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1、数控机床结构与设计,6床身与导轨,6 床身与导轨,61 床身结构 611 对床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控 机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在以下4个方面提出了更高的要求。,卧式、平床身数控车床,1很高的精度和精度保持性,在床身上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位 置精度要求都很高，而且要能长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往 往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂
2、。为，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精，除满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等 方面的技术要求。,RPM快速成型机,2应具有足够的静、动刚度,静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达 到有较高的刚度一质量比。动刚度直接反映机床的动态特性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形 的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生的噪声。,床身式立式铣床,3较好的热稳定性,对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成了一个突出问题，必须在设计上要作
3、到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。,612 床身的结构,1床身结构 根据数控机床的类型不同，床身的结构形式有各种各样的形式。例如数控车床床身的结构 形式有平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身等四种类型，在数控车床一章中已作介绍，另外这种斜床身结构还能设计成封闭式断面，这样大大提高了床身的刚度，如图61所示。,图61 床身受力图,数控铣床，加工中心等这一类数控机床的床身结构与数控车床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般适用于中小型立式和卧式加工中心。而后者又分为整体T形床身和前后床身分开组装的T形床身。所谓T形床身是指床身是由横置的前床身(亦叫
4、横床身)和与它垂直的后床身(亦叫纵床身)组成。整体式床身，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大、中型机床的整体床身，制造时非得大型设备不可。,而分离式T形床身，铸造工艺性箱加工工艺性都大大改善。前后床身联接处要刮研，接时用定位键和专用定位销定位，然后沿截面四周，用大螺栓固紧。这样联接的床身，在刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。这种分离式T形床身适用于大；中型卧式加工中心。有辅助导轨的床身结构。由于床身导轨的跨距比较窄，致使工作台在横溜板上移动到达行程的两端时容易出现翘曲，如图62a所示，这将影响加工精度。为了避免工作台翘曲，有些立式加工中心增设了辅助导轨，
5、如图6-2b所示。,图6-2 立式加工中心床身导轨(a)有翘曲现象；(b)有辅助导轨 1一主轴箱；2一工件；3一工作台；4溜板：5一床身,2床身的截面形状,数控机床的床身通常为箱体结构，合理设计床身的截面形状及尺寸，采用合理布置的筋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。床身中常用的几种截面筋板布置如图63所示。此外，还有纵向筋板和横向筋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有显著效果；米字形筋板和井字形筋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形更高。床身筋板一般根据床身结构和载荷分布情况进行设，满足床身刚度和抗振性要求，V形筋有利于加强导轨支承部分的刚度、斜方筋和对角筋结构可明显增强床身的扭转
