石材机械导轨设计原则与加工工艺

随着石材行业产品深加工的需要，加工精度在不断提高，形成对石材机械性能的要求也在不断提高。为满足市场的需要，加强开发适应市场的新产品以满足需求。石材机械中具有代表性的产品桥式切石机以其加工精度高，故障率低，操作方便，适应范围广而深受广大用户的青睐。笔者就桥式切石机中影响加工石材精度关键机械部件横梁导轨的设计原则与加工工艺，提出一些个人看法，供同行参加。

　　石材机械横梁导轨常见的设计有两种组合：第一是双三解形导轨组合。这两种组合都是开式导轨组合，三角形导轨的导向性能随顶解α的大小而不同，α解越小导向性越好，但是当α角减小时导轨面的当量摩擦系数越大，通常限三角形导轨的顶角α为90°，对于重型、大型石材机械，由于载荷较大，可取α＝110°～120°。当三角形导轨面有了磨损时，工作台自动下沉，补偿磨损量，矩形导轨具有钢度高，加工、检验和维修都比较方便的特点，但导向性差。双三角形导轨的导向性和精度保持性都高，但是由于超定位，加工、检验和维修都比较困难。石材机械工作环境恶劣，石粉尘、水雾、金刚石颗粒在切削过程中容易飞溅在导轨表面上，由于锯切属于重载切削，使得导轨面磨损加剧。目前石材机械仍有部分横梁采用双三角导轨设计，目的是补偿导轨磨损，在设计加工导轨时应满足以下的要求。

       
 

   1、导向精度
　　导轨在空载运动和切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度，保证导轨运动的准确度，这是保证导轨工作质量的前提。影响导向精度的主要因素有：导轨的结构形式，导轨的几何精度和接触精度，导轨和基础件的刚度，导轨的油膜厚度和油膜刚度，导轨和基础件的热变形等。
　　（1）几何精度
　　直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度），导轨在水平平面内的直线精度（简称B项精度），两导轨面间平行度也叫扭曲（简称C项精度），在A、B两项精度中都规定了导轨在每米长度上的直线度和导轨全长的直线度，在C项精度中，规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。上述A、B、C三项精度的公差，可参考有关机床精度检验标准。
　　（2）接触精度
　　精刨、磨削和刮研的导轨表面，接触精度按JB2278-78的规定，采用着色法进行检查，用接触面所占百分比或25×25（mm）面积内的接触点数来衡量。

　　   2、精度保持性
　　精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨和材料、工艺方法以及受力情况等有关。另外，导轨和基础件的残余应力也会使导轨发生蠕变而影响导轨的精度保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损，提高耐磨性以保持精度是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。提高耐磨性的因素有很多，提高耐磨性应从设计、工艺、材料、热处理、使用等各方面综合考虑。这里主要从设计角度来进行分析。从设计的角度提高耐磨性的基本思路是：尽量争取无磨损；在无法避免的磨损时尽量争取少磨损、均匀磨损、以及磨损后能够补偿，以便提高使用期限。

