机体零件上导轨副的精密加工与检测

5.6　机体零件上导轨副的精密加工与检测

5.6.1　导轨副的精密加工方法

导轨副的精密加工有精刨、端面磨削、周边磨削和刮研等方法。

图5.18　在龙门刨床上磨削工件导轨

大型机床床身（如龙门刨床、龙门铣床）的导轨副，常采用在龙门刨床上使用宽刃精刨刀进行精加工，也可将龙门刨床的刀架进行改装，用碗形砂轮磨削，图5.18所示为用碗形砂轮磨削工件（龙门刨床工作台）导轨的方法。单件、小批或维修机床床身的导轨副，常采用碗形砂轮在导轨磨床上进行磨削。大批、大量生产车床和磨床时，可采用专用磨床，用宽成形砂轮磨削床身导轨。机床维修时，在缺乏精密加工设备时，常采用传统的刮研方法，对机床床身的导轨副进行精密加工。

5.6.2　导轨副的精刨加工

1）宽刃精刨刀

（1）高速钢宽刃精刨刀（图5.19）

图5.19　高速钢宽刃精刨刀

用来精刨平导轨面。刀片材料为W18Cr4V，经热处理后硬度可达62～65HRC。其主要特点是：刀片有四个刃口，当一个刃口磨损后，可换另一个刃口继续刨削。刀头的楔角β₀＝100°，前角γ₀＝－15°，后角α₀＝5°，刃倾角λ_S＝30′。该刀具切削平稳，不易扎刀，有很强的挤光作用。加工后的表面粗糙度值可达Ra0.8μm。

图5.20　正刃倾角宽刃精刨刀

粗刨时的切削用量为：切削速度V_C＝2～8m／min，修整切削时的切削深度a_p＝0.05～0.10mm；光整切削时的切削深度a_p＝0.01～0.05mm，用煤油作切削液。

（2）正刃倾角宽刃精刨刀（图5.20）

用来精刨V形导轨的两角度面。刀片材料为高速钢，刀片形状呈矩形，也有四个平直的刃口，可以交替使用。其刃倾角λ_S＝15°，是由刀杆头部扭转15°所形成的，刀杆头部还向后倾斜10°，使刀具的前角γ₀＝－10°。用这种精刨刀精刨时，切削力相对较小，加工平面的平面度误差较小，因有很强的挤光作用，加工后的表面粗糙度值也可达到Ra0.8μm。

精刨时的切削用量为：切削速度V_C＝2～5m／min，切削深度a_p＝0.03～0.05mm，也需有煤油作切削液。

2）精刨导轨面

（1）床身的装夹

精刨车床床身导轨面时的装夹方法如图5.21所示。将经精刨过底面的车床床身安放在龙门刨床工作台上，在工件前后的阶台处左、右各装搭两组压板，两侧各安装两组螺纹挡，前后各安装一组螺纹挡。

工件须按如图5.22所示的方法进行校正，在刀架上安装百分表，百分表的测头对准工件导轨的侧面，然后开动机床，校正工件导轨侧面与工作台行程方向是否平行。校正时可用螺纹挡调整工件，校正好以后，压紧前后各两组压板，将工件夹紧。

图5.21　车床床身在龙门刨床上的装夹方法

图5.22　用百分表校正工件

（2）安装对刀规

对刀规是完全按工件图样尺寸和精度要求预制的，使用对刀规可减少工件在加工时的检测时间并保证工件的加工质量。对刀规的安装如图5.23所示，安装在工件前端约200～300mm处，以保证在刨削时刨刀有足够的越程位置。刨削时，先移动工作台使精刨刀处于对刀规上方，用透光法进行对刀，透光如不均匀需转动刀架进行调整。半精刨后可用图5.24所示的方法检测精刨余量，用平行垫铁或直尺一端用手按在工件已半精刨的平导轨上，另一端在对刀规平导轨上方，用塞尺检测对刀规平导轨与平行垫铁间的间隙，此间隙即为精刨余量。精刨V形导轨时，余量的检测方法相同。

图5.23　安装对刀规

图5.24　检测导轨精刨余量的方法

（3）检测方法

精刨一组平导轨和V形导轨时，除了各自的尺寸精度要求外，还有相互位置的要求。检测时，需用校正规贴合在导轨上，先用塞尺检测各导轨面与校正规之间的配合间隙，一般间隙要求在0.05mm内。然后在刀架上安装百分表，如图5.25所示，横向移动刀架，用百分表检测校正规上测量面与横梁的平行度误差，一般要求全长误差在0.05mm内即为合格。

图5.25　导轨副精度的检测

5.6.3　导轨副的磨削加工

1）导轨磨削方式

导轨磨削的方式有三种：端面磨削、周边磨削和成形磨削，见图5.26。

图5.26　导轨磨削方式

（a）端面磨削　（b）周边磨削　（c）成形磨削

端面磨削（图5.26（a））是目前应用最普遍的一种方式，用碗形砂轮的端面对导轨面进行磨削，机床的磨头可回转，以磨削不同角度的导轨表面，通用性较好。端面磨削时因加注的切削液向四周飞溅不易进入磨削区域，一般均采用干磨。由于砂轮与工件接触面积大，发热量多，为防止导轨面烧伤和减少热变形，磨削用量需适当减少，而且在磨削过程中需停一段时间，待工件冷却后再继续磨削，这严重地影响了磨削的效率。为了使工件加快冷却，常采用在导轨表面加酒精，并用风扇吹干酒精的方法，使酒精蒸发而带走大量热，以加速导轨表面的冷却。

