浅谈机床滑动导轨的设计

桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林，541004

摘 要：文章从研究滑动导轨的摩擦性质出发，通过对滑动导轨的贴塑材料和导轨结构特性的分析，简要介绍提高滑动导轨的摩擦性能及使用寿命的设计方法。

关键词：贴塑；滑动导轨；结构

引言

导轨是机床不可缺少的部件，是在机床上用来支撑和引导部件沿着一定的轨迹准确运动或起夹紧定位作用的轨道。两导轨面间的摩擦性质是滑动摩擦的，称为滑动导轨，是机床常用的导轨类型之一。它具有结构较简单，制造较容易，承载能力大，抗震性强等优点。其缺点是磨损快，精度保持性差；摩擦阻力大，运动灵活性较差；动、静摩擦系数差值大，重载或低速移动时易产生“爬行”，高速运动时容易发热等。为提高滑动导轨的摩擦性能及使用寿命，在普通的滑动导轨移动件表面贴上一层塑料软带，这种类型的导轨称为贴塑滑动导轨。

1滑动导轨贴塑材料

滑动导轨常用的贴塑材料有聚四氟乙烯软带和环氧型耐磨树脂涂层两类。

1.1聚四氟乙烯导轨软带

聚四氟乙烯导轨软带是以聚四氟乙烯为基体，加入二硫化铝、青铜粉和石墨等填充剂混合烧结而成，具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等。该种软带可在原有滑动导轨面上用粘接剂粘结，加压固化后进行精加工。为磨损均匀，工艺简单，软带应粘接在导轨副的运动件轨面上；回转型导轨应粘接在承导件的轨面上。

1.2环氧型耐磨树脂涂料

环氧型耐磨树脂涂料是以环氧树脂为基体，加入胶体石墨、二硫化铝和铁粉等混合而成，再加以固化剂调匀，注入或涂刮导轨面，因此，也称为“涂塑导轨”或“注塑导轨”。涂塑导轨具有良好的摩擦特性和耐磨性，它与铸铁搭配的导轨副摩擦系数较低，在无润滑油的情况下仍有较好润滑和防止爬行的效果。其抗压强度比导轨软带要高，尺寸稳定，因而可使用在大型、重型数控机床上。

2滑动导轨结构形式

机床滑动导轨设计时，常用的导轨结构有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨三种。

2.1三角形滑动导轨

如图1所示，导轨由凸三角形（山形）动轨与凹三角形（V形）静轨组成滑动导轨副，导轨斜面同时起着支承和导向作用。三角形顶角一般为90°，对于承受载荷较大的重型机床，顶角一般取110°～120°但顶角越大，导向精度就越差。三角形结构的滑动导轨，能使压强均匀分布在滑动面上，所以，导轨的磨损是均匀的，并且，磨损后能自动补偿垂直方向和水平方向的间隙，精度保持性较好。三角形导轨具有良好的导向性、贴合性和精度自检性，是精密机床的理想导轨结构，但它要求导轨面接触均匀，磨削和刮研难度较大。

2.2矩形滑动导轨

矩形导轨也称为平轨，导轨顶部平面和侧面起同时导向作用，保证运动部件（工作台或刀架）在垂直面及水平面内的直线移动精度；导轨顶部平面同时又是载荷的主要支承面；加裝的下压板则是为了防止运动部件的抬起，如图2所示。矩形导轨承载能力和刚度较大，结构简单，制造、检验、维护较容易。但磨损后不能自动补偿间隙，所以需要进一步设置间隙调整装置。

2.3燕尾形滑动导轨

如图3所示，导轨中的两对称斜面起导向和压板作用，当承受颠覆力矩时，斜面为主要工作面；水平导轨面起支承作用，当承受垂直载荷时，以水平导轨面为主要工作面。它们之间的夹角通常设计为55°。燕尾形导轨结构紧凑，一般用在高度小而层次多的运动部件上，如车床和刨床的刀架等。燕尾形导轨磨损后不能自动补偿间隙，需要镶条等部件进行间隙调整。

根据各导轨结构的优缺点，综合考虑制造成本，也可以将各结构相互组合使用，如：三角形—矩形、燕尾形—矩形。

2.4导轨的间隙调整

导轨副的运动件与承导件之间应保持适当的间隙，间隙过小会增大摩擦，运动不灵活；间隙过大，则导向精度降低，机床刚性下降。适当的导轨间隙，可通过研磨、研刮相应的结合面或加垫片的方法获得；也可以采用镶条调整的方法，有直镶条和斜镶条两种，结构如图2、图3所示。

3滑动导轨的材料

贴塑层常用在导轨副的动轨上，与其相配的金属导轨有铸铁和镶装两种，铸铁主要是灰铸铁和耐磨铸铁，牌号有HT300、HT3054、MTCulPTi-150等，表面淬火硬度一般为45～55HRC，精加工后淬火层保留1～1.5mm厚；镶钢导轨的材料有55、T10A、GCr15、38CrMoAl等，一般采用中频淬火或渗氮淬火方式，淬火硬度为58～62HRC，渗氮层厚度为0.5mm。

镶装导轨通常使用淬硬钢块或高硬度钢带进行镶装，也可使用有色金属板材，主要有锡青铜ZQSn6-6-3和铝青铜ZQAl9-4，它们多用在重型精密机床的动导轨上，可以防止导轨副的静、动导轨相互擦伤。

5滑动导轨的刚度计算

导轨的支承面积，应与载荷相适应。面积小而载荷过大，则导轨表面接触变形大，不仅影响导轨精度，还会破坏导轨面上的润滑油膜，使导轨加剧磨损。所以，导轨设计时务必使其接触变形在合理范围。对于接触面积不超过100～150的钢和铸铁的接触，其接触变形（μm）为：

式中：p—接触面间的平均压力（N/）

c—系数，对于精刮导轨面和磨削导轨面，取值1.47～1.94；研磨表面取值0.69。

6结语

随着科学技术的进步，精密滚动导轨和静压导轨已在机床上得到一定的应用，但由于它们结构复杂，制造困难，成本较高等缺点，目前，还不能完全取代滑动导轨。滑动导轨结构简单，制造容易，承载能力大，抗震性强。通过增加摩擦面的贴塑或涂层，以及更为合理的结构设计，滑动导轨将能获得更好的摩擦性能和更长的使用寿命。

参考文献：

[1]濮良贵.机械设计[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：

陈明亮/男/1986年生/广西桂林人/本科/研究方向为机床与自动控制技术