CN101649863A - 一种预应力对接精密机械钢导轨及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属机械制造领域，具体涉及一种预应力对接精密机械钢导轨及其加工方法，它由两段或两段以上的钢导轨段对接而成，对接处具有特殊的对接构造，可以实现精密对接，并在对接处形成有益的预应力，提高了对接处的承载性能。同时由于本发明方法采用一种数控电火花线切割的加工方法，可实现本发明特殊构造的加工，从而它能保证钢导轨获得较高的对接精度，且装配方便、工艺性较好。本发明不受工件材料硬度的限制，更适用于高硬度钢导轨元件。

Description

一种预应力对接精密机械钢导轨及其加工方法

技术领域

本发明属机械制造领域，特别涉及一种预应力对接精密机械钢导轨及其加工方法。

背景技术

机械钢导轨是一种机械元件。其基本形状为条状，截面形状多为矩形、圆形、多边形或组合形。条状本体长度方向的一侧或多侧为工作表面和安装基准面。机械钢导轨的工作表面与相配偶件构成导向配合，例如滚动导轨的工作表面，滑动导轨的工作表面。安装基准面是机械钢导轨与机械基础件安装的结合面，也是加工基准面。机械钢导轨的基本要求是尺寸精密、形状平直、表面光滑、高硬度、高刚度。

机械钢导轨的材质为：合金钢或碳钢。传统机械钢导轨制造过程为：锻造毛坯、然后进行面和孔切削加工、热处理、精加工，最后装配于机械基础件上。

由于切削机床加工工艺范围等条件的限制，使整体机械钢导轨零件能够达到的长度受到限制。因此，当机械中需要的整体超长钢导轨不能或不便制造时，通常采用分段制造再拼装在机械基础件上，成为超长机械钢导轨的方法完成，一般称为拼装导轨。另外，由于这种传统的钢导轨段端部是平面形状，不具备连接功能，所以相邻导轨段的位置关系靠安装基准面、定位销钉、固定螺钉等将导轨段分别定位、固定在机械基础件上来保证，这种传统方法的不足在于，拼装处不可避免地存在缝隙，导轨段之间不存在实际意义上的连接，因此这种拼装导轨精度和承载性能不易保证，装配不方便。

发明内容

为解决上述问题，本提供一种预应力对接精密机械钢导轨及其加工方法，它能保证钢导轨获得较高的对接精度，提高对接处的承载性能，且装配工艺性较好。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种预应力对接精密机械钢导轨，它包括两段或两段以上的钢导轨段对接而成，所述每一个用于对接的钢导轨段的构造包括条形本体、固定螺钉孔、端面、榫头和修形榫槽；所述修形榫槽开设于钢导轨段一端端部的中央位置，所述榫头设在钢导轨段的另一端部与修形榫槽对应的位置，并与相邻的另一钢导轨段的修形榫槽对接组成具有嵌合结构的预应力接头。

所述修形榫槽的方向与条形本体的长度方向垂直。

所述榫头的横截面形状与所述修形榫槽的原始横截面形状相同。

所述榫头的头部宽度尺寸大于其颈部宽度尺寸，而且，修形榫槽及榫头横截面图形的基准点到端面基准点的距离相等。

所述榫头和修形榫槽对接构造的配合为端面过盈配合。

所述修形榫槽是对原始轮廓进行修形，在对接处预留过盈量。装配后，对接处存在预应力。

所述接头的形状的原始轮廓包括矩形接头、燕尾形接头、对称形接头。

上述的预应力对接精密机械钢导轨的加工方法，它包括以下步骤：

(1)按常规制造方法制造钢导轨段，仅在钢导轨段的长度方向留有榫头长度量(B+0.5Dmm)和2倍加工余量，一般加工余量为2至10mm，以此作为待加工件，所述B为榫头横截面图形的基准点到端面的距离，所述D为榫头的头部宽度尺寸；