周边磨削（图5.26（b））是用砂轮的圆周表面对导轨面进行磨削，由于它不仅发热少而且易于冷却润滑，因而可采用较大的磨削用量，提高了生产率。此外湿磨能消除磨尘的污染与危害，改善了劳动条件。

成形磨削（图5.26（c））是将多片砂轮组合起来或将宽砂轮修整为成形表面的砂轮，同时磨削导轨几个表面的一种高生产率方法。成形磨削主要用于批量较大的生产，要求机床有较高的精度和刚度。

由于用砂轮端面磨削时，砂轮需倾斜一定的角度，故磨削后的导轨表面中间较低两侧稍高，平面度较周边磨削差，导轨副的接触面积也较低，表面粗糙度也较粗。

2）导轨磨削的步骤和方法（以端面磨削磨床床身导轨为例）

（1）工件的安装和调整

由于工件很重，端面磨削时砂轮对工件的磨削力很小，故工件安放在导轨磨床的工作台上，只需用垫铁支承，不必用压板压紧。为了尽可能地减少导轨表面的磨削量，需用水平仪和测量桥板，逐段测量导轨的水平位置，边测量边调整垫铁，直至水平仪水准器的读数在纵向和横向上均在三格内，见图5.27。

图5.27　工件的安装和调整

（2）砂轮的选择和修整

一般应选用粒度较粗、硬度较软的白刚玉（如WA36H～J）的陶瓷碗形砂轮进行磨削。为了减少接触面，改善散热条件，通常粗磨时将砂轮端面修整成0.5～1mm的窄边形，并相对工件表面倾斜3°～5°；精磨时修整成1～2mm的窄边形，倾斜角为1°。

（3）磨削V形导轨面

图5.28　磨削V形导轨面

将磨头架扳转45°，磨削右侧V形导轨面，再反向扳转90°，磨削左侧V形导轨面，如图5.28所示。粗磨时，磨削深度为0.01mm左右，磨头行程速度取6～8m／min；精磨时，磨削深度为0.005mm，磨头行程速度取1～2m／min。粗磨后留精磨余量为0.10mm左右。

（4）测量V形导轨的半角误差Δα／2

图5.29所示为用半角仪测量V形导轨半角误差的方法，测量时将半角仪座体的45°斜面紧贴在被测导轨的一个斜面上，半角误差由水平仪读出。图5.29（b）、（c）所示为测量左、右边半角误差时半角仪的接触位置，半角仪的摆动块自动调整与另一导轨面接触，要求测量控制水平仪气泡偏移量在两格内。当半角误差较大时，则要调整磨头的转角，继续磨削V形导轨至精度要求。

图5.29　用半角仪测量V形导轨半角误差

（a）半角仪的测量方法　（b）测量左边半角　（c）测量右边半角

（5）磨削平导轨面

如图5.30所示，将磨头扳转至零度位置，粗、精磨平导轨至精度要求。

图5.30　磨削平导轨面

（6）测量平导轨的角度误差

图5.31　测量平导轨的角度误差

图5.31所示为用平导轨角度测量仪测量角度误差的方法，要求水平仪气泡的偏移量在两格内。测量时，应注意水平仪不可受到碰撞或振动，应清除水平仪和工件表面上的毛刺和污物。当导轨的角度误差较大时，则要调整磨头的转角，继续磨削平导轨面至精度要求。

（7）测量V－平导轨的等高性误差

图5.32所示为用等高量仪测量V－平导轨等高性误差的方法，测量时将水平仪横放在量仪上，要求水平仪气泡的偏移在两格内。当平导轨高于V形导轨时，则应继续修磨平导轨面至精度要求。

图5.32　测量V－平导轨的等高性误差

5.6.4　导轨精度的检测

导轨的精度包括导轨在垂直平面内和水平平面内的直线度误差及导轨间的平行度误差三项。导轨在垂直平面内的直线度误差可用水平仪或光学平直仪测量，导轨在水平平面内的直线度误差只能用光学平直仪测量，导轨间的平行度误差则需用水平仪和专用测量桥板进行测量。

1）用水平仪测量导轨的直线度

常用的水平仪读数精度为0.02mm／1000mm，即相当于4″。测量时，先用水平仪测量床身导轨两端位置，尽量调整床身垫铁，使两端水平仪读数为“零”或相差1～2格。再用粉笔在导轨侧面按长度分段作出标记，如图5.33所示，将长为1600mm的导轨按200mm分成8段，依次用0.02mm／1000mm刻度值的水平仪测得8组读数为：＋1、＋1、＋2、0、－1、－1、0、－0.5。