6、刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。,图63 床身截面筋板布置(a)V形筋，(b)斜方筋；(c)对角筋,数控机床刀具,613 床身的刚度,1筋板结构对床身刚度的影响 根据床身所受载荷性质的不同，床身刚度分为静刚度和动刚度。床身的静刚度直接影响机床的加工精度及其生产率。静刚度和固有频率，是影响动刚度的重要因素。合理设计床身的筋板结构，可提高床身的刚度。表6l列出了筋板布置对封闭式箱体结构刚度的影响数据。,数控机床厂生产车间,2箱体封砂结构,床身封砂结构是利用筋板隔成封闭箱体结构，如图64所示。将大件的泥芯留在铸件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高结构件的阻尼比，有明显的消振作用。提高床
7、身结构的静刚度，由刚度和质量的关系式K=m02(0为系统无阻尼振动时的固有频率)可以看出，增加质量m可以提高静刚度。对于焊接结构的床身，在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相对摩擦来耗散振动能量。封砂结构降低了床身的重心，有利于床身结构的稳定性，可提高床身的抗弯和抗扭刚度。,图6-4 铸造床身的封砂结构(a)旧结构(b)新结构,6.14 床身的结构设计,AG(人造花岗石)材质是一种新型休身材质，它除了具有好的阻尼性能(阻尼为灰铸铁的810倍)外，还具有尺寸稳定性好、抗腐蚀性强、制造成本低等优点，与灰铸铁比，它热容量大，热导率低，构件的热变形小；AG床身的后期加工量很少，这样可以
8、大大减少占用大型机床加工时间和加工成本，并能节约大量金屑，如一个磨床床身就可以节约90左右的金属材料。,图6-5 AG床身的结构形式(a)整体结构，(b)框架结构，(c)分块结构,6，2 贴塑滑动导轨设计,滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静库擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。除简易型数控机床外，在其它数控机床上已不采用，在数控机床上常用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有良好的摩擦性能及使用寿命长的特点，尤其是靼料导轨将有代替滚动导轨的趋势。,621 塑料导轨,常用的塑料导轨有聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两
9、类。1聚四氟乙烯(PTFE)导轨软带 聚四氟乙烯导轨软带是用于塑料导轨最成功的一种。这种导轨软带材质是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并作成软带状。这类导轨软带有美国(Shamban)公司生产的TurciteB导轨软带，Dixon公司的Rulon导轨软带，国内生产的TSF导轨软带，以及配套用DJ胶粘剂。TSF导轨软带的主要技术性能指标为:,相对密度 29 拉伸强度(kgfcm2)141 压缩变形(比压30Pa)总变形()09 永久变形()05 磨损系数(cm3rainMPamh)5610-9 比磨损率(mm3MPakm)9410-5 极限PV值(MPammin-
10、1)300,表6-2 SKC3主要技术指标,622 导轨结构,1导轨的类型 导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。滑动导轨的横截面形状，如图6-11所示。(1)山形与V形截面 如图611a所示，这种截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下 沉自动补偿。下导轨用凸形有利于排污物，但不易保存油液，如用于车床；下导轨用凹形则相反，如用于磨床顶角一般为90度。,图6-11 滑动导轨的截面形状(a)山形与V形；(b)矩形；(c)圆柱形，(d)平面环形，(e)圆锥形环形，(f)燕尾形,2 导轨的间隙调整机构,为保证导轨的正常运
11、动，运动件与承导件之间应保持适当的间隙。间隙过小会增加摩擦力，使运动不灵活；间隙过大，会使导向精度降低。调整的方法有：(1)采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获取适当的间隙。(2)镶条调整，这是侧向间隙常用的调整方法，镶条有直镶条和斜镶条两种。具体结构及调 整方法详见表63和表64。,表6-3 圆柱导轨的间隙调整装置,623贴塑导轨设计,1 受力分析(1)确定作用力的方向的作用点位置 在设计导轨时，必须合理安置作用力的方向和作用点的位置，以便使导轨的倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨面的摩擦力增大、磨损加剧，从而降低导轨的运动灵活性和导向精度。严重时甚至还可能使导轨卡死，不能正常工作。,作用