(2)编制数控电火花线切割程序步骤。首先根据设计的接头形状尺寸计算切割轨迹数据，再依据数控线切割设备的编程规范编制程序，由此完成对接钢导轨段修形榫槽表面、榫头表面的数控电火花线切割程序。

(3)定位夹紧待加工件步骤，参照机床的操作规范，把待加工钢导轨段装夹到数控线切割机床上，采用通用夹具保证钢导轨段的基准面长度方向与机床工作台纵向运动坐标轴方向平行且对端部表面采用同一定位基准一次性装夹加工；或对于钢导轨段的长度超出数控电火花线切割机床有效工作范围的情况时，采用二次装夹加工。

(4)数控电火花线切割步骤，首先确定切割轨迹的起始位置，然后启动程序，其后，通过电极线放电产生切割缝隙，由数控系统控制机床工作台的运动轨迹，切割出与设计轨迹相一致的精密缝隙，由此进行修形榫槽、榫头表面的自动切割，从而完成对接钢导轨端部的加工。

(5)榫头棱边倒角步骤，利用电动或气动磨头对榫头棱进行倒角处理；

(6)装配步骤，把相邻钢导轨段的榫头与修形榫槽轻压合依次首尾装配，实现对接，然后，用螺钉把对接后的钢导轨连接在基础件上，同时保证导轨安装基准面与机械基础件对应表面贴和，最后拧紧螺钉把导轨固定；对于设计有定位销的导轨，还需装配定位销钉。

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：

①由于该加工方法是无切削力加工，因此不存在传统加工方法中由于切削力产生的误差。

②由于所述钢导轨段榫头及修形榫槽的加工以钢导轨段已有的基准面为定位基准一次性装夹加工，保证了钢导轨段的已加工表面与所加工的榫头及修形榫槽表面之间的相互位置精度。

③由于运用精密数控线切割技术，利用其割缝补偿功能能够控制修形榫槽和榫头的偏差，因此可以使接触部位形成合理的配合性质。

④由于本发明对接钢导轨段特有的对接构造，并采用数控电火花线切割技术精确加工，因此能保证获得较高的对接精度，提高对接处的承载性能，且装配工艺性较好。

⑤本发明制造方法不受工件材料硬度的限制，更适用于高硬度钢导轨元件。

附图说明

图1是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式构成示意图。

图2是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部构造立体图。

图3是本发明对接钢导轨段实施方式构造外形示意图。

图4是本发明对接钢导轨段实施方式构造剖面示意图。

图5是本发明对接钢导轨段实施方式的榫头结构参数示意图。

图6是本发明对接钢导轨段实施方式的修形榫槽结构参数示意图。

图7是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部双榫形接头的截面原始曲线及连接状态结构参数示意图。

图8是采用数控电火花线切割机床加工本发明榫头及修形榫槽的方法示意图。

图9是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式对接部位工作应力示意图

图10是拼接机械钢导轨接缝处工作应力示意图。

图11是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部矩形接头截面原始曲线及连接状态示意图。

图12是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部燕尾形接头截面原始曲线及连接状态示意图。

图13是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部对称形接头截面原始曲线及连接状态示意图。

附图中符号的说明：

1对接钢导轨段；2条形本体；3榫头；4修形榫槽；5固定螺钉孔；6左端面；7右端面；8侧基准面；9底基准面；10电极线；11机床工作台运动坐标轴；12榫槽部位切割轨迹；13榫头部位切割轨迹；14工作载荷方向；15滚动体；16对接处应力示意图；17缝隙处应力示意图；18缝隙；D榫头截面的头部尺寸；T榫头截面的颈部尺寸；O截面图形的基准点；O’端面的基准点；B截面图形基准点到端面的距离。Li对接钢导轨段长度；f修形量；σ_ma对接处应力最大值；σ_mb缝隙处应力最大值；Δ缝隙宽度。

