機(jī)床設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)形式是多種多樣的。人們不禁要問，哪一種導(dǎo)軌是最佳的。本文闡述的是各種導(dǎo)軌的比較和分析其不同的原因。
機(jī)床控制元件的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的精密加工，這是手動(dòng)工具和機(jī)床的主要區(qū)別，下面討論的是機(jī)床的控制元件之一——導(dǎo)軌系統(tǒng)。
機(jī)床制造者最關(guān)心的莫過于機(jī)床的精度，剛性和使用壽命。對(duì)導(dǎo)軌系統(tǒng)的研究途徑是很不夠的，至少在機(jī)床制造技術(shù)方面沒有把它放在重要的位置上，在機(jī)床樣本，宣傳廣告上，最具有吸引力的技術(shù)參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、換刀時(shí)間和快速進(jìn)給速度。當(dāng)然，這些參數(shù)對(duì)機(jī)床的性能是很重要的。但導(dǎo)軌為機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)奠定了可靠的基礎(chǔ)。
各種類型的機(jī)床工作部件，都是利用控制軸在指定的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，機(jī)床設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)床的類型和用途選用各種不同形式的導(dǎo)軌系統(tǒng)，用得較為廣泛的有下列三種；即平面導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和循環(huán)滾柱與平面導(dǎo)軌的組合所構(gòu)成的滾動(dòng)體導(dǎo)軌。當(dāng)然系統(tǒng)遠(yuǎn)不止上述三種形式，還有其它形式的導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌的功能
盡管導(dǎo)軌系統(tǒng)的形式是多種多樣的，但工作性質(zhì)都是相同的，機(jī)床工作部件在指定導(dǎo)軌系統(tǒng)上移動(dòng)，尤如火車沿著鐵軌在指定的方向上行駛。無論是機(jī)床導(dǎo)軌還是鐵路上的鐵軌，都是體現(xiàn)如下三種基本功能：
(1)為承載體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向
(2)為承載體提供光滑的運(yùn)動(dòng)表面
(3)把火車的運(yùn)動(dòng)或機(jī)床的切削所產(chǎn)生的力傳到地基或床身上，減少由此產(chǎn)生的沖擊對(duì)乘客和被動(dòng)加工零件的影響。
沿導(dǎo)軌系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)為直線運(yùn)動(dòng)，也有少數(shù)為弧線運(yùn)動(dòng)。本文討論的重點(diǎn)是直線導(dǎo)軌系統(tǒng)。當(dāng)然，直線導(dǎo)軌的很多技術(shù)可以直接應(yīng)用弧形導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌為什么被稱為“系統(tǒng)”呢？這是因?yàn)閷?dǎo)軌系統(tǒng)的工作包含著若干元件的同時(shí)工作，最基本的元件為一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件和一個(gè)固定元件。運(yùn)動(dòng)元件的形式有多種多樣，以后將予以詳細(xì)介紹，固定元件一般為道軌式，它是導(dǎo)軌精度的保證，如果導(dǎo)軌彎曲變形，運(yùn)動(dòng)元件或滑動(dòng)元件便失去精確的導(dǎo)向。
機(jī)床制造廠都在盡最大的努力，確保導(dǎo)軌安裝的精確性。導(dǎo)軌被加工前。導(dǎo)軌和工作部件都已經(jīng)過時(shí)效處理。以消除內(nèi)應(yīng)力。為了保證導(dǎo)軌的精度和延長(zhǎng)使用壽命，刮研是一種常用的工藝方法。
鑲鋼導(dǎo)軌