12、在运动件上的推力有三种情况：推力通过运动件的轴线。推力作用点在运动件的轴线上，推力方向与轴线成一夹角口。推力平行于运动件的轴线。对于第一种情况，导轨中的摩擦力只受到载荷及运动件本身重量的影响，推力不全产生附加的摩擦力。所以，设计时应力求符合这种情况。然而，由于结构上限制，在实际机构中往往出现第二、三种情况条件下，确定各部分的几何尺寸。推力F运动件轴线成一夹角口，如图6-12a所示。,图6-12 导轨计算图(a)一推力F与运动轴线成一夹角：(b)一推力F平行于运动轴线且与轴线相距h,624 导轨的材料,塑料导轨常用在导轨副的动导轨上，与其相配的金属导轨有铸铁和镶钢两种，组成铸铁一 塑料导轨副或镶
13、钢一塑料导轨副。其中：铸铁主要是耐磨铸铁、灰铸铁等，典型的牌号有 HT3054，HT300，MTCulPTi150等。表面淬火硬度一般为HRC4555，淬火层深度规定经磨削后应保留101.5mm。镶钢导轨的材料有55、T10A、GCrl5、38CrMoAl、CrWMn等。一般采用中频淬火或渗氮淬火方式，淬火硬度为HRC5862，渗氮层厚度为05mm。,63 液体静压导轨设计,静压导轨是指在两个相对运动的导轨面之间通入具有一定压力的润滑油以后，使动导轨 微微抬起，在导轨面间充满润滑油所形成的油膜，保证导轨面间在液体摩擦状态下工作。工作 过程中，导轨面上油腔的油压随外加载荷的变化自动调节。静压导轨
14、与其它形式的导轨相比，其工作寿命长，摩擦系数极低(约为00005)，速度变化和载荷变化对液体膜的刚性影响小，有很强的吸振性，导轨运行平稳，无爬行。在高精度、高效率的大型、重型数控机床上应用越来越多。,6.31 静压导轨的结构,按静压导轨的结构形式可分为两大类。开式静压导轨和闭式静压导轨两类。按供油方式可分为恒压供油和恒流供油两类。1开式静压导轨是指不能限制工作台从导轨上分离的静压导轨，如图613所示，这种导轨的载荷总是指向导轨，不能承受相反方向的载荷，并且不易达到很高的刚性。这种静压导轨用于运动速度比较低的重型机床。,632 油腔结构,1 油腔的形状和尺寸 导轨油腔的形状一般有矩形油腔和油槽形
15、油腔，其中油槽形油腔包括下直油槽形油腔、二字形油槽腔和三字形油槽腔，如图615所示。不管油腔的形状如何，只要支座的L、B和油腔l、b相等，各种形状的油腔具有相同的承载面积。油腔尺寸一般要按导轨宽度(B)选择，见表65。,633 导轨间隙和节流形式,1导轨间隙静压导轨的间隙代表了润滑油膜的厚度，间隙越大，流量越大，则刚性减少，且导轨容易出现漂移。导轨的间隙小，流量也小，刚性增大。但是导轨间隙受到导轨几何精度、零部件刚性以及最小节流器最小尺寸的限制，所以导轨间隙不能取得太小。对于中小型机床和机械设备，空载时的导轨间隙一般取 A。：0010025mm 对于大型机床和机械设备，空载时的导轨间隙一般取
16、A。：003008mm,634 导轨承载能力,1开式液体静压导轨(1)导轨的承载能力 F=AeFi式中 F一个油腔承受的载荷F=G+G1+F1，其中G为一个油腔承受的工件台重力，G1为一个油腔承受的工件重力，F1一个油腔承受的切削力及其它外力。F1受载荷后的油腔压力，Ae一个油腔的有效承载面积。,64 滚动导轨设计,滚动导轨的优点是摩擦系数小于0005，静、动摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。数控机床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。常用的有直线导轨副和滚动导轨块。直线导轨副一般用滚珠作滚动体，滚动导轨块用滚子作滚动体.,641 直线滚动导轨副,直线滚动导轻副包括导轨条
17、和滑块两部分组成。导轨条通常为两根，装在对撑件上，见图621所示。每根导轨上有2个滑块，固定在移动件动导轨体上。如果动导轨体较长，也可以在厂个导轨条上装3个滑块。如果动导轨体较宽，可采用3根导轨。,图6-21 直线滚动导轨副的配置 1一导轨条，2一动导轨体，3一滑块,图6-22 直线滚动导轨 l滚珠；2一回珠孔；3、8一密封点；4一端面挡板，5一滑块；6一油嘴；7一导轨条,滑块顶面中心对导轨基准底面的平行度(见图6-23a)。与导轨基准同侧的滑块侧面对导轨基准侧面的平行度(见图623a)。滑块上顶面与导轨基准底面之间高度H的极限偏差(见图63b)。当安装多个滑块时，还要检测片的变动量与导轨基准