具体实施方式

下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

图1是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式构成示意图。图2是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部构造立体图。图3是本发明对接钢导轨段实施方式构造外形示意图。图4是本发明对接钢导轨段实施方式构造剖面示意图。图5是本发明对接钢导轨段实施方式的榫头结构参数示意图。图6是本发明对接钢导轨段实施方式的修形榫槽结构参数示意图。图7是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头局部双榫形接头的截面原始曲线及连接状态结构参数示意图。

参见图1、图2、图3，本发明预应力对接精密机械钢导轨的基本形状是截面条状体，一般由两个或两个以上的对接钢导轨段1构成，其截面形状具有多种形式，例如矩形、角形及各种组合形。图1所示的是一种滚动导轨，其截面形状如图4的剖面图所示。如图3及图4所示，每一个对接钢导轨段的构造包括条形本体2、榫头3、修形榫槽4、固定螺钉孔5、左端面6、右端面7、侧基准面8、底基准面9。榫头3和修形榫槽4是本发明的特有构造。所述对接钢导轨段的条形本体2上设有固定导轨段用的固定螺钉孔5，通过将固定螺钉插入该固定螺钉孔5把所述对接钢导轨段1固定在机械的基础件上。另外，在上述对接钢导轨段1的左端面6上中央位置设有榫头3，所述修形榫槽4设在对接钢导轨段的右端面7与榫头3对应的位置。由相邻两对接钢导轨段的榫头3和修形榫槽4构成嵌合结构的接头，如图2所示。

另外，所述修形榫槽4的方向与条形本体2的长度方向垂直，榫头3的横截面曲线形状与修形榫槽4的横截面原始曲线(图5、图6实线表示的曲线)形状相同，可以为连续圆弧形，如图5、图6所示。D为榫头横截面的头部宽度尺寸；T为榫头横截面的颈部宽度尺寸；O为榫头横截面图形的基准点；O’为端面的基准点；B为榫头横截面图形基准点O到端面的距离。

上述榫头3的尺寸和修形榫槽4的尺寸关系为，所述榫头3的头部宽度尺寸D大于所述榫头3的颈部宽度尺寸T，并且，所述修形榫槽4及所述榫头3的截面图形的基准点O与端面6、7的距离尺寸B相等，端面6、7与侧基准面8、底基准面9的方向垂直，与榫槽4的方向平行。

本发明精密机械钢导轨的实施方式由n段对接钢导轨段构成，每一段的有效长度为LI(I＝1，2，...，n)，其有效总长度等于各对接钢导轨段有效长度之和，如图1、图3所示。

另外，所述榫头3的棱缘处制成倒角形状，以利于装配。

图2是本发明精密机械钢导轨的实施方式的连接状态的接头局部立体图。在组装配时，通过将榫头3压入相邻对接钢导轨段的修形榫槽4内后，相邻两钢导轨段的榫头3和修形榫槽4形成嵌合结构的接头。该接头可以实现连接表面的充分接触，并在断面6、7之间形成特殊的预应力状态。

另外，所述榫槽4的方向与条形本体2的长度方向垂直，榫头3与修形榫槽4的形状凸凹嵌合。

图5、图6是本发明精密机械钢导轨实施方式的榫头、修形榫槽局部圆弧形截面曲线的结构参数示意图。如图5、图6实线所示，所述榫接头横截面曲线为连续圆弧曲线。

图6中实线所表示的轮廓为榫槽的原始轮廓，虚线表示榫槽的修形部分。如图所示，虚线与对应实线间的距离为f，即修形量。修形榫槽的修形轮廓为虚线的直线段与实线的弧线段组成的轮廓，修形榫槽数控线切割加工的轨迹必须按修形轮廓编程，该轮廓也是加工后得到的实际轮廓。修形量f的数值按机械设计规范轻迫合配合性质的过盈量取值。由于f的存在，对接处轻迫合装配后，由于弹性变形的作用，端面6、7间出现预应力，同时在嵌套构造的其它接触面出现对称的预应力。机械零件配合知识表明预应力有助于改善结合部位承受动态载荷的性能。

