩擦因數小,并且靜、動摩擦因數之差很小,故運動靈便,不易出現爬行現象。

② 定位精度高,一般滾動導軌的重復定位誤差為0.1~0.2μm,而滑動導軌的定位誤差一般為10~20μm。因此,當要求運動件產生精確微量的移動時,通常采用滾動摩擦導軌。

③ 磨損較小,壽命長,潤滑簡便。

④ 結構較為復雜,加工比較困難,成本較高。

⑤ 對臟物及導軌面的誤差比較敏感。

3.2.1　滾動摩擦導軌的類型及結構

滾動摩擦導軌按滾動體的形狀可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾動軸承導軌等。

(1)滾珠導軌

① V形滾珠導軌　圖3?30和圖3?31是V形滾珠導軌的兩種典型結構形式。在V形槽(V形角一般為90°)中安置著滾珠,隔離架用來保持各個滾珠的相對位置,固定在承導件上的限動銷與隔離架上的限動槽構成限動裝置,用來限制運動件的位移,以免運動件從承導件上滑脫。

　　圖3?30中的OO軸為滾珠的瞬時回轉軸線,由于a、b、c三點的速度與運動件的速度相等,但c點的回轉半徑rm大于a、b兩點的回轉半徑rn,因此右排滾珠的速度小于左排滾珠的速度,為了避免由于隔離架的限制而使滾珠產生滑動,把隔離架右排的分珠孔制成平橢圓形。

V形滾珠導軌的優點是工藝性較好,容易達到較高的加工精度,但由于滾珠和導軌面是點接觸,接觸應力較大,容易壓出溝槽,如溝槽的深度不均勻,將會降低導軌的精度。為了改善這種情況,可采取如下措施。

a.預先在V形槽與滾珠接觸處研磨出一窄條圓弧面的淺槽,從而增加了滾珠與滾道的接觸面積,提高了承載能力和耐磨性,但這時導軌中的摩擦力略有增加。

b.采用雙圓弧滾珠導軌[圖3?32(a)]。這種導軌是把V形導軌的V形滾道改為圓弧形滾道,以增大滾動體與滾道接觸點的綜合曲率半徑,從而提高導軌的承載能力、剛度和使用壽命。雙圓弧導軌的缺點是形狀復雜,工藝性較差,摩擦力較大,當精度要求很高時不易滿足使用要求。雙圓弧滾珠導軌的主要參數如圖3?32(b)所示,根據使用經驗,滾珠半徑r與滾道圓弧半徑R之比常取為r/R=0.90~0.95,接觸角θ=45°。

② 圓桿式滾珠導軌　圖3?33所示是圓桿式滾珠導軌的結構,其中的A、B、C是三對淬火鋼制成的圓桿,圓桿經過仔細的研磨和檢驗,以保證必要的直線度。運動

件下面固定的矩形桿F也用淬火鋼制成,D和E是滾珠。這種導軌的優點是運動靈便性較好,耐磨性較好,圓桿磨損后,只需將其轉過一個角度即可恢復原始精度。

③ 滾珠循環式滾珠導軌　當要求運動件的行程很大或需要簡化導軌的設計和制造時,可采用滾珠循環式滾珠導軌。圖3?34是這種導軌的結構簡圖,它由運動件、滾珠、承導件和返回器組成。運動件上有工作滾道和返回滾道,與兩端返回器的圓弧槽面滾道接通,滾珠在滾道中循環滾動,行程不受限制。

為了保證滾珠導軌的運動精度和各滾珠承受載荷的均勻性,應嚴格控制滾珠的形狀誤差和各滾珠間的直徑差。例如19JA萬能工具顯微鏡橫向滑板滾珠導軌,滾珠間的直徑不均勻度和滾珠的圓度誤差均要求在0.5μm以內。

(2)滾柱導軌與滾動軸承導軌

為了提高滾動導軌的承載能力和剛度,可采用滾柱導軌或滾動軸承導軌。這類導軌的結構尺寸較大,常用在比較大型的精密機械上。

① 交叉滾柱V?平導軌　如圖3?35(a)所示,在V形空腔中交叉排列著滾柱,這些滾柱的直徑d略大于長度b,相鄰滾柱的軸線互相垂直交錯,單數號滾柱在AA1面間滾動(與B1面不接觸),雙數號滾柱在BB1面間滾動(與A1面不接觸),右邊的滾柱則在平面導軌上運動。這種導軌不用保持架,可增加滾動體數目,提高導軌剛度。

