机床导轨的结构及导向原理认知

1.导轨滑块副基础

导轨的作用，在于引导机械结构沿一定轨迹运动、传递动力及支承载荷。在机械行业中，最常见的导轨是机床用直线导轨，该导轨结构是由两个相对运动部件的结合面组成的滑动副，一般由机床支撑部件和执行部件匹配而成，在支撑部件上的导轨成为支撑导轨，在执行部件上的导轨称为运动导轨。直线导轨指运动导轨相对于支撑导轨做直线运动。本节主要以该类导轨为例进行相关内容的讲述。

不同的使用环境对导轨的要求也不同。但是，作为运动引导件，保证机构运行的准确和稳定是各行各业对导轨结构的基本要求。在机床用直线导轨上，这类要求称为对导轨的导向精度要求。导向精度一般指动导轨相对于支撑导轨运动的直线度和圆度。影响此精度的主要因素有导轨的加工制造精度、装配精度和导轨的结构形式等。除此之外，导轨的耐磨性和刚度也是评价导轨优劣的重要参数，耐磨性能好、刚度高的导轨能够保证机械的长时间高精度运行。

在设计选用导轨的过程中，导轨副可能出现的低速爬行现象也必须加以考虑。爬行现象是指在面接触滑动副中，即使在稳定牵引力的作用下，也可能出现的两接触面间歇性停滞和窜动现象，该现象常出现在低速运行时。如果导轨副在低速运动中出现爬行现象，就没有办法保证导向精度，同时也会对机械整体产生振动而影响使用。

2.导轨滑块副构造分类

按照不同的分类标准，导轨副可以有很多种不同的类型，每种类型均对应不同的性能指标。机械从业人员有必要了解每种导轨副的具体定义和不同导轨副间的区别，以便能够在工作中正确选用。

（1）按照结构形式分类

按照结构形式分，导轨副可分为开式导轨和闭式导轨两种。

① 开式导轨：只可用于水平运动或倾斜配置的部件，且不能承受沿导轨上表面外法线正向的作用力（包括分力）和大的倾覆载荷，否则会产生动导轨和支撑导轨的分离。

② 闭式导轨：能够用于各种情况的配置。

（2）按导轨在机床中的作用分类

按导轨在机床中的作用分，可分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨，见表2-14。

表2-14　导轨按功能分

① 主运动导轨：指导轨引导的运动为机床主运动，相对运动速度高，如立式车床的花盘和底座导轨。由于机床用直线导轨仅引导直线运动，而在机床中，多数主运动均为旋转运动（刀具旋转或工件旋转），故此种导轨使用并不广泛。

② 进给运动导轨：是使用得最为广泛的一类导轨，与主运动导轨的定义类似，进给运动导轨引导的是机床进给运动。一般而言，该类导轨具有高精度，其截面形式、许用速度、载荷等情况则根据机床自身类型不同而存在差异。

③ 移置导轨：用来调整部件间的相对位置，在机床工作过程中并不运动。

（3）按导轨摩擦性质分类

按导轨摩擦性质分，可分为滑动导轨和滚动导轨。

① 滑动导轨：指两接触面间为滑动摩擦形式的导轨。在现实使用中，滑动导轨又可分为液体静压导轨、气体静压导轨、边界混合摩擦导轨、自润滑导轨等。其中前两种导轨结构最为复杂，成本很高且承载能力低，但是能够实现高速的运动和几乎为零的摩擦发热，在小型超高精密机床和精密测量仪器中广泛使用。自润滑导轨多采用自润滑塑料黏附在导轨表面，同样不能有大的负载。而边界混合摩擦导轨在滑动导轨中使用范围较广，但其力学性能和热学性能均很差，已渐渐被滚动导轨所取代。

② 滚动导轨：指通过在滑块动导轨中加入滚珠、滚柱或其他滚动体从而将滑动副滑动摩擦转换为滚动摩擦的一类导轨。相对于边界混合摩擦滑动导轨，滚动导轨成本较高，但使用性能好；相对于静压滑动导轨，滚动导轨结构简单、成本低，是目前数控机床最主要的导轨形式。

3.滑动导轨型面分类和组合

（1）滑动导轨型面分类

滑动导轨按摩擦类型分，可分为液体静压导轨（如图2-49所示）、气体静压导轨、边界混合摩擦导轨和自润滑导轨。这些导轨的特点和优劣适用范围等在上文中已经说明，此处不再赘言。下面主要讲述按导轨纵截型面区分的滑动导轨类型和各自的适用范围。

图2-49　静压导轨原理图(www.xing528.com)

