第八章 数控机床支承及导轨

现代数控机床第八章数控机床支承及导轨一、概述机床支承件主要指床身、立柱、横梁、底座等大件。支撑件的作用支承零部件并保证它们的相互位置及承受各种作用力。如重力、切削力、摩擦力、夹紧力和惯性力等。支承件不仅支承着主轴箱、进给箱溜板箱刀架和中心架等部件而且其导轨起主要的导向定位作用，保证各部件的相互位置和运动。第一节数控机床支承件基本要求二、对支承件的基本要求1.高的精度及精度保持性床身上进给部件导轨面有高精度要求，并要长时间保持。2.足够的动、静刚度支承件刚度是指支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度，静刚度取决于支承件本身的结构刚度和接触刚度。后者称为动刚度。动刚度不仅与静刚度有关，而且与支承件系统的阻尼等有关。支承件要有足够的刚度，即在外载荷作用下，变形量不得超过允许值。3.良好的抗振性支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。机床在切削加工时产生振动，将会影响加工质量和刀具的寿命，影响机床的生产率。振动常常是机床噪声的主要原因，支承件应具有足够的抗振性。4.很好的热稳定性较小的热变形和内应力支承件应具有较小的热变形和内应力，对精密机床更为重要。5.有良好的工艺性、排屑性。三、支承件的刚度1.支承件的自身刚度抵抗支承件自身变形的能力称为支承件的自身刚度。主要包括弯曲刚度和扭转刚度。为提高支承件自身刚度应采取以下措施：1）正确选择支承件的截面形状和尺寸；同一材料在截面积相等而形状不同时，截面惯性矩差距很大,合理选择截面形状可提高支承件本身刚度。（1）圆形截面的抗扭刚度比方形的大，方形截面的抗弯刚度比圆形的大。同样环形截面的抗扭刚度比方框形的大，抗弯刚度小于后者。（2）空心截面的刚度比实心的大，因此床身截面应做成中空形状。（3）保持截面积不变而加大外廓尺寸，减小壁厚，可提高其截面抗弯、抗扭刚度。（4）封闭截面比不封闭的截面刚度大。（5）工字形截面梁的抗弯刚度最好，但抗扭刚度极低，只宜用于承受单纯弯曲载荷的大件。2）合理布局肋板与肋条肋板是在支承件两外壁之间起连接作用的内壁。分为横向肋板、纵向肋板和斜向肋板。纵向肋板的作用是提高抗弯刚度，横向肋板的作用是提高抗扭刚度，斜向肋板的作用是提高抗弯和抗扭刚度。a图为T形肋板连接，主要提高水平面抗弯刚度，多用在刚度要求不高的床身上，结构简单，铸造工艺性好。b为门形肋板连接，在垂直和水平面内抗弯刚度比a好，铸造工艺性好，多用在大中型车床；c为W形，能较大地提高水平面内的抗弯和抗扭刚度，对长床身效果显著。3）合理开孔和加盖在受载壁板中，孔的边缘会出现一个高应力区，对刚度影响很明显，特别是抗扭刚度。试验证明，扭转时孔对刚度的影响与孔形有关，以棱形孔最好，圆形孔次之，最差的为矩形孔。可在开孔处加盖并拧紧螺钉，将抗弯刚度恢复到接近未开孔的程度，其抗扭刚度可恢复到原来的35%-41%。2.支承件连接刚度和局部刚度抵抗支承件连接处变形的能力称为支承件连接刚度。1）支承件连接刚度与连接处材料、几何形状、尺寸有关。2）支承件连接刚度与连接表面粗糙度、接触面硬度、几何精度、加工方法等有关。3）支承件连接刚度与连接件(螺钉)刚度，支承件连接处结构刚度及接触刚度等有关。4）提高表面粗糙度，重要结合面采用刮研等可以提高接触刚度。5）支承件连接刚度与连接件(螺钉)刚度，支承件连紧固螺钉布置在拉伸侧，可以提高抗弯刚度。6）紧固螺钉四周均布，可以提高抗扭刚度。