石材機(jī)械導(dǎo)軌設(shè)計(jì)原則與加工工藝

隨著石材行業(yè)產(chǎn)品深加工的需要，加工精度在不斷提高，形成對(duì)石材機(jī)械性能的要求也在不斷提高。為滿足市場(chǎng)的需要，加強(qiáng)開(kāi)發(fā)適應(yīng)市場(chǎng)的新產(chǎn)品以滿足需求。石材機(jī)械中具有代表性的產(chǎn)品橋式切石機(jī)以其加工精度高，故障率低，操作方便，適應(yīng)范圍廣而深受廣大用戶的青睞。筆者就橋式切石機(jī)中影響加工石材精度關(guān)鍵機(jī)械部件橫梁導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)原則與加工工藝，提出一些個(gè)人看法，供同行參加。

　　石材機(jī)械橫梁導(dǎo)軌常見(jiàn)的設(shè)計(jì)有兩種組合：第一是雙三解形導(dǎo)軌組合。這兩種組合都是開(kāi)式導(dǎo)軌組合，三角形導(dǎo)軌的導(dǎo)向性能隨頂解α的大小而不同，α解越小導(dǎo)向性越好，但是當(dāng)α角減小時(shí)導(dǎo)軌面的當(dāng)量摩擦系數(shù)越大，通常限三角形導(dǎo)軌的頂角α為90°，對(duì)于重型、大型石材機(jī)械，由于載荷較大，可取α＝110°～120°。當(dāng)三角形導(dǎo)軌面有了磨損時(shí)，工作臺(tái)自動(dòng)下沉，補(bǔ)償磨損量，矩形導(dǎo)軌具有鋼度高，加工、檢驗(yàn)和維修都比較方便的特點(diǎn)，但導(dǎo)向性差。雙三角形導(dǎo)軌的導(dǎo)向性和精度保持性都高，但是由于超定位，加工、檢驗(yàn)和維修都比較困難。石材機(jī)械工作環(huán)境惡劣，石粉塵、水霧、金剛石顆粒在切削過(guò)程中容易飛濺在導(dǎo)軌表面上，由于鋸切屬于重載切削，使得導(dǎo)軌面磨損加劇。目前石材機(jī)械仍有部分橫梁采用雙三角導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，目的是補(bǔ)償導(dǎo)軌磨損，在設(shè)計(jì)加工導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)滿足以下的要求。

       
 

   1、導(dǎo)向精度
　　導(dǎo)軌在空載運(yùn)動(dòng)和切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度，保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度，這是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。影響導(dǎo)向精度的主要因素有：導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度，導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的剛度，導(dǎo)軌的油膜厚度和油膜剛度，導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的熱變形等。
　?。?）幾何精度
　　直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱A項(xiàng)精度），導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線精度（簡(jiǎn)稱B項(xiàng)精度），兩導(dǎo)軌面間平行度也叫扭曲（簡(jiǎn)稱C項(xiàng)精度），在A、B兩項(xiàng)精度中都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長(zhǎng)度上的直線度和導(dǎo)軌全長(zhǎng)的直線度，在C項(xiàng)精度中，規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長(zhǎng)度上和導(dǎo)軌全長(zhǎng)上，兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長(zhǎng)度上的扭曲值。上述A、B、C三項(xiàng)精度的公差，可參考有關(guān)機(jī)床精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）接觸精度
　　精刨、磨削和刮研的導(dǎo)軌表面，接觸精度按JB2278-78的規(guī)定，采用著色法進(jìn)行檢查，用接觸面所占百分比或25×25（mm）面積內(nèi)的接觸點(diǎn)數(shù)來(lái)衡量。

　　   2、精度保持性
　　精度保持性主要是由導(dǎo)軌的耐磨性決定的，它與導(dǎo)軌的摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌和材料、工藝方法以及受力情況等有關(guān)。另外，導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件的殘余應(yīng)力也會(huì)使導(dǎo)軌發(fā)生蠕變而影響導(dǎo)軌的精度保持性。影響精度保持性的主要因素是磨損，提高耐磨性以保持精度是提高機(jī)床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一，也是科學(xué)研究的一大課題。提高耐磨性的因素有很多，提高耐磨性應(yīng)從設(shè)計(jì)、工藝、材料、熱處理、使用等各方面綜合考慮。這里主要從設(shè)計(jì)角度來(lái)進(jìn)行分析。從設(shè)計(jì)的角度提高耐磨性的基本思路是：盡量爭(zhēng)取無(wú)磨損；在無(wú)法避免的磨損時(shí)盡量爭(zhēng)取少磨損、均勻磨損、以及磨損后能夠補(bǔ)償，以便提高使用期限。