② V?平滾柱導軌　如圖3?35(b)所示,這種導軌加工比較容易,V形導軌滾柱直徑d與平面導軌滾柱直徑d1之間的關系為d=d1sin(α/2),其中α是V形導軌的V形角。若把滾柱取出,上、下導軌面正好可互相研配,所以加工比較方便。

③ 滾動軸承導軌　如圖3?36所示,直接用標準的滾動軸承作滾動體,結構簡單、易于制造、調整方便,而且摩擦力矩小、運動靈活。導軌中滾動軸承不僅起著滾動體的作用,而且本身還能代替運動件或承導件。這種導軌被廣泛應用于一些大型光學儀器上。

用作導軌的滾動軸承有很多為非標準深溝球軸承,萬能工具顯微鏡縱向導軌結構是滾動軸承導軌應用的典型實例,如圖3?37所示,其內圈固定,外圈旋轉。用作導向的滾動軸承,其徑向跳動量應小于0.5μm,用作支承的滾動軸承,其徑向跳動量應小于1μm。為減小變形,軸承的內圈和外圈要比標準軸承厚些,軸承的外圈表面磨成圓弧形曲面,以保證與導軌接觸良好。

3.2.2　滾動摩擦導軌的結構設計技巧與禁忌

(1)導軌的強度和剛度應足夠

直線滾動導軌的樣本中給出的額定動(Ca)、靜(C0a)載荷,都是在各個滾珠受載均勻的理想狀態下算出的。因此,必須十分注意避免力矩載荷和偏心載荷。否則,一部分滾珠承受的載荷,有可能超過計算Ca值時確定的許用接觸應力(3000~3500MPa)和C0a確定的許用接觸應力(4500~5000MPa),導致過早的疲勞破壞或產生壓痕并出現振動、噪聲和降低移動精度等現象。

滾珠導軌支承的工作臺左、右移動時(圖3?38),因為工作臺本身重量的影響,使滾珠變形不同,而導致工作臺傾斜,因而產生誤差。因此,使滾動導軌處于不利位置,應該進行剛度計算,必要時還應該進行強度計算。

　　(2)降低導軌面接觸應力

導軌面采用適當形狀可以減小接觸應力。

導軌面為V形的導軌[圖3?39(a)]接觸應力大,而導軌面采用雙圓弧形[圖3?39(b)]可以得到比V形的導軌小的接觸應力,

但圓弧半徑應大于滾珠半徑,以減小摩擦。

(3)滾動導軌加工、裝拆、調整設計技巧與禁忌

① 注意相配合的導軌面能互研　對于V?平滾柱導軌,如果取為d1=d2[圖3?40(a)],則當取下滾柱后,由于導軌不能互研而使精度較低。如果使滾柱直徑的關系為d1=d2/sinα[圖3?40(b)],則當取下滾柱后,上、下導軌面正好可以互研,導軌精度高。

② 減少導軌安裝的調整工作　對于高精度導軌,應盡量減少調整工作。例如萬能顯微鏡導軌[圖3?41(a)],原設計用滾動軸承支承,滾動軸承有0.5mm的偏心,靠調整達到要求的精度。如改為用V?平滾珠導軌[圖3?41(b)],用磨床磨制導軌工作面以達到要求精度,這樣改進以后,在保證原有精度情況下,生產率明顯提高。

③ 回轉導軌座圈連接結構應便于調整間隙　如圖3?42所示為塔式起重機回轉導軌結構,塔身通過緊固螺柱與上、下座圈連成一體,沿圓周排列的滾柱與上、下座圈和外齒輪組成下回轉導軌。長期工作后,導軌與滾柱間的間隙增大,靠改變墊片厚度來調整間隙。改進前的結構如圖3?42(a)所示,組裝螺釘是上圈擰緊的,因此松開緊固螺栓的螺母,墊片還是抽不出來,只有先拆掉塔身,再松開組裝螺釘,才能抽出墊片,進行調整間隙,因此調整極不方便。改進后的結構如圖3?42(b)所示,組裝螺釘從下圈擰入,則調整間隙時不需拆掉塔身,直接從下面松開緊固螺栓的螺母和組裝螺釘,便可抽出墊片,調整很方便。

④ 防止滾動件脫出導軌　滾動導軌的滾珠是在導軌上自由運動的。長期工作之后滾珠可能從導軌的一端脫出[圖3?43(a)]。因此,應在導軌的兩端設置限位裝置以防滾珠脫出[圖3?43(b)]。