3.支承件抗振性1）支承件抗振性即要求支承件具有较高的阻抗或动刚度，使得在一定幅值周期性激振力作用下，振幅较小。2）固有频率共振问题当外界激振力的频率与固有频率一致时，振幅将激增，即产生共振。3）提高抗振性措施——提高动刚度提高静刚度增加阻尼采用铸铁材料，保留铸造型心，采用阻尼性焊接结构，灌注混凝土，喷涂阻尼材料。选用焊接结构的构件，改善构件的材料性能，提高构件刚度。调整固有频率使远离干扰频率。一般振源频率较低，故采用增加刚度或增加质量提高固有频率。采用减振器4.支承件热变形特性1）热平衡机床工作时将产生热量，同时又散发热量。当单位时间内的发热量等于散热量时，即为热平衡。达到热平衡后，机床温度保持不变。2）热变形温度变化导致热胀冷缩，引起机床变形。3）改善热变形特性措施（1）散热、隔热：散热结构设计、风扇、冷却器加快散热，对热源加隔热罩，将热源移出主机。（2）均衡温度场：采用风导流、导油沟等使热量在机床各部均衡，从而减少变形。（3）采用热对称结构减少变形对精度的影响。（4）恒温控制——空调、冷水机。高精度机床采用。磨床床身温度场均恒措施5.采取补偿构件变形的结构措施预知构件的变形规律，采取相应措施补偿变形，消除变形影响。一、形状和尺寸的确定1.数控车床的床身结构a.为前、后、顶三面封闭的卧式机床的箱形床身。为排屑，在导轨间开有倾斜窗口，此种截面容易了铸造，但刚度较低。b.为前、后、底三面封闭床身，床身内空间可用于储存润滑油和切削液，小载荷卧式床身常采用这种形式，如磨床。第二节支承件的结构设计c.为二面封闭的床身，刚度较低，但便于排屑相冷却液的流通，用于刚度要求不高的小型车床。d.重型机床的导轨可多达4—5个。e.数控车床斜床身结构采用封闭式箱型结构，提高刚度；在床身底部或内腔中填充泥芯或混凝土材料，提高阻尼，减少振动。立柱可看作是立式床身，其截面有圆形相方形，如e、f、g、h。承受弯矩为主的立柱采用矩形．其中B为宽度，H为高度，立柱和组合机床截面为H／B＝2—3，h示为立柱内有肋板。抗弯刚度高，用于立式车床、龙门刨床。对于受扭矩为主的支承件应采用圆形截面，如钻床。此时外表面起导轨作用，如e。对既受弯矩又受扭矩的支承件应采用近似方形的截面，如f。2.加工中心的支承件结构二、支承件材料的选择1.铸铁一般支承件用铸铁。灰铸铁材料易于铸造，切削加工性好，制造成本低，并具有良好的耐磨性和减振性，它适用于润滑和防护条件好、载荷不大需要刮研加工导轨的普通机床上。可在铸铁中加入少量合金元素提高其耐磨性。但铸件制造周期长，易产生疏松气孔和裂纹等铸造缺陷。常用材料：HT100、150、200、250、3002.钢焊接性好，生产周期短，结构复杂、刚度大、精度高。3.混凝土其弹性模量和强度比铸铁和钢低很多，但材料内阻尼5倍于铸铁15倍于钢材，其体膨胀系数也较钢材和铸铁低。适宜做大件金属壳体内的充填材料。环氧树脂混凝土。降低机床重心，提高机床稳定性。4.铸件、焊接件应时效处理消除内应力以稳定精度。三、支承件结构工艺性☞毛坯制造工艺性：铸、焊工艺性。☞机械加工工艺性：定位基准、夹紧、加工面。☞吊装、运输等。第三节机床导轨基本要求与类型一、导轨概念☞导轨：支承和引导部件沿一定轨迹准确道运动，或起夹紧定位作用的轨道。☞动导轨：导轨副中运动的一方即动导轨。☞支承导轨：导轨副中静止的一方即支承导轨。支承导轨的基本功能为承载体的运动导向；为承载体提供光滑的运动表面；将机床切削加工产生的力传到地基或床身上。