    3、先談?wù)劆?zhēng)取少磨損
　?。?）降低壓強(qiáng)
　　降低壓強(qiáng)可減少單位面積上承受的摩擦力，可采用加大接觸面和減輕負(fù)荷來(lái)降低壓強(qiáng)。例如：提高導(dǎo)軌面的直線度和細(xì)化表面粗糙度，可增強(qiáng)實(shí)際接觸的面積，適當(dāng)加寬導(dǎo)軌面和加長(zhǎng)動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，也可加大接觸面，但必須與動(dòng)導(dǎo)軌所在的支撐件的剛度相適應(yīng)。否則受載后變形大，接觸不均，增大局部壓強(qiáng)，導(dǎo)軌雖寬雖長(zhǎng)也不起作用。此外，導(dǎo)軌加長(zhǎng)加寬也會(huì)增加工藝上的困難，減輕導(dǎo)軌的負(fù)荷還可采用卸荷的辦法。
　?。?）降低摩擦系數(shù)
　　用滾動(dòng)摩擦副代替滑動(dòng)摩擦副，則摩擦系數(shù)大大降低，磨損可大為減少，但目前在石材機(jī)械中使用較少。在滑動(dòng)副中，正確選擇潤(rùn)滑油，使摩擦性質(zhì)成為混合系數(shù)，也可減低摩擦系數(shù)。此外還要注意保持潤(rùn)滑油的清潔，不清潔的潤(rùn)滑油會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的磨料磨損，循環(huán)潤(rùn)滑不僅能保證足夠的潤(rùn)滑油而且還能起能冷卻和沖洗作用。為了使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上均勻分布，保證充分的潤(rùn)滑效果，必須在導(dǎo)軌面上開(kāi)出油溝。正確選擇潤(rùn)滑油的黏度可有效地降低摩擦系數(shù)。導(dǎo)軌潤(rùn)滑油的黏度可根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和潤(rùn)滑方式選擇，例如：低載花（壓強(qiáng)〈0.1MPa）高，中速的中、小型石材機(jī)械進(jìn)給導(dǎo)軌，可采用20＃機(jī)械油；中等載荷（壓強(qiáng)〉0.2MPa）的中、低速機(jī)械導(dǎo)軌（大多數(shù)機(jī)械的進(jìn)給導(dǎo)軌屬此條件）可采用30＃機(jī)械油或40＃機(jī)械油；重型機(jī)械（壓強(qiáng)〉0.4MPa）的低速導(dǎo)軌，可用40＃、50＃或70＃機(jī)械油；易被臟物污染的導(dǎo)軌，應(yīng)采用黏度較低的潤(rùn)滑油，以免臟物聚集而損壞導(dǎo)軌。
　?。?）正確選擇摩擦副的材料和熱處理
　　適當(dāng)選擇摩擦副的材料可降低摩擦系數(shù)，熱處理可提高抗磨損能力。
　　（4）加強(qiáng)防護(hù)
　　加強(qiáng)防護(hù)是提高摩擦副耐磨性的有效措施，可避免灰塵、磨料屑、水霧等進(jìn)入摩擦副，防止或減少導(dǎo)軌副磨損的重要方法之一，就是對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行防護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有可靠防護(hù)裝置的導(dǎo)軌，比外露導(dǎo)軌的磨損量可減少60％左右。在設(shè)計(jì)和選定導(dǎo)軌的防護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)考慮下列要求：最好能使導(dǎo)軌面封閉起來(lái)，與各種磨料隔絕；如果不能封閉，防護(hù)裝置應(yīng)能將落在導(dǎo)軌上的塵屑較徹底地排除，以防進(jìn)入摩擦副；裝置應(yīng)有防冷卻液浸蝕的能力；在結(jié)構(gòu)上應(yīng)便于裝卸以保證清洗導(dǎo)軌方便，還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和剛度，尤其是重型機(jī)械的導(dǎo)軌防護(hù)裝置更應(yīng)注意。此外，還要考慮制造容易，成本低，壽命長(zhǎng)外形美觀等因素，現(xiàn)介紹幾種常用的防護(hù)方法。
　　刮板式
　　這種方法能刮除落在導(dǎo)軌上面上的塵屑，屬于間接的防護(hù)裝置。
　　蓋板式
　　蓋板式防護(hù)裝置多數(shù)是將蓋板固定在動(dòng)導(dǎo)軌的兩端，當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，蓋板把將要外露的導(dǎo)軌面蓋住，以防止切屑掉在導(dǎo)軌面上，這種裝置通常與刮板式防護(hù)裝置同時(shí)采用。