图7是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头双榫形截面原始曲线及连接状态结构参数示意图，如图7所示，所述接头横截面原始曲线是包含两个单榫的组合曲线，这种构造适合于导轨断面尺寸较大的重型精密机械钢导轨对接。

在图5、图6、图7中，D为榫头横截面的头部尺寸；T为横截面的颈部尺寸；O为横截面图形的基准点；O’为端面的基准点；B为横截面图形基准点O到端面的距离。

由于对接钢导轨段的制造精度要求较高。因此，将榫头3和修形榫槽4组合成为嵌合结构后，可以使得导轨对接处相对位置精度较高，当采用圆弧形截面时，相对位置误差可达到0.010毫米以内，从而保证导轨工作面的对接处的直线度。

图11，图12，图13是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式的接头原始轮廓的三种变形型式，与图5及图6所表示的轮廓具有相同的功能。如图11所示，轮廓曲线的形状特征为矩形。如图12所示，轮廓曲线的形状特征为燕尾形。如图13所示，榫头是一个独立的形状对称的零件，对接处的两侧具有完全对称的榫槽，即接头构造对称，这种型式具有便于制造、节省材料的特点。

图9是本发明预应力对接精密机械钢导轨实施方式对接部位工作应力示意图。

如图9所示，6，7是两对接钢导轨段的相邻端面，在任何两相邻的钢导轨段装配后，其对接部位形成紧密连贯的面接触，构成两相邻导轨段准确紧密的嵌套结合。特别是预应力对接，由于接头的嵌套构造，装配后，在端面6、7之间存在了预应力，保持了端面之间始终接触状态，即对接钢导轨段之间具有作用力传递功能。以滚动导轨的工作状态为例，工作载荷14作用于滚动体15，在对接部位引起的接触应力分布曲线如16所指，其最大值为σ_ma，应力变化平缓，这种应力状态与整体导轨的应力状态相近似，这是一种合理的应力状态。

图10是拼接构造机械钢导轨接缝处工作应力示意图。

如图10所示，由于无连接构造，装配在一条直线上的两相邻导轨端部不可避免地存在缝隙Δ。当作用着工作载荷14的滚动体15运动到导轨的端部的缝隙处时，与滚动体接触的是导轨端的棱角，引起的接触应力分布曲线如17所指，其最大值为σ_mb，这是一种破坏性很强的突变应力状态。

比较图9、图10，在相同滚动导轨结构，同等工作载荷的情况下，应力σ_ma＜σ_mb。一般σ_ma是一有限值，而σ_mb理论上可以认为是一无限值。综上所述本发明对接法可以有效地减弱接缝对导轨性能的不利影响，是一种性能优越的精密导轨对接方法。

另外，在本发明的装配操作中，由于榫头压入榫槽即可保证导轨段之间的正确关系。而不需对每个导轨段进行定位，因此装配简便且对操作者的技能要求较低。机械基础件安装导轨处的构造也可以简化。

由于本发明的对接钢导轨段1构造较复杂，形状和位置精度要求较高，且材质硬度高，因此传统的通用切削设备不适合用于加工本发明导轨段端部的加工。为此，本发明提供一种采用数控电火花线切割的加工方法，参见图8。

图8是采用数控电火花线切割技术加工本发明对接钢导轨段端部的示意图。图8中，1为正在加工中的对接钢导轨段、10为电极线、12、13为切割轨迹，其箭头指向为电极线的进给方向。8为本例滚动导轨的侧基准面，9为底基准面。箭头11表示数控电火花线切割机床工作台纵向运动坐标轴及其方向。

上述对接钢导轨段的制造过程包括下述几个步骤：

(1)按通常制造方法制造钢导轨段。如图8示例中1所表示的待加工件，它是一段符合通常规范的滚动导轨。仅在钢导轨段的长度方向留有榫头长度量(B+0.5Dmm)和2倍加工余量，一般，加工余量为2至10mm。该待加工件已经达到通常滚动钢导轨规范要求的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度和硬度。