1—油箱；2—滤油器；3—液压泵；4—溢流阀；5—精密滤油器；6—节流阀；7—运动件；8—承导件

按照型面分，滑动导轨可分为平导轨、V形导轨、燕尾形导轨和圆柱形导轨。图2-50为各类型面的导轨简图。

图2-50　各类型面导轨

① 平导轨：也称矩形导轨，如图2-50（a）所示，平导轨截面成矩形，接触面积大，承载能力强，但是不能自行补偿磨损，必须用镶条调整间隙，其导向精度不高，主要应用于大载荷机床且导向精度要求不高的场合。

② V形导轨：也称三角形导轨，如图2-50（b）所示。此类导轨导向精度高，磨损后能够自行补偿。按照V形导轨的开口方向分为凸形和凹形两种。凸形导轨有利于排屑，但冷却润滑困难，不适用于高速的情况；凹形导轨便于储存润滑脂，但是排屑困难，适用于各种运行速度场合，但要特别注重导轨防护。顶角选择以90°为参考值，当需要高导向精度时，可选用顶角小于90°的导轨；当需要采用重载导轨时，可选用顶角为110°～120°的导轨。

③ 燕尾形导轨：如图2-50（c）所示，该类导轨结构复杂，制造难度大，使用成本高，不能自行补偿磨损，采用镶条结构调整磨损间隙，导向精度较平导轨高，其特点在于结构紧凑，适用于要求高度小的部件，如车床刀架导轨。

④ 圆柱形导轨：如图2-50（d）所示，该类导轨制造简单，按照内孔包围范围是否超过圆柱导轨一半分为开式和闭式两种，超过一半为闭式导轨。与平导轨类似，在运行过程中圆柱形导轨不能自行补偿产生的磨损，需要停机调整磨损间隙，主要用于承受轴向载荷大的场合，如车床尾架。

（2）滑动导轨型面组合

上述类型滑动导轨按照使用要求可以单独使用，也可以采用不同型面的组合，以综合不同型面导轨的优势，最大限度地保证使用。

在选择导轨型面组合时，通常需要考虑工作中导轨所受的载荷状态、导轨需要达到的导向精度、导轨的制造工艺性以及导轨的冷却润滑性能。当前，工厂中普遍采用的导轨型面组合形式有：双V组合、双平组合、V-平组合和平-V-平组合四种。

① 双V组合：指两导轨均采用V形型面，这类组合导向精度高，且磨损后能够自动补偿间隙，抗磨损能力强，但其工艺性很差，结构复杂，制造成本高，常用于高精密机床，如图2-51（a）所示。

图2-51　导轨型面组合形式

② 双平组合：指两导轨采用矩形型面，这类组合导向精度低，且需要采用镶条结构矫正补偿间隙，但工艺性好，具有很大大承载能力，常用于普通机床和重载机床，如图2-51（b）所示。

③ V-平组合：综合了V形导轨和矩形导轨的优缺点，能够自动补偿间隙，工艺性较双V导轨好，导向精度比双平导轨要高很多，缺点在于两端导轨磨损不均，受热变形量大，常用于有一定精度要求和载荷量的机床，如图2-51（c）所示。

④ 平-V-平组合：主要用于重载机床，三导轨布置的目的在于减小工作台挠度变形，V形导轨主要起导向作用，平导轨主要起支撑作用，如图2-51（d）所示。

4.滚动直线

（1）滚动直线导轨分类

滚动直线导轨按照滚动体类型不同分为滚珠直线导轨、滚柱直线导轨等，其力学性能和运动性能的差异与滚珠轴承和滚珠轴承相类似。滚珠直线导轨是使用滚珠作为滚动体替代滑动面摩擦的一类滚动导轨，使用中滚珠与导轨面为点接触，承载能力差，但能够用于较高速度。滚柱直线导轨承载能力强，但冷却润滑较滚珠导轨困难，仅适用于低速运动。

在标准JB/T7175.2—2006中，将滚动导轨副按照截面滚道数量分为两滚道型和四滚道型，如图2-52（a）、（b）所示。

图2-52　两滚道型和四滚道型直线导轨副

① 两滚道型滚动直线导轨副：两滚道型滚动直线导轨副在本标准的之前版本中被称为轻载荷型滚动直线导轨副。顾名思义，该型滚动导轨适用于轻载的场合。

② 四滚道型滚动直线导轨副：四滚道型之前被称为四方向等载荷型导轨，该型导轨能够承受多方向的载荷。

上述标准具体规定了两滚道型滚动直线导轨副和四滚道型滚动直线导轨副的公称尺寸和轨道宽度参数。