伸縮式
　　當(dāng)動(dòng)導(dǎo)軌移到極限位置時(shí)，一側(cè)的防護(hù)板全部拉開(kāi)，另一側(cè)全部迭起。這種裝置可以把導(dǎo)軌面全部封閉，在兩層蓋板之間還有橡膠或塑料墊，因而防護(hù)可靠。還有一種手風(fēng)琴式伸縮防護(hù)裝置，一般用皮革，帆布或塑料（人造革）制成，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，防護(hù)效果好，但容易損壞壽命短，成本也較高。
　?。?）其次是爭(zhēng)取均勻磨損
　　磨損是否均勻?qū)α悴考墓ぷ髌谙抻绊懞艽?，例如橫梁導(dǎo)軌，如果磨損是均勻的，則對(duì)加工精度一般影響不大，而且可以補(bǔ)償。磨損不均勻的原因主要有兩個(gè)：在摩擦面上壓強(qiáng)分布不均，各個(gè)部分的使用機(jī)會(huì)不同。爭(zhēng)取均勻磨損有如下措施：力求使摩擦面上的壓強(qiáng)均勻分布，例如導(dǎo)軌的形狀和尺寸要盡可能對(duì)集中載荷對(duì)稱，盡量減少扭矩和顛覆力矩；保證支撐件有足夠的剛度；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌不宜太寬，以免線速度相差太大；摩擦副中全長(zhǎng)上使用機(jī)會(huì)不均的那一件硬度應(yīng)高一些。
　?。?）還有一點(diǎn)是磨損后應(yīng)能補(bǔ)償磨損量
　　磨損后間隙變大了，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在構(gòu)造上能補(bǔ)償這個(gè)間隙，補(bǔ)償方法可以是自動(dòng)的連續(xù)補(bǔ)償，也可以是定期的人工補(bǔ)償。自動(dòng)連續(xù)補(bǔ)償可以靠自重，例如三角形和V形導(dǎo)軌，定期的人工補(bǔ)償可用粘貼聚四氟乙烯塑料，閉式導(dǎo)軌靠調(diào)整壓板等。
　　常見(jiàn)的磨損形式有以下幾種：
　?。?）磨料或硬粒的磨損
　　這種磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。相對(duì)滑動(dòng)的摩擦副之間的磨料（或硬粒）主要來(lái)源于：微觀狀態(tài)下不平的摩擦表面高點(diǎn)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中被剪切下來(lái)而留在摩擦面之間，隨著潤(rùn)滑油的進(jìn)入導(dǎo)軌面間的硬顆粒；由于防護(hù)不好使落在導(dǎo)軌面上的切屑微粒進(jìn)入摩擦副之間，在摩擦副之間微粒的受力可分解為垂直于摩擦面和沿摩擦面運(yùn)動(dòng)方向的兩個(gè)分力，垂直分力將磨料壓向金屬表面，力越大和磨粒越硬時(shí)，被壓入得越深；沿摩擦面的分力，將使磨粒與金屬表面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，“切削”導(dǎo)軌面，使摩擦面產(chǎn)生“劃傷”或出現(xiàn)“溝痕”。磨料的硬度越高，相對(duì)滑動(dòng)速度越大，壓強(qiáng)越大，對(duì)摩擦副的危害也越大。磨料磨損是難以避免的，只能盡量減少。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提高支撐導(dǎo)軌的硬度，并限制P*V（壓強(qiáng)與速度的乘積）值不超過(guò)材料的許用值。
　　（4）粘著磨損或咬焊
　　粘著磨損也稱為分子——機(jī)械磨損，當(dāng)兩個(gè)摩擦表面相互接觸時(shí)，在高壓強(qiáng)下材料產(chǎn)生塑性變形，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來(lái)的金屬表面之間就會(huì)產(chǎn)生分子之間的相互吸引與滲透，使接觸點(diǎn)粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又要將咬焊點(diǎn)拉開(kāi)，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的，為避免這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)正確選擇材料、硬度和控制最大壓強(qiáng)外，還必須正確規(guī)定滑動(dòng)面的平面誤差、表面粗糙度或接觸點(diǎn)的數(shù)量。
　　   4、低速運(yùn)動(dòng)平衡性
　　當(dāng)動(dòng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的平衡性，即不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值，以及傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度等有關(guān)。石材機(jī)械在使用過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，看待會(huì)破壞運(yùn)動(dòng)的均勻性，影響機(jī)械的加工精度、定位精度和增大表面粗糙度，甚至?xí)a(chǎn)生廢品或使機(jī)械不能正常工作，在石材機(jī)械中常常會(huì)遇到這種情況。