機(jī)床上最常用的導(dǎo)軌形式是鑲鋼導(dǎo)軌，它的使用已有很長(zhǎng)的歷史。鑲鋼導(dǎo)軌是導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定元件，其截面為矩形。它可水平裝在機(jī)床的床身上，也可以與床身鑄成一體，分別被稱為鑲鋼式或整體式。鑲鋼式導(dǎo)軌是由鋼制成的，經(jīng)淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把鑲鋼導(dǎo)軌用螺釘或粘結(jié)劑（環(huán)氧樹脂）貼在機(jī)床床身或經(jīng)刮研的立柱配合表面上，確保導(dǎo)軌獲得最佳的平面度。這種形式，維修更換方便、簡(jiǎn)單，很受維修工人的歡迎。
整體導(dǎo)軌或鑄造導(dǎo)軌，即鋼導(dǎo)軌與底座鑄成一體，加工后再經(jīng)精磨到要求的尺寸和光潔度。導(dǎo)軌必須經(jīng)過火焰淬火提高表面硬度，以提高導(dǎo)軌的耐磨性。床身一般為球墨鑄鐵，當(dāng)然球墨鑄鐵的硬度比不上鋼，整體導(dǎo)軌可以重新修理和淬硬，但更換它幾乎是不可能的。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，機(jī)床制造者過去的通常做法是：鋼導(dǎo)軌的邊緣設(shè)計(jì)有鉤形的“耳朵”，在澆鑄底座前，把鋼導(dǎo)軌置于底座的鑄模內(nèi)，再把鐵水澆入鑄模內(nèi)，這樣便把鋼導(dǎo)軌與底座鑄成一體。
滑動(dòng)導(dǎo)軌
傳統(tǒng)導(dǎo)軌的發(fā)展，首先表現(xiàn)在滑動(dòng)元件和導(dǎo)軌形式上，滑動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是導(dǎo)軌和滑動(dòng)件之間使用了介質(zhì)，形式的不同在于選擇不同的介質(zhì)。
液壓被廣泛用于許多導(dǎo)軌系統(tǒng)。靜壓導(dǎo)軌是其中的一種，液壓油在壓力作用下，進(jìn)入滑動(dòng)元件的溝槽，在導(dǎo)軌和滑動(dòng)元件之間形成油膜，把導(dǎo)軌和移動(dòng)元件隔開，這樣大大減少移動(dòng)元件的摩擦力。靜壓導(dǎo)軌對(duì)大負(fù)荷是極其有效的，對(duì)偏心負(fù)荷有補(bǔ)償作用。例如：一個(gè)大型的砂型箱在加工時(shí)，正好走到機(jī)床行程的末端，負(fù)載導(dǎo)軌能夠增大油壓，使導(dǎo)軌準(zhǔn)確地保持著水平負(fù)載的狀態(tài)。有的臥式鏜銑床使用這種技術(shù)補(bǔ)償深孔加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的下降。
利用油作為介質(zhì)的另一種導(dǎo)軌形式是動(dòng)壓導(dǎo)軌，動(dòng)壓導(dǎo)軌與靜壓導(dǎo)軌的不同點(diǎn)是：油不是在壓力下起作用的，它利用油的粘度來避免移動(dòng)元件和導(dǎo)軌之間的直接接觸，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省液壓油泵。
圖1
空氣也可以用于移動(dòng)元件和導(dǎo)軌之間的介質(zhì)，它也有兩種形式，氣動(dòng)靜壓導(dǎo)軌和氣動(dòng)動(dòng)壓導(dǎo)軌，工作原理與液壓導(dǎo)軌相同。
使用比較普通的抗摩擦導(dǎo)軌，它是在移動(dòng)元件上安裝一種抗摩擦材料(如聚氯乙烯或青銅混合材料等)，以替代液體介質(zhì)，如油或空氣。其作用與液體介質(zhì)相似，安裝在移動(dòng)元件上的抗摩擦材料應(yīng)設(shè)計(jì)有油槽，滿足移動(dòng)元件和導(dǎo)軌表面之間油潤(rùn)滑或其它形式潤(rùn)滑的需要。
眾所周知，平面導(dǎo)軌和移動(dòng)元件之間的接觸面積比較大，移動(dòng)元件要作快速微量進(jìn)給．需要克服移動(dòng)元件的慣量，因此將會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。當(dāng)滾珠絲杠或其它驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)移動(dòng)元件移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)輕微粘附阻力，移動(dòng)元件開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于移動(dòng)元件處于被抓住的狀態(tài)，出現(xiàn)了輕微的跳動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生爬行，這種現(xiàn)象對(duì)于大的移動(dòng)影響不大，而對(duì)于微量移動(dòng)，就成為一個(gè)問題。