图5.33　用水平仪测量导轨的直线度

根据测得的8组读数作出误差曲线图，如图5.34所示，图中纵坐标方向表示水平仪气泡移动的格数，横坐标方向表示水平仪每段测量的长度。将测量后每组读数按坐标值画出，连接后可得图中所示的导轨直线度误差曲线，再作该曲线的包容线Ⅰ－Ⅰ和Ⅱ－Ⅱ。这两根线是夹住误差曲线距离最小的平行线，两平行线之间的纵坐标距离，即为导轨全长直线度误差的格数（图5.34中为3.5格）。根据水平仪的刻度值（0.02mm／1000mm）和每次测量的长度（200mm），可知纵坐标每格表示水平仪两端高度差为0.004mm，则该导轨全长直线度误差即为3.5×0.004mm＝0.014mm。如果分别作出0～1000mm；200～1200mm；400～1400mm；600～1600mm长度内误差曲线的包容线，则可算出导轨每米长度内的误差值。图中还反映出导轨呈中凸状态，在600～800mm长度处凸起值最大。

图5.34　用作图法求导轨的直线度误差

2）用光学平直仪测量导轨的直线度

（1）光学平直仪的结构

如图5.35所示，光学平直仪由仪器本体和反射镜组成。由仪器本体投出的十字像，经反射镜反射后又投入仪器本体，当反射镜倾斜时，经其反射的十字像产生偏移，其偏移量可由测微机构读出，测微机构每格读数为0.001mm／200mm。

图5.35　光学平直仪的结构1—反射镜　2—仪器本体　3—测微机构　4—紧定螺钉

图5.36　光学平直仪的调整（a）测量导轨垂直平面内直线度误差（b）测量导轨水平平面内直线度误差

在测量导轨垂直平面内的直线度误差时，读数目镜即按图5.36（a）所示位置调整；当测量导轨水平平面内的直线度误差时，读数目镜应按图5.36（b）所示位置调整。调整时，应先松开目镜后端紧定螺钉，将测微机构连同目镜转过90°后，再拧紧紧定螺钉。

（2）光学平直仪的测量方法

图5.37所示为用光学平直仪测量V形导轨的方法。将反射镜放在导轨一端与导轨配刮的V形垫铁上，在导轨另一端落地放置一个升降可调支架，光学平直仪本体就安放在可调支架的平台上，移动反射镜垫铁，先接近光学平直仪，调整反射镜，同时观察目镜，直至反射回来的亮十字像位于视场中心为止，见图5.38。然后再将反射镜垫铁移至导轨另一端，再观察十字像是否还在目镜视场中，否则需重新调整光学平直仪和反射镜位置，直至达到上述要求。调整后将反射镜用胶带固定在垫铁上，进行分段测量，测量时，观察目镜并调节微调手轮，使基准黑线调节在亮十字像中间，逐段记录下手轮计数。通常向前和向后测量两次，以两次读数的平均值作为正式读数。

图5.37　用光学平直仪测量V形导轨的方法

图5.38　在目镜中呈现的十字像

（3）误差计算方法

图5.39所示为用光学平直仪测量全长为2m的V形导轨，反射镜垫铁的长度为200mm。将各段两次测量结果按微调手轮刻度值分别记录后填入表5.6中，计算出各段平均值，减去中间数35将读数简化，再求出代数平均值，并将各段简化值减去平均值，最后将各点前后叠加后得出一系列数值，取其中一项绝对值最大的，即为该导轨全长直线度误差（21μm）。数值若为正值，则导轨为中凸；若为负值，则导轨为中凹。各点叠加时最后一项数值必定为零，可以校验运算是否正确。

图5.39　用光学平直仪测量V形导轨

表5.6　导轨直线度误差的计算μm

3）用桥板和水平仪检查导轨间的平行度误差

两条导轨间的平行度误差，一般称为导轨的扭曲。用桥板和水平仪进行测量，方法简便，测量精度高，在装配和修理中经常采用。图5.40为用桥板和水平仪测量的方法。桥板一端可调节，将水平仪先调整到水泡在中间位置，然后分段测量。测量短导轨时每隔250mm、长导轨时每隔500mm记录一次水平仪读数。水平仪在每1m行程上和全部行程上读数的最大代数差，即为导轨平行度的误差。

图5.40　用桥板和水平仪检查导轨间的平行度误差

例如，有一床身导轨全长2m，其平行度允差：在1m长度内为0.02mm／1000mm；在全长内为0.03mm／1000mm。现用0.02mm／1000mm刻度值的水平仪测量，检验桥板每隔250mm移动一次，测得8个读数，分别填入表5.7中，在表中可看出，该导轨1m长度内的最大平行度误差在3～6位置处，其误差为0.01／1000－（－0.01／1000）＝0.02mm／1000mm，在允差范围内。导轨全长内的误差为0.015／1000－（－0.015／1000）＝0.03mm／1000mm，也在允差范围内，故此床身两导轨的平行度符合要求，精度合格。

表5.7　导轨的平行度误差

桥板的形式应根据导轨的形状和宽度而定，桥板与导轨面的接触面要小，才能有较高的灵敏度。图5.41为几种不同形式的桥板。

图5.41　桥板的形式