　對(duì)于爬行運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象機(jī)理的認(rèn)識(shí)到目前為止尚未完全一致。這里只介紹一種較為普遍的看法，認(rèn)為爬行運(yùn)動(dòng)是一種很復(fù)雜的摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于摩擦面上摩擦系數(shù)的變化和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度不足。爬行包括時(shí)慢時(shí)快及時(shí)走時(shí)?，F(xiàn)象。
　　產(chǎn)生爬行的原因可歸納為以下幾點(diǎn)：
　　（1）當(dāng)摩擦副處于邊界摩擦?xí)r，存在靜動(dòng)摩擦系數(shù)之差，而且動(dòng)摩擦系數(shù)又隨滑動(dòng)速度的增加而降低，這就可能使系統(tǒng)具有負(fù)阻尼或零阻尼；
　　（2）運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量越大，因而具有較大的慣性；
　?。?）當(dāng)移動(dòng)件的質(zhì)量，摩擦副摩擦面間的摩擦性質(zhì)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度一定時(shí)，在移動(dòng)速度降低到一定值后，就會(huì)產(chǎn)生看待，這個(gè)值就稱為爬行的臨界速度；
　　（4）傳動(dòng)件的剛度不足。
　　   消除看待的措施有以下幾點(diǎn)：
　　   在設(shè)計(jì)低速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)估計(jì)其臨界速度，如果所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)的最低速度低于臨界速度，就應(yīng)采取措施降低其臨界速度，其措施有：減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差和改變動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化的特性，提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度；提高阻尼比以及降低移動(dòng)件的質(zhì)量。
　　   采用卸荷導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。采用卸荷導(dǎo)軌后，移動(dòng)件的一部分重量由卸荷裝置承擔(dān)。如果采用靜壓導(dǎo)軌，則導(dǎo)軌面被油層完全隔開(kāi)，摩擦力就是油層間的剪切力，摩擦系數(shù)很小，而且靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)際上沒(méi)有什么差別。
　　   采用減摩材料為了防止爬行，可在導(dǎo)軌表面鑲裝酮片、塑料板或其它減摩材料制成的導(dǎo)軌板，塑料也可噴涂或涂布。
　　   采用導(dǎo)軌油以上各種方法雖然都能消除看待，但構(gòu)造都比較復(fù)雜，采用導(dǎo)軌油有可能在完全不改動(dòng)原有滑動(dòng)導(dǎo)軌構(gòu)造的條件下消除爬行現(xiàn)象，靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)以及低速時(shí)摩擦系數(shù)隨速度的增加而降低的原因之一，是在邊界摩擦狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)件停止或低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，油膜被擠破，發(fā)生金屬的直接接觸。導(dǎo)軌油內(nèi)加入極性劑，增加了油性，使油分子緊緊吸附在導(dǎo)軌面上，運(yùn)動(dòng)件停止后油膜也不會(huì)擠破，采用較高標(biāo)號(hào)的導(dǎo)軌油還由于油的黏度較大，黏性阻尼也較大，因而有利于縮短過(guò)渡過(guò)程。

   提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度（縮短傳動(dòng)鏈和采用大降速比的傳動(dòng)件也利于提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度）。
　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)位置盡可能保證兩導(dǎo)軌摩擦力矩基本一致，保證受力平衡性。
　　動(dòng)導(dǎo)軌與靜導(dǎo)軌接觸面積通過(guò)刮研達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
　　如果以上幾種防止爬行的辦法中，單獨(dú)采用一種難以奏效，也可以幾種方法聯(lián)合使用。例如：適當(dāng)提高傳動(dòng)件的剛度，導(dǎo)軌鑲裝減磨材料，使用導(dǎo)軌油并適當(dāng)提高供油壓強(qiáng)，使導(dǎo)軌部分卸荷。
　　 5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好
　　設(shè)計(jì)時(shí)要注意使導(dǎo)軌的制造和維護(hù)方便，刮研量少，如果是鑲裝導(dǎo)軌，則應(yīng)盡量作到更換容易。導(dǎo)軌精加工的方法有精刨（或精銑）、磨削和刮研等幾種。精刨可以滿足不淬火的普通精度的機(jī)械精度導(dǎo)軌和幾何精度要求，并能達(dá)到較小的表面粗糙度而且成本低，生產(chǎn)率高。用磨削的辦法精加工導(dǎo)軌面能夠達(dá)到較高的精度和較小的表面粗糙度，生產(chǎn)率高，而且是加工淬硬導(dǎo)軌的惟一辦法，磨削最初只用于精加工支撐導(dǎo)軌，與其配合的動(dòng)導(dǎo)軌則采用配刮，近來(lái)動(dòng)導(dǎo)軌也可以配磨，甚至已試驗(yàn)在互換。導(dǎo)軌的磨削方式有周邊磨削和端面磨削兩種。周邊磨削與端面磨削相比，質(zhì)量好、生產(chǎn)率高、表面紋理美觀因此正逐漸取代端磨。刮研可以達(dá)到最高精度，同時(shí)還具有變形小、接觸性好表面可以存有油的優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低、而且不能加工淬硬性導(dǎo)軌。