(2)编制数控电火花线切割程序步骤。首先根据所设计的接头形状尺寸决定切割轨迹，再依具设备的编程规范进行程序编制，完成钢导轨段修形榫槽表面、榫头表面的数控电火花线切割程序。如图8的12、13所示轨迹的切割程序，需要说明的是说明，榫槽切割轨迹是修形榫槽轮廓所确定的轨迹，而不是原始榫槽轮廓所确定的轨迹。

(3)定位夹紧待加工件步骤。参照设备的操作规范，把待加工件装夹到数控线切割机床上。采用通用夹具和量具保证待加工件的侧基准面8和底基准面9长度方向与机床工作台纵向运动坐标轴平行。且对修形榫槽、榫头表面采用同一定位基准一次性装夹加工。对于钢导轨段的长度超出数控电火花线切割机床有效工作范围的情况，也可采用二次装夹加工，这种情况的加工精度不高于同一定位基准一次性装夹加工的精度。

(4)数控电火花线切割步骤。首先确定切割轨迹的起始位置，然后启动程序，其后，通过电极线10放电产生切割缝隙，用计算机控制工作台的运动轨迹切割出与设计轨迹12、13相一致的精密缝隙，由此进行修形榫槽、榫头表面的自动切割，从而完成钢导轨端部的加工。

(5)榫头棱边倒角步骤。利用电动或气动磨头对榫头棱进行倒角处理，例如0.8×30°。

(6)装配步骤。把相邻钢导轨段的榫头3与修形榫槽4轻压合依次首尾相接。然后，用螺钉把对接后的导轨连接在基础件上，同时保证导轨安装基准面与机械基础件对应表面贴和，最后把导轨固定。对于设计有定位销孔的导轨，需装配定位销钉。

根据上述，由于所述对接钢导轨段榫头及修形榫槽的加工，是以导轨的原有基准面8、9为定位基准一次性装夹加工，保证了导轨的原有工作面与所加工的榫头及修形榫槽表面之间的相互位置精度。

根据上述，由于该加工方法是无切削力加工，因此不存在传统加工方法中由于切削力产生的误差。

根据上述，由于运用数控线切割技术，利用其割缝补偿功能能够控制榫槽和榫头的尺寸偏差，因此可以使接触部位形成需要的配合性质，如零间隙配合、过盈配合等，由此保证对接处的预应力状态。

必须说明，所选数控电火花线切割机床的精度要满足精密机械钢导轨加工精度。

由于本发明预应力对接精密机械钢导轨具有对接构造，并采用精密数控电火花线切割技术加工，因此能保证得较高的对接精度，改善对接处的承载性能，且装配工艺性较好，能够制造超长精密机械钢导轨。此外，本发明加工方法不受工件材料硬度的限制，适用于高硬度导轨元件的制造。

根据上述可知，本发明预应力对接精密机械钢导轨优点在于：

a.两相邻钢导轨段对接处可以获得很高的对接精度。连接处的位置偏差取决于榫头、修形榫槽的加工精度，运用先进的精密数控线切割制造方法加工修形榫槽及榫头，经对接后，位置误差可达到0.010毫米以内。而且该方法的加工是无切削力条件下，端部表面一次性装卡完成加工，不会因切削力和加工基准转换产生误差。由此，较易获得较高的对接精度，而不依赖于钢导轨元件与机械基础件的装配方法和条件。