    3、先谈谈争取少磨损
　　（1）降低压强
　　降低压强可减少单位面积上承受的摩擦力，可采用加大接触面和减轻负荷来降低压强。例如：提高导轨面的直线度和细化表面粗糙度，可增强实际接触的面积，适当加宽导轨面和加长动导轨的长度，也可加大接触面，但必须与动导轨所在的支撑件的刚度相适应。否则受载后变形大，接触不均，增大局部压强，导轨虽宽虽长也不起作用。此外，导轨加长加宽也会增加工艺上的困难，减轻导轨的负荷还可采用卸荷的办法。
　　（2）降低摩擦系数
　　用滚动摩擦副代替滑动摩擦副，则摩擦系数大大降低，磨损可大为减少，但目前在石材机械中使用较少。在滑动副中，正确选择润滑油，使摩擦性质成为混合系数，也可减低摩擦系数。此外还要注意保持润滑油的清洁，不清洁的润滑油会导致过大的磨料磨损，循环润滑不仅能保证足够的润滑油而且还能起能冷却和冲洗作用。为了使润滑油在导轨面上均匀分布，保证充分的润滑效果，必须在导轨面上开出油沟。正确选择润滑油的黏度可有效地降低摩擦系数。导轨润滑油的黏度可根据导轨的工作条件和润滑方式选择，例如：低载花（压强〈0.1MPa）高，中速的中、小型石材机械进给导轨，可采用20＃机械油；中等载荷（压强〉0.2MPa）的中、低速机械导轨（大多数机械的进给导轨属此条件）可采用30＃机械油或40＃机械油；重型机械（压强〉0.4MPa）的低速导轨，可用40＃、50＃或70＃机械油；易被脏物污染的导轨，应采用黏度较低的润滑油，以免脏物聚集而损坏导轨。
　　（3）正确选择摩擦副的材料和热处理
　　适当选择摩擦副的材料可降低摩擦系数，热处理可提高抗磨损能力。
　　（4）加强防护
　　加强防护是提高摩擦副耐磨性的有效措施，可避免灰尘、磨料屑、水雾等进入摩擦副，防止或减少导轨副磨损的重要方法之一，就是对导轨进行防护。据统计，有可靠防护装置的导轨，比外露导轨的磨损量可减少60％左右。在设计和选定导轨的防护装置时，应考虑下列要求：最好能使导轨面封闭起来，与各种磨料隔绝；如果不能封闭，防护装置应能将落在导轨上的尘屑较彻底地排除，以防进入摩擦副；装置应有防冷却液浸蚀的能力；在结构上应便于装卸以保证清洗导轨方便，还应具有一定的强度和刚度，尤其是重型机械的导轨防护装置更应注意。此外，还要考虑制造容易，成本低，寿命长外形美观等因素，现介绍几种常用的防护方法。
　　刮板式
　　这种方法能刮除落在导轨上面上的尘屑，属于间接的防护装置。
　　盖板式
　　盖板式防护装置多数是将盖板固定在动导轨的两端，当工作台移动时，盖板把将要外露的导轨面盖住，以防止切屑掉在导轨面上，这种装置通常与刮板式防护装置同时采用。

伸缩式
　　当动导轨移到极限位置时，一侧的防护板全部拉开，另一侧全部迭起。这种装置可以把导轨面全部封闭，在两层盖板之间还有橡胶或塑料垫，因而防护可靠。还有一种手风琴式伸缩防护装置，一般用皮革，帆布或塑料（人造革）制成，结构较简单，防护效果好，但容易损坏寿命短，成本也较高。
　　（1）其次是争取均匀磨损
　　磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大，例如横梁导轨，如果磨损是均匀的，则对加工精度一般影响不大，而且可以补偿。磨损不均匀的原因主要有两个：在摩擦面上压强分布不均，各个部分的使用机会不同。争取均匀磨损有如下措施：力求使摩擦面上的压强均匀分布，例如导轨的形状和尺寸要尽可能对集中载荷对称，尽量减少扭矩和颠覆力矩；保证支撑件有足够的刚度；回转运动导轨不宜太宽，以免线速度相差太大；摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高一些。
　　（2）还有一点是磨损后应能补偿磨损量
　　磨损后间隙变大了，设计时应考虑在构造上能补偿这个间隙，补偿方法可以是自动的连续补偿，也可以是定期的人工补偿。自动连续补偿可以靠自重，例如三角形和V形导轨，定期的人工补偿可用粘贴聚四氟乙烯塑料，闭式导轨靠调整压板等。
　　常见的磨损形式有以下几种：
　　（3）磨料或硬粒的磨损
　　这种磨损经常发生在边界摩擦和混合摩擦状态。相对滑动的摩擦副之间的磨料（或硬粒）主要来源于：微观状态下不平的摩擦表面高点，在相对运动中被剪切下来而留在摩擦面之间，随着润滑油的进入导轨面间的硬颗粒；由于防护不好使落在导轨面上的切屑微粒进入摩擦副之间，在摩擦副之间微粒的受力可分解为垂直于摩擦面和沿摩擦面运动方向的两个分力，垂直分力将磨料压向金属表面，力越大和磨粒越硬时，被压入得越深；沿摩擦面的分力，将使磨粒与金属表面产生相对滑动，“切削”导轨面，使摩擦面产生“划伤”或出现“沟痕”。磨料的硬度越高，相对滑动速度越大，压强越大，对摩擦副的危害也越大。磨料磨损是难以避免的，只能尽量减少。因此，设计时应尽量提高支撑导轨的硬度，并限制P*V（压强与速度的乘积）值不超过材料的许用值。
　　（4）粘着磨损或咬焊
　　粘着磨损也称为分子——机械磨损，当两个摩擦表面相互接触时，在高压强下材料产生塑性变形，相对运动时的摩擦，又使表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的金属表面之间就会产生分子之间的相互吸引与渗透，使接触点粘结而发生咬焊。接触面的相对运动又要将咬焊点拉开，就造成撕裂性破坏。咬焊是不允许发生的，为避免这种情况，设计时除应正确选择材料、硬度和控制最大压强外，还必须正确规定滑动面的平面误差、表面粗糙度或接触点的数量。
　　   4、低速运动平衡性
　　当动导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平衡性，即不出现爬行现象。低速运动平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及传动导轨运动的传动系统的刚度等有关。石材机械在使用过程中常会出现爬行现象，看待会破坏运动的均匀性，影响机械的加工精度、定位精度和增大表面粗糙度，甚至会产生废品或使机械不能正常工作，在石材机械中常常会遇到这种情况。

