数控机床的导轨

导轨是数控机床的基本构件之一，主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。数控机床的加工精度和使用寿命在很大程度上取决于机床导轨的质量。

9.3.1 导轨概述

在导轨副中，不动的一方叫支承导轨，运动的一方叫运动导轨。运动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动和回转运动。表9-1是常用导轨的类型、特点及应用。

表9-1 常用导轨的类型、特点及应用

现代数控机床上使用的导轨依然是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨等类型，但在材料和结构上已经发生了质的变化，已不同于普通机床导轨。数控机床对导轨的要求是：

（1）良好的导向精度 运动部件沿导轨承导面运动时其运动轨迹的准确程度，包括运动部件的移动直线性和圆运动的真圆性。

（2）精度保持性好 要求导轨面和相关零件耐磨，能长期保持原始精度。

（3）运动灵敏度和定位精度 运动灵敏度是指运动构件能实现的最小行程；定位精度是指运动构件能按要求停止在指定位置的能力。

（4）运动平稳性 导轨在低速运动或微量移动时不出现爬行的性能。

（5）抗振性与稳定性 抗振性是指导轨副承受强迫振动和冲击的能力，而稳定性是指在给定的运转条件下不出现自激振动的性能。

（6）足够的刚度 导轨抵抗受力变形的能力，要求在承受负载的情况下仍能保持精度。

（7）结构工艺性 导轨副（包括导轨副所在构件）加工的难易程度，要求结构简单，工艺性好。

9.3.2 滚动导轨

滚动导轨是在导轨面之间放置滚动件，使导轨面之间是滚动摩擦而不是滑动摩擦，因此摩擦因数小（一般为0.002 5～0.005），而且动、静摩擦因数相差小，几乎不受运动速度变化的影响，定位精度和灵敏度高，磨损小，精度保持性好。但滚动导轨结构复杂，制造成本高，抗振性差。数控机床常用的滚动导轨有滚动导轨块和直线运动导轨两种。

9.3.2.1 滚珠导轨

滚珠导轨的结构紧凑、制造容易、成本较低。但由于接触面积小，刚度低，因而承载能力较小。滚珠导轨适用于运动部件重量不大，切削力和倾覆力矩都较小的机床。图9-21（a）所示是V-平组合的开式导轨。滚珠4用保持器3隔开，在淬硬的镶钢导轨中滚动。镶钢导轨1、2和5、6分别固定在工作台与床身上。图9-21（b）所示是V-V组合的闭式导轨，可用调整螺钉7调节导轨的间隙或进行预紧，调整完后用螺母8锁紧。因此刚度较高。

单元直线滚珠导轨副由一根长导轨和一个或几个滑块组成，外形如图9-22所示，主要有导轨体1、滑块7、承载球列4、保持器3、端盖6组成。导轨体固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨移动时，滚珠在轨道和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从负荷区移动到非负荷区，然后继续滚回到负荷区，不断的循环，从而把轨道和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端和下部均装有塑料密封垫。滑块上还有润滑油注油杯。这种滚动导轨将支承导轨和运动导轨组合在一起，作为独立的标准导轨副部件由专门生产厂家制造。用户使用、安装、维修都很方便。并且对机床固定导轨要求不严，只需精铣或精刨。

图9-21 滚珠导轨

1、2、5、6-镶钢导轨　 3-保持器　 4-滚珠　 7-调整螺钉　 8-螺母

图9-22 单元式直线滚珠导轨

1-导轨体　 2-侧面密封垫　 3-保持器　 4-承载球列　 5-端部密封垫　 6-端盖　 7-滑块　 8-润滑油杯

9.3.2.2 滚柱导轨

滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，它适用于载荷较大的机床，是应用最广泛的一种滚动导轨。但是滚柱比滚珠对导轨不平行度（扭曲）要求较高，即使滚柱轴线与导轨面有微小的不平行，也会引起滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。因此滚柱最好做成腰鼓形的，中间直径比两端大0.02mm左右。

图9-23（a）所示是V-平组合的开式滚柱导轨。它的结构简单，导轨面可以配制或配磨，制造较方便，应用较多。图9-25（b）所示是燕尾形滚柱导轨。它的尺寸紧凑，调节方便。但是这种导轨比燕尾形滑动导轨的制造工作量还大，装配时检查精度也不方便。燕尾形滚柱导轨适用于空间尺寸不大，又承受颠覆力矩的机床部件上。

图9-23 滚柱导轨

图9-24所示的滚柱导轨支承是一种独立的部件，它安装在运动部件的导轨面上，每一条导轨上至少用两块或更多块，滚柱导轨支承的数目与导轨的长度和负载的大小有关。与之相配的导轨多用镶钢淬火导轨。当运动部件移动时，滚柱3在支承部件的导轨面与本体6之间滚动，同时又绕本体6循环滚动，滚柱3与运动部件的导轨面不接触，因而该导轨面不需淬硬磨光。滚动导轨块的优点是刚度高，承载能力大，效率高，灵敏性好，润滑简单。

图9-24 滚柱导轨支承

1-防护板　 2-端盖　 3-滚柱　 4-导向片　 5-保持器　 6-本体

9.3.3 塑料滑动导轨

塑料导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的是铸铁或钢质导轨。数控机床上常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧耐磨涂层导轨两类。