另外所述接头的配合性质可以预先设计，根据需要制造为零间隙配合或过盈配合，从而实现预应力装配，使该接头处在承受复杂载荷情况下仍具有保持精度的功能。因此能够避免一般拼接导轨因其拼接处位置误差不易保证的问题。

b.精密机械钢导轨对接处承载能力强。两对接钢导轨段对接后，其对接部位形成紧密连贯的接触面，构成两相邻导轨段准确紧密的嵌套结合。因此，在对接处存在预应力。载荷作用时可以避免接缝处应力突变。对于滚动导轨的对接具有重要意义。

c.装配工艺性好。榫头压入榫槽即保证了两段道轨之间的正确关系。不需要特殊的方法和工具。对装配作业条件和操作者的技能要求较低。装配方便性明显。

d.导轨硬度高。本发明预应力对接精密机械钢导轨由于采用数控电火花线切割加工，可以设计为高硬度导轨。因而精度保持性好，耐磨损，寿命长。

e.对接过程不降低原有导轨的性能。本专利对接构造的加工在无切削力常温下进行不会因切削力和热应力导致成品导轨元件的原有精度降低。

Claims (8)

1、一种预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，它包括两段或两段以上的钢导轨段对接而成，所述每一个用于对接的钢导轨段的构造包括条形本体、固定螺钉孔、端面、榫头和修形榫槽；所述修形榫槽开设于钢导轨段一端端部的中央位置，所述榫头设在钢导轨段的另一端部与修形榫槽对应的位置，并与相邻的另一钢导轨段的修形榫槽对接组成具有嵌合结构的预应力接头。

2、如权利要求1所述的预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，所述修形榫槽的方向与条形本体的长度方向垂直。

3、如权利要求1所述的预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，所述榫头的横截面形状与所述修形榫槽的原始横截面形状相同。

4、如权利要求1所述的预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，所述榫头的头部宽度尺寸大于其颈部宽度尺寸，而且，修形榫槽及榫头横截面图形的基准点到端面基准点的距离相等。

5、如权利要求1所述的预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，所述榫头和修形榫槽对接构造的配合为端面过盈配合。

6、如权利要求1所述的预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，所述修形榫槽是对原始轮廓进行修形，在对接处预留过盈量。

7、如权利要求1所述的预应力对接精密机械钢导轨，其特征是，所述接头的形状的原始轮廓包括矩形接头、燕尾形接头、对称形接头。

8、如权利要求1～7所述的预应力对接精密机械钢导轨的加工方法，其特征是它包括以下步骤：

(1)按常规制造方法制造钢导轨段，仅在钢导轨段的长度方向留有榫头长度量(B+0.5Dmm)和2倍加工余量，一般加工余量为2至10mm，以此作为待加工件，所述B为榫头横截面图形的基准点到端面的距离，所述D为榫头的头部宽度尺寸；

(2)编制数控电火花线切割程序步骤：首先根据设计的接头形状尺寸计算切割轨迹数据，再依据数控线切割设备的编程规范编制程序，由此完成对接钢导轨段修形榫槽表面、榫头表面的数控电火花线切割程序；

(3)定位夹紧待加工件步骤，参照机床的操作规范，把待加工钢导轨段装夹到数控线切割机床上，采用通用夹具保证钢导轨段的基准面长度方向与机床工作台纵向运动坐标轴方向平行且对端部表面采用同一定位基准一次性装夹加工；或对于钢导轨段的长度超出数控电火花线切割机床有效工作范围的情况时，采用二次装夹加工；

(4)数控电火花线切割步骤，首先确定切割轨迹的起始位置，然后启动程序，其后，通过电极线放电产生切割缝隙，由数控系统控制机床工作台的运动轨迹，切割出与设计轨迹相一致的精密缝隙，由此进行修形榫槽、榫头表面的自动切割，从而完成对接钢导轨端部的加工；

(5)榫头棱边倒角步骤，利用电动或气动磨头对榫头棱进行倒角处理；

(6)装配步骤，把相邻钢导轨段的榫头与修形榫槽轻压合依次首尾装配，实现对接，然后，用螺钉把对接后的钢导轨连接在基础件上，同时保证导轨安装基准面与机械基础件对应表面贴和，最后拧紧螺钉把导轨固定。

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