　对于爬行运动现象机理的认识到目前为止尚未完全一致。这里只介绍一种较为普遍的看法，认为爬行运动是一种很复杂的摩擦自激振动现象，产生这一现象的主要原因在于摩擦面上摩擦系数的变化和传动机构的刚度不足。爬行包括时慢时快及时走时停现象。
　　产生爬行的原因可归纳为以下几点：
　　（1）当摩擦副处于边界摩擦时，存在静动摩擦系数之差，而且动摩擦系数又随滑动速度的增加而降低，这就可能使系统具有负阻尼或零阻尼；
　　（2）运动件的质量越大，因而具有较大的惯性；
　　（3）当移动件的质量，摩擦副摩擦面间的摩擦性质和传动机构的刚度一定时，在移动速度降低到一定值后，就会产生看待，这个值就称为爬行的临界速度；
　　（4）传动件的刚度不足。
　　   消除看待的措施有以下几点：
　　   在设计低速运动机构时，首先应估计其临界速度，如果所设计的机构的最低速度低于临界速度，就应采取措施降低其临界速度，其措施有：减少静、动摩擦系数之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性，提高传动机构的刚度；提高阻尼比以及降低移动件的质量。
　　   采用卸荷导轨和静压导轨。采用卸荷导轨后，移动件的一部分重量由卸荷装置承担。如果采用静压导轨，则导轨面被油层完全隔开，摩擦力就是油层间的剪切力，摩擦系数很小，而且静、动摩擦系数实际上没有什么差别。
　　   采用减摩材料为了防止爬行，可在导轨表面镶装酮片、塑料板或其它减摩材料制成的导轨板，塑料也可喷涂或涂布。
　　   采用导轨油以上各种方法虽然都能消除看待，但构造都比较复杂，采用导轨油有可能在完全不改动原有滑动导轨构造的条件下消除爬行现象，静摩擦系数大于动摩擦系数以及低速时摩擦系数随速度的增加而降低的原因之一，是在边界摩擦状态下，运动件停止或低速运动时，油膜被挤破，发生金属的直接接触。导轨油内加入极性剂，增加了油性，使油分子紧紧吸附在导轨面上，运动件停止后油膜也不会挤破，采用较高标号的导轨油还由于油的黏度较大，黏性阻尼也较大，因而有利于缩短过渡过程。

   提高传动机构的刚度（缩短传动链和采用大降速比的传动件也利于提高传动机构的刚度）。
　　驱动机构设计位置尽可能保证两导轨摩擦力矩基本一致，保证受力平衡性。
　　动导轨与静导轨接触面积通过刮研达到设计要求。
　　如果以上几种防止爬行的办法中，单独采用一种难以奏效，也可以几种方法联合使用。例如：适当提高传动件的刚度，导轨镶装减磨材料，使用导轨油并适当提高供油压强，使导轨部分卸荷。
　　 5、结构简单、工艺性好
　　设计时要注意使导轨的制造和维护方便，刮研量少，如果是镶装导轨，则应尽量作到更换容易。导轨精加工的方法有精刨（或精铣）、磨削和刮研等几种。精刨可以满足不淬火的普通精度的机械精度导轨和几何精度要求，并能达到较小的表面粗糙度而且成本低，生产率高。用磨削的办法精加工导轨面能够达到较高的精度和较小的表面粗糙度，生产率高，而且是加工淬硬导轨的惟一办法，磨削最初只用于精加工支撑导轨，与其配合的动导轨则采用配刮，近来动导轨也可以配磨，甚至已试验在互换。导轨的磨削方式有周边磨削和端面磨削两种。周边磨削与端面磨削相比，质量好、生产率高、表面纹理美观因此正逐渐取代端磨。刮研可以达到最高精度，同时还具有变形小、接触性好表面可以存有油的优点，它的缺点是劳动强度大、生产率低、而且不能加工淬硬性导轨。