9.3.3.1 聚四氟乙烯导轨软带

这种导轨软带材料是以聚四氟乙烯（PTFE）为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合制成，并做成软带状。聚四氟乙烯是现有材料中摩擦因数最小（0.04）的一种，但纯的聚四氟乙烯不耐磨，因此需要添加一些填充剂。聚四氟乙烯导轨软带的特点如下：

（1）摩擦特性好 因其摩擦因数小，且动、静摩擦因数差别很小，低速时能防止爬行，使运动平稳和获得高的定位精度。

（2）减振性好 塑料的阻尼特性好，其减振消音性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大意义。

（3）耐磨性好 塑料导轨有自润滑作用，材料中又含有青铜粉、二硫化钼和石墨等，对润滑油的供油量要求不高，无润滑油也能工作。

（4）化学稳定性好 塑料导轨耐低温，耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂，具有很好的化学稳定性。

（5）工艺性好 可降低对粘贴塑料的金属基体的硬度和表面质量的要求，且塑料易于加工，能获得优良的导轨表面质量。

由于聚四氟乙烯导轨软带具有这些优点，所以广泛应用于中、小型数控机床的运动导轨上。

导轨软带使用工艺很简单，不受导轨形式限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘贴。粘贴的工艺过程是，先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度Ra3.2～1.6，为了对软带起固定作用，将导轨粘贴面加工成0.5～1mm深的凹槽，如图9-25所示。然后用汽油或金属清洁剂或丙酮清洗粘贴面，将已经切割成形的导轨软带清洗后用胶粘剂粘贴。固化1～2h后，再合拢到固定导轨或专用夹具上，施加一定的压力，在室温下固化24h，取下清除余胶即可开油槽进行精加工。由于这类导轨采用粘接方法，习惯称为贴塑导轨。

图9-25 塑料滑动导轨

1-粘贴层厚度　 2-粘贴材料　 3-导轨

9.3.3.2 环氧耐磨涂层

环氧耐磨涂层是另一类已成功地用于金属-塑料导轨的材料。它是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂混合成膏状为一组，以固化剂为另一组的双组分塑料。这种涂料附着力强，具有良好的可加工性，可经车、铣、刨、钻、磨削和刮削加工。具有良好的摩擦特性和耐磨性，而且抗压强度比聚四氟乙烯导轨软带高，固化时体积不收缩，尺寸稳定。特别是可在调整好固定导轨和运动导轨问的相对位置精度后注入涂料，可节省许多加工时间，特别适用于重型机床和不能用导轨软带的复杂配合型面。

涂层工艺过程是，先将导轨涂层表面粗刨或粗铣成如图9-26所示的粗糙表面，以保证有良好的粘附力。再将与塑料导轨相配的金属导轨面用溶剂清洗后涂上一层硅油或专用脱膜剂，防止与耐磨涂层粘接。按配方加入固化剂，调好耐磨涂层材料，涂抹于导轨面，涂层厚度为1.5～2.5mm，最后叠合在金属导轨面上进行固化。叠合前可放置形成油槽、油腔的模板，固化24h后，即可将两导轨分离，涂层硬化3天后可进行下一步加工。由于这类涂层导轨采用涂注膏状塑料的方法，习惯上称为注塑导轨。

图9-26 注塑导轨

1-滑座　 2-胶条　 3-注塑

9.3.4 静压导轨

静压导轨将有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于液体摩擦状态。静压导轨的优点是，导轨几乎没有磨损，精度保持性好；摩擦因数极低，机械效率高；油膜厚度几乎不受速度的影响，导轨运动平稳，低速时不爬行，高速时不振动；油膜承载能力大、刚性高、吸振性好。静压导轨的缺点是，结构复杂，并需要备置一套专门的供油系统；油的清洁度要求也较高；调整比较麻烦。静压导轨大多用于大型和重型数控机床上。静压导轨可分为开式和闭式两大类。

（1）开式静压导轨 工作原理图如图9-27所示。来自液压泵的压力油压力为p0，经节流器压力降为p1，进入导轨的各个油腔内，借油腔内的压力将动导轨浮起，使导轨面间以一层厚度为h0的油膜隔开，油腔中的油不断穿过各油腔封油间隙流回油箱，压力降为零。当动导轨受外载F作用时，它向下产生一个位移，导轨间隙降为h，使油腔回油阻力增大，油腔中压力也相应增大，以平衡负载，使导轨始终在纯液体摩擦下工作。

图9-27 开式静压导轨原理图

1-液压泵　 2-溢流阀　 3-过滤器　 4-节流器　 5-运动导轨　 6-支承导轨

（2）闭式静压导轨 工作原理图如图9-28所示。闭式静压导轨在各方向导轨面上都开有油腔，所以，闭式导轨具有承受各方面载荷和颠覆力矩的能力。设油腔各处的压强分别为p1、p2、p3、p4、p5和p6。当受颠覆力矩为T时，p1和p6处间隙变小，则p1和p6增大；p3和p4处间隙变大，则p3和p4变小，可形成一个与颠覆力矩成反向的力矩，从而使导轨保持平衡。

图9-28 闭式静压导轨原理图

1-导轨　 2-节流器　 3、6-过滤器　 4-液压泵　 5-溢流阀