可調(diào)性是平面導(dǎo)軌特有的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)導(dǎo)軌的使用情況，平面導(dǎo)軌系統(tǒng)至少有一個(gè)或一個(gè)以上的可調(diào)邊。由于移動(dòng)元件沿著直線導(dǎo)軌的側(cè)邊移動(dòng)，保證移動(dòng)元件與導(dǎo)軌側(cè)面緊密接觸是極為重要的。普遍使用調(diào)整的方法是斜鐵，斜鐵位于移動(dòng)元件和導(dǎo)軌接觸面相對(duì)的側(cè)面之間。形狀為錐形條塊角鐵，可以精確地調(diào)整，以消除移動(dòng)部件和導(dǎo)軌之間的間隙。如果滑動(dòng)部件或?qū)к壞p，接觸表面之間的間隙加大，可調(diào)整斜鐵進(jìn)行補(bǔ)償。
機(jī)床制造廠已發(fā)明了斜鐵自動(dòng)調(diào)整的專利技術(shù)，它的基本原理是使斜鐵保持固定的彈簧壓力，一旦導(dǎo)軌系統(tǒng)被磨損，斜鐵能自動(dòng)地消除移動(dòng)部件與導(dǎo)軌之間的間隙。
圖2
直線導(dǎo)軌
新的導(dǎo)軌系統(tǒng)使機(jī)床可獲得快速進(jìn)給速度，在主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，快速進(jìn)給是直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)。直線導(dǎo)軌與平面導(dǎo)軌一樣，有兩個(gè)基本元件；一個(gè)作為導(dǎo)向的為固定元件，另一個(gè)是移動(dòng)元件。由于直線導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)部件，對(duì)機(jī)床制造廠來說．唯一要做的只是加工一個(gè)安裝導(dǎo)軌的平面和校調(diào)導(dǎo)軌的平行度。當(dāng)然，為了保證機(jī)床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多數(shù)情況下，安裝是比較簡(jiǎn)單的。
作為導(dǎo)向的導(dǎo)軌為淬硬鋼，經(jīng)精磨后置于安裝平面上。與平面導(dǎo)軌比較，直線導(dǎo)軌橫截面的幾何形狀，比平面導(dǎo)軌復(fù)雜，復(fù)雜的原因是因?yàn)閷?dǎo)軌上需要加工出溝槽，以利于滑動(dòng)元件的移動(dòng)，溝槽的形狀和數(shù)量，取決于機(jī)床要完成的功能。例如：一個(gè)既承受直線作用力，又承受顛覆力矩的導(dǎo)軌系統(tǒng)，與僅承受直線作用力的導(dǎo)軌相比．設(shè)計(jì)上有很大的不同。
直線導(dǎo)軌的移動(dòng)元件和固定元件之間不用中間介質(zhì)，而用滾動(dòng)鋼球。因?yàn)闈L動(dòng)鋼球適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿足運(yùn)動(dòng)部件的工作要求，如機(jī)床的刀架，拖板等。直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定元件(導(dǎo)軌)的基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為“v”字形。支架包裹著導(dǎo)軌的頂部和兩側(cè)面。為了支撐機(jī)床的工作部件，一套直線導(dǎo)軌至少有四個(gè)支架。用于支撐大型的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個(gè)。
機(jī)床的工作部件移動(dòng)時(shí)，鋼球就在支架溝槽中循環(huán)流動(dòng)，把支架的磨損量分?jǐn)偟礁鱾€(gè)鋼球上，從而延長(zhǎng)直線導(dǎo)軌的使用壽命。為了消除支架與導(dǎo)軌之間的間隙，預(yù)加負(fù)載能提高導(dǎo)軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，預(yù)加負(fù)荷的獲得．是在導(dǎo)軌和支架之間安裝超尺寸的鋼球。鋼球直徑公差為±20微米，以0.5微米為增量，將鋼球篩選分類，分別裝到導(dǎo)軌上，預(yù)加負(fù)載的大小，取決于作用在鋼球上的作用力。如果作用在鋼球上的作用力太大，鋼球經(jīng)受預(yù)加負(fù)荷時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致支架運(yùn)動(dòng)阻力增大。這里就有一個(gè)平衡作用問題；為了提高系統(tǒng)的靈敏度，減少運(yùn)動(dòng)阻力，相應(yīng)地要減少預(yù)加負(fù)荷，而為了提高運(yùn)動(dòng)精度和精度的保持性，要求有足夠的預(yù)加負(fù)數(shù)，這是矛盾的兩方面。
