直线滚动导轨的选型与承载寿命计算

摘要：数控机床导轨越来越多的选用直线滚动导轨，承载能力大、导向精度高、刚度高、耐磨性能好、调速范围宽，其内部承载元件及运动传递元件既有用滚珠的，也有用滚柱的滚动导轨块，本文对直线滚动导轨的选型与承载能力、寿命计算作了分析。

Abstract： Linear guide rails are increasingly used in CNC machine tool guides， with large bearing capacity， high guidance accuracy， high rigidity， good abrasion resistance and wide speed range. The internal load-bearing components and motion transmission components not only use ball and but also use the roller guide block of the roller. This paper analyzes the selection， bearing capacity and life calculation of the linear guide.

关键词：直线滚动导轨;规格型号选择;承载能力;寿命计算

Key words： linear rolling guide;selection of specifications;bearing capacity;life calculation

中图分类号：TG519.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）02-0199-03

1  直线滚动导轨结构及工作原理

数控机床导轨越来越多的选用直线滚动导轨，作为精密传动部件，承载能力大、导向精度高、刚度高、耐磨性能好、调速范围宽，滚动摩擦系数为0.002～0.003mm，避免了爬行现象，脂润滑。直线滚动导轨的承载元件及运动传递元件既有用滚珠的，也有用滚柱的滚动导轨块，滚动导轨块各项性能指标更高更优。直线滚动导轨结构上由滑块、导轨两大部分组成，两者能够相对运动，如图1所示，导轨上均布有一排螺钉安装孔，将导轨安装在固定基准面上，导轨长度根据机械传动的运动行程设计计算，最长4m/根，可裁可接。

滑块上表面是精磨加工过的装配面，用以安装执行机构负载，根据负载的类型、方向、大小、作用点、有无偏心等工况，可以选择一个、两个或三个滑块，每个滑块内部设计有两组或四组滚珠，滑块与导轨的相对运动就是通过滚珠的连续循环转动实现的。

直线滚动导轨的导向定位精度决定了执行机构的运动精度，导轨精度分为普通级、高级、精密级、超精密级、超高精密级共五级。直线滚动导轨有四个重要的平面：两个装配面及两个侧面定位基准面，都经过了精密的磨削加工，如图2所示，两个装配面指滑块上表面C面及导轨下表面A面，是滑块、导轨在高度方向的装配定位基准，分别用来安装工作台负载及固定导轨。两个侧面定位基准面D面、B面，是滑块、导轨在宽度方向的装配定位基准，作用是在装配及工作时找正导轨及负载。

2  直线滚动导轨的选用

直线滚动导轨的滑块、导轨内部都设计有圆弧滚道，滚珠在圆弧滚道内循环运行，传递运动及动力，运动阻力非常小，很小的推动力就可以驱动负载，实现稳定的高精度、高速直线运动。滑块、导轨的圆弧滚道能够承受来自水平、垂直、倾斜等不同方向的外载荷，施加一定的预紧力后零间隙，多个方向同时具有高刚度，以适应重型机械装备的需要。直线滚动导轨在工作时可以承受垂直于滑块安装面的径向载荷及反径向载荷，可以承受平行于滑块安装面的横向载荷，如图3所示，还可以承受来自三个不同方向的力矩载荷MA、MB、MC，如图4所示。力载荷、力矩载荷可以单一作用，也可以合成作用，导轨工作时力载荷、力矩载荷或合成载荷首先传递给滑块，滑块传递给滚珠，滚珠传递给导轨，导轨传递给基准安装面。

2.1 选择公称尺寸

直线滚动导轨的公称尺寸主要有15、20、25、30、35、45、55、65等多种规格，负载越大，导轨的公称尺寸就越大。首先按照滚珠丝杠公称直径的尺寸大小预选导轨公称尺寸，再根据工况条件（如行程、加速度、速度、负载质量等）计算预选导轨的额定寿命，如果导轨工作寿命低于导轨额定寿命，说明导轨选型合适，承载能力足够。

2.2 选择导轨长度

导轨长度是根据负载的运动行程来设计的，负载运动行程越大，导轨长度就越长，导轨长度计算如图5所示，Lo=N×F+2G，Lo-导轨长度，mm;F-螺钉孔中心距，mm;N-螺钉孔的数量;G-导轨两端距第一个螺钉孔的距离，mm。

2.3 选择滑块数量

使用直线滚动导轨时，有一根导轨上装配一个滑块（单滑块）、一根导轨上装配两个滑块（双滑块）、一根导轨上装配三个滑块（三滑块）的结构，如图6所示。

如果导轨在工作時主要承受径向载荷（工作台重量）及反径向载荷，当负载中心正好位于滑块中心时，负载简化为作用点位于滑块中心的集中力，此时应选用单滑块结构;当负载沿导轨长度方向的尺寸较短，只要导轨承载能力足够，可以采用单滑块结构。

如果工作台尺寸远大于滑块尺寸，负载沿导轨长度方向存在一定程度的偏心，滑块除了承受负载重力外，还将承受因为偏心结构而产生的MA方向的偏心力矩负载，力矩载荷传递到滚珠，部分滚珠将长期承受较大的局部载荷，造成滚珠的非正常磨损，降低滑块的使用寿命，降低导轨的工作寿命，此外负载加减速运动时的惯性力也会产生MA或MB方向的附加力矩载荷。此时导轨有必要增加负载支承点，采用双滑块结构，使偏心结构成为平衡结构，降低或消除偏心力矩载荷的影响，导轨承受MB方向附加力矩的能力也将得到提高;当径向载荷较大但结构空间（例如高度尺寸）不够时，为减小导轨公称尺寸可采用双滑块结构承载。