18、侧面同侧滑块侧面与导轨基准侧面间距离，的极限偏差(见图623c)。,642滚动导轨块,滚动导轨块用滚子作滚动体；所以承载能力和刚度都比直线滚动导轨高，但摩擦系数略大。滚动导轨块的结构见图624目前应用较多的滚动导轨块有HJGK和6192型两种系列，有专业厂生产，可以外购。但与滚动导轨块相配的支承导轨是不能外购的。,4一滚动体；5一支承导轨；6、7一带反回挡槽板l一固定螺钉；2一导轨块；3一动导轨体；图6-24 滚动导轨块,643 滚动导轨设计计算,滚动导轨的设计，主要是根据导轨的工作条件，选择直线滚动导轨或滚动导轨块的型号、数量，并进行合理的配置。首先要计算直线滚动导轨或滚动导轨块的受力。再根
19、据导轨的工作条件和寿命要求计算动载荷。依此选择直线滚动导轨或滚动导轨块的型号；或者根据导轨的工作条件，选择直线滚动导轨或滚动导轨块，再验算寿命是否符合要求。,图6-26 滚动导轨受力分析,2直线运动滚动支承的计算,滚动支承计算与滚动轴承计算相仿，以在一定的载荷下运行一定距离，90尹d的支承不发生点蚀为依据。这个载荷就称为额定动载荷。运行的距离，就称为支承的额定寿命，对于用滚珠 的直线滚动导轨，额定寿命为50km；用圆柱滚子的滚动导轨块，额定寿命为100km。滚动导轨支承的预期寿命，除与额定动载荷和导轨的实际外(工作)载荷有关外，还与导轨的硬度、滑块 部分的工作温度和每根导轨上的滑块数目有关。,
20、图627 载荷谱图,651 导轨的油润滑,数控机床的导轨采用集中供油，自动点滴式润滑。国产润滑设备XHZ系列稀油集中润滑装置。该装置是由定量润滑泵、进回油精密滤油器、液位检测器、进给油检测器、压力继电器、递进分油器及油箱组成。对导轨面进行定时定量供油。,652 导轨的固体润滑,固体润滑是将固体润滑剂覆盖在导轨的摩擦表面上，形成粘结型固体润滑膜，以降低摩擦，减少磨损。固体润滑剂种类较多，按基本原料可分为金屑类、金属化合物类、无机物类和有机物类。在润滑油脂中添加固态润滑剂粉末，增强或改善润滑油脂的承载能力、时效性能和高低温性能。,653导轨的防护,导轨的防护是防止或减少导轨副磨损，延长导轨寿命的重
21、要方法之一，对数控机床显得更 重要。防护装置已有专门工厂生产，可以外购。导轨的防护方法很多，有刮板式、卷帘式、伸缩式(包括软式皮腔式和叠式层)等，对数控机 床，大都采用叠层式防护罩。图628所示为一种叠层式防护罩，随着导轨的移动可以伸缩。有 低速(12mmin)、中速(30mmin)等。图示符号代表的结构尺寸项目及其尺寸可按表68填 写。,图628 机床导轨防护罩,66 导轨的超音频加热淬火,感应加热按频率可分为高频、超音频、中频和工频四种，超音频加热是继高频之后发展起来的，主要应用于床身导轨加热淬火工艺。根据床身的使用条件，并考虑到淬火产生的变形，床身必须经过磨削加工后才能装配使用，一般要求
22、淬硬层深度不小于2mm。,661 加热原理,感应加热时，由于集肤效应，感应电流在工件内的分布是不均匀的，电流密度随深度的增加而减少。通常把电流密度降低到表面电流密度的127处的深度称为热透深度。在快速加热条件下，当淬硬层的深度小于热透深度时，温度的分布非常理想，热效率也可提高30%40%。,662 导轨原始状态的要求,床身导轨材质为铸铁HT300，原始硬度(HB)180，要求原始组织由细片状石墨组成，珠光体量应大于90%，石墨长度应为150200m，游离铁素体量小于5%，允许有少量磷共晶，但不得有自由炭化铁存在，导轨表面不允许有气孔、砂眼、疏松和裂纹，表面粗糙度应小于只，63.导轨必须平直，否
23、则会造成淬火质量的不均匀。,663 淬火设备,超音频加热设备由超音频电源和感应器组成。以SPl00-C3型超音频加热设备为例，对山 形导轨进行淬火，如图629所示，感应器用 12mm、7mm紫铜管加工制造，其轮廓与导轨相 似，采用浮动结构保证感应器与导轨面的距离不变。,图629 导轨淬火感应器间隙,664工艺参数,采用高频加热淬火时，床身的翘曲变形较大。为减少变形量，高频加热淬火时采用了床腹预变形淬火。从表610可以看出，超音频所用的电参数相近，因超音频不需床腹预变形淬火，因此超音频的淬火效率比高频提高约一倍。,665 床身导轨超音频加热淬火的优点,(1)具有合适的电流频率，淬火可获得优良的淬火组织和较理想的淬硬层(23)mm，磨 削后仍有足够深的淬硬层，提高了床身的使用寿命。(2)在需淬硬的加热层内温度分布比较均匀；该加热层与内层之间的热过渡区温度梯度 大，热能利用率高；不需床腹预变形淬火，因此淬火效率提高约一倍。(3)硬度均匀，软带、软点少。,6 复习思考题,1设计导轨时应解决哪些问题?2导轨副的材料应如何选配?3提高机床支承刚度从结构上考虑，主要有哪些措施?4塑料导轨有何特点?5静压导轨的节流形式有哪几种?各适用于什么场合?6静压导轨和滚动导轨各有何特点?各适用于什么场合?,