工作時(shí)間過長(zhǎng)，鋼球開始磨損，作用在鋼球上的預(yù)加負(fù)載開始減弱，導(dǎo)致機(jī)床工作部件運(yùn)動(dòng)精度的降低。如果要保持初始精度，必須更換導(dǎo)軌支架，甚至更換導(dǎo)軌。如果導(dǎo)軌系統(tǒng)已有預(yù)加負(fù)載作用。系統(tǒng)精度已喪失，唯一的方法是更換滾動(dòng)元件。
導(dǎo)軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，力求固定元件和移動(dòng)元件之間有最大的接觸面積，這不但能提高系統(tǒng)的承載能力，而且系統(tǒng)能承受間歇切削或重力切削產(chǎn)生的沖擊力，把作用力廣泛擴(kuò)散，擴(kuò)大承受力的面積。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，導(dǎo)軌系統(tǒng)的溝槽形狀有多種多樣，具有代表性的有兩種，一種稱為哥待式(尖拱式)，形狀是半園的延伸，接觸點(diǎn)為頂點(diǎn)；另一種為園弧形，同樣能起相同的作用。無論哪一種結(jié)構(gòu)形式，目的只有一個(gè)，力求更多的滾動(dòng)鋼球半徑與導(dǎo)軌接觸(固定元件)。決定系統(tǒng)性能特點(diǎn)的因素是：滾動(dòng)元件怎樣與導(dǎo)軌接觸，這是問題的關(guān)鍵。
圖3
直線滾柱導(dǎo)軌
直線滾柱導(dǎo)軌系統(tǒng)是平面導(dǎo)軌與直線滾柱導(dǎo)軌的組合，用滾柱安裝在平行導(dǎo)軌上，用滾柱代鋼球承載機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件。優(yōu)點(diǎn)是接觸面積大、承載負(fù)荷大、靈敏度高。從床身尾部看，支架與滾柱置于平面導(dǎo)軌的頂面和側(cè)面，為了獲得高精度，在機(jī)床工作部件和支架內(nèi)面之間，設(shè)置一塊楔板，使預(yù)加負(fù)載作用于支架的側(cè)面。楔板的工作原理與斜鐵相似，工作部件的重量作用于支架的頂面。由于作用在導(dǎo)軌系統(tǒng)上的預(yù)加負(fù)荷是可調(diào)的，為此楔板的損失得到補(bǔ)償，這一特點(diǎn)被廣泛用于中型或大型機(jī)床上，因?yàn)樗鼘?duì)CNC指令反應(yīng)靈敏，承受負(fù)荷大，直線滾柱導(dǎo)軌系統(tǒng)比傳統(tǒng)的平面導(dǎo)機(jī)能經(jīng)受高速運(yùn)轉(zhuǎn)，改善機(jī)床的性能。
其它形式的導(dǎo)軌
機(jī)床上常用的另一種導(dǎo)軌形式是燕尾槽導(dǎo)軌，一般用于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的定位。例如：車削中心的尾架，導(dǎo)軌系統(tǒng)可以使尾架在上面移動(dòng)或者移到要求的位置去支承被加工零件，然后迅速夾緊。機(jī)床很多附件，如定位工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或旋轉(zhuǎn)軸等，也采用燕尾槽導(dǎo)軌作為定位元件。然后夾緊在要求的位置上。如果機(jī)床往復(fù)行程較長(zhǎng)，則采用V型導(dǎo)軟，如平面磨床和刨床等。優(yōu)點(diǎn)是V型導(dǎo)軌系統(tǒng)導(dǎo)向性好，能承受重力切削。有的采用V型導(dǎo)軌和平面導(dǎo)軌相結(jié)合的形式，V型導(dǎo)軌作為導(dǎo)向，平面導(dǎo)軌作為支承體。
圖4
為了保證導(dǎo)軌系統(tǒng)的壽命。維修是很關(guān)鍵的。導(dǎo)軌是機(jī)床的精密部件之一，不可能100%有防塵保護(hù)，灰塵污染大。因此、用戶要定期檢查、維護(hù)。液壓平面導(dǎo)軌一般為自身潤(rùn)滑，介質(zhì)本身就是潤(rùn)滑劑。直線導(dǎo)軌和直線滾柱導(dǎo)柱則要求定期潤(rùn)滑，很多直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋼球和滾柱部分都安裝有油脂接頭與支架相連接。有的用導(dǎo)管連接，使油脂潤(rùn)滑更方便，有的備有自動(dòng)潤(rùn)滑附件。無論采用什么形式的導(dǎo)軌系統(tǒng)，保持滾動(dòng)元件的良好潤(rùn)滑，能減少導(dǎo)軌系統(tǒng)的磨損，延長(zhǎng)機(jī)床精度的保持時(shí)間。