2.4 选择导轨数量

直线滚动导轨承载同一外载时，有单导轨、双导轨、三导轨之分，图7（a）为单导轨单滑块结构，图7（b）为双导轨单滑块结构，图7（c）为双导轨双滑块结构，图7（d）为三导轨双滑块结构。但数根导轨中只有一根是基准导轨，非基准导轨对基准导轨有平行度要求。

选择导轨数量要分析外载荷的类型、大小、方向、作用点及分布，当导轨安装在水平面上，负载在滑块宽度方向尺寸较小且没有偏心结构时，可以采用单导轨结构。

如果导轨安装在水平面上，负载在滑块宽度方向不对称有偏心，将会产生MC力矩载荷，MC力矩载荷会加重部分滚珠负荷，影响导轨工作寿命，单滑块承受MC力矩载荷的能力是有限的，一旦超过其承载能力就需要增加负载支承点，采用双导轨;当导轨安装在水平面上，负载在滑块宽度方向尺寸较大时，为保证机构运动处于稳定平衡状态，应选用双导轨。

如果负载重量非常大、负载工作台在滑块宽度方向尺寸又很大时，为保证机构运动处于稳定平衡状态，需要采用三导轨。

2.5 选择导轨安装方式

根据机器的传动性能及工作载荷的空间结构，导轨的安装方式有水平平面上安装、竖直平面上安装、倾斜平面上安装三种，大部分为水平平面上安装，一般是导轨固定、滑块运动，根据工况条件，也可以是滑块固定、导轨运动。

2.6 导轨预紧

导轨预紧有无预压、轻预压、中预压三个等级，预紧就是导轨出厂前对滚珠、滑块、导轨接触部施加内应力，消除滚珠与滑块圆弧滚道、导轨圆弧滚道之间的间隙，使滚珠与滑块圆弧滚道、导轨圆弧滚道接触部位预先产生弹性小变形量，导轨工作时承受的外载荷会被内应力吸收、缓冲，减少弹性变形，提高导轨刚度，提高导轨承载能力，这种结构称为负间隙结构。但过大的预紧力会使滚珠与滑块、导轨之间产生过大的应力，反而会缩短导轨的工作寿命，因此预紧力的大小要合理控制，原则上预紧力不应超过轴向载荷的1/3，导轨预紧力越大，导轨安装要求也越高。

3  直线滚动导轨承载寿命计算

某机床进给系统采用滚珠丝杠传动机构（滚珠丝杠副型号FFZD4008-5），选用双导轨双滑块直线滚动导轨，导轨初定上银公司的HG系列，因为滚珠丝杠公称尺寸为40mm，导轨公称尺寸可初定为45mm，根据上银公司技术资料，预选导轨额定静载荷C0=155930N，额定动载荷C=77570N。预选导轨的承载、受力如图8所示。

其中：轴向负载F=2274N;工作台重量W=4960N;工作台上工件重量W1=1960N;工作行程S=800mm;滑块每分钟往复运动次数n1=10次/min;导轨间距c=300mm，滑块间距f=800mm;轴向负载作用点高度l=500mm;工件重心位置尺寸：a=140mm，d=150mm;工作寿命24000小时;常温工作。

3.1 滑块1工作载荷计算

滑块编为滑块1、滑块2、滑块3、滑块4，每个滑块承受的实际工作载荷为P1、P2、P3、P4，参考各大制造商提供的滑块工作载荷计算公式及数据，得知最大工作载荷发生在滑块1上，滑块1的额定寿命就是导轨的额定寿命，只需要对滑块1进行额定寿命计算及校核。

滑块1承受的最大工作负荷P1=6669N。

3.2 静安全系数计算及校核

滑块1承受的最大工作负荷P1=6669N，静安全系数，查表可知静安全系数最小值fs=1～5，静安全系数计算值远远大于静安全系数最小值，预定导轨的静安全能力足够。

3.3 滑块额定寿命计算及校核

滑块额定寿命可以用滑块行走距离L1表示，可以用滑块工作时间Lh1表示。导轨为普通工况条件，载荷系数fw=1.5;根据滚珠、滑块与导轨圆弧滚道的硬度值，硬度系数fH=1;常温工作，温度系数fT=1;双导轨双滑块，接触系数fC=1。滑块1预期额定寿命，从计算结果可知，预定公称尺寸45mm导轨的额定寿命Lh1=24257.3小时，大于机器工作寿命24000小时，其承载能力及寿命足够。

3.4 选定导轨精度等级、预紧力等级

根据导轨的用途及工况条件，选用普通精度导轨，预紧力等级为轻预压。

综上，直线滚动导轨型号确定为“HGH45 C A 2 R 1200 ZA C Ⅱ”，上银公司HG系列导轨，四方型滑块，公称尺寸45mm，双导轨双滑块，导轨全长1200mm，ZA轻预压，导轨精度普通级C。

参考文献：

[1]龚仲华.现代数控机床设计典例[M].机械工业出版社，2014.

[2]李紹炎.自动机与自动线[M].清华大学出版社，2007-02.

[3]郑红.精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究[J].价值工程，2018（09）：101-102.