二、导轨的基本要求☞导向精度高即动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度高。☞耐磨、精度保持性好、寿命长。☞足够的刚度保证在载荷作用下不产生过大变形，从而保证各部件间的动态相对位置和导向精度。☞低速平稳性好低速运动时动导轨容易产生爬行，从而影响加工质量。☞良好的工艺性在满足要求前提下，力求结构简单，制造、调整、维修方便，经济性好。三、导轨的磨损与失效☞硬粒磨损由外界硬粒及摩擦面微观不平凸峰在导轨面产生机械划伤沟痕而破坏导轨面。☞咬合和热焊分子吸附冷焊、摩擦热焊后的运动撕裂破坏。☞疲劳和压馈导轨面反复过载形成疲劳点，导致塑性变形，表面产生龟裂和剥落而出现凹坑。是导轨失效的主要原因。四、导轨的基本类型☞按运动轨迹分：直线运动导轨和回转运动导轨。☞按工作性质分：主运动导轨、进给运动导轨和调整导轨。☞按受力情况分：开式导轨、闭式导轨、镶装导轨。☞按摩擦性质分滑动导轨两导轨工作面间为滑动摩擦性质。——混合摩擦导轨液体摩擦与干摩擦兼有。——液体静压导轨纯液体摩擦，适于进给运动。——液体动压导轨纯液体摩擦，适于主运动。滚动导轨两导轨工作面间为滚动摩擦性质。第四节滑动导轨结构特点与调整一、滑动导轨的特点与应用☞摩擦系数大，磨损快，使用寿命短，低速易爬行。☞结构简单，工艺性好，刚度高，精度容易保证。☞广泛应用于低速均匀性及定位精度等要求不高的场合。二、滑动导轨截面形状1.矩形导轨：工艺性好，刚度高，承载能力大，安装调整方便，磨损后间隙不能自动补偿，需要采用间隙调整装置，适合于大载荷且导向精度不高的机床。2.三角形导轨：磨损后间隙能自动补偿，导向精度高。一般三角形顶角为90º，顶角越大，承载力越大，但导向精度降低。精密机床可采用小于90º的顶角，以提高导向精度。3.燕尾导轨：工艺性较差，刚度低，承载能力差，磨损后间隙不能自动补偿，需要采用间隙调整装置，但高度低。燕尾夹角55º。4.圆导轨：工艺性好，刚度高，磨损后间隙调整困难。适合于受轴向载荷的场合，如压力机、珩磨机、机械手等。三、滑动导轨截面形状组合组合依据：载荷、导向精度、工艺性、润滑防护等双三角组合：磨损后能自动补偿间隙，导向精度高，工艺性差。高精度机床采用，如坐标镗，丝杆车床等。双矩组合：工艺性好，承载力强，导向精度低。侧导向需设调整镶条，还需设置压板，呈闭式。常用于普通精度机床。三——矩(平)组合：磨损后能自动补偿间隙，导向精度高，工艺性较好，但热变形使滑板水平偏移而影响部件位置精度，两导轨磨损不匀。常用于车床、磨床、精度密镗床等。平—三—平：重型机床为了减少工作台中间扰度，采用三导轨组合，三角导轨主要起导向作用，平导轨主要起承载作用。四、滑动导轨选择原则对刚度和承载力要求较高时选择矩形导轨，中小型机床采用三——矩组合，重型机床采用双矩组合。对导向精度要求较高时选择三角形导轨。三角形导轨工作面同时起支承和导向作用，磨损后能自动补偿间隙，通过合理布置可减少或消除对精度的影响。矩形和圆形导轨工艺性好，制造检验方便，在满足要求的前提下尽可能选用。燕尾导轨工艺性差，刚性和导向精度均不高，但结构紧凑，高度尺寸小，适合于高度尺寸受限制的场合五、滑动导轨间隙调整为保证导轨的正常运动，动导轨与固定导轨之间要保证适当的间隙。采用磨、刮相应接合面或加垫片的方法，获得相应的间隙；镶条调整，调整间隙的常用方法滑动导轨间隙的调整压板镶条六、镶装导轨结构1.镶装导轨的作用1）提高导轨耐磨性或改善其摩擦特性2）采用焊接结构时，钢导轨用焊接方法，铸铁导轨用镶装方法3）修理时便于迅速更换已磨损的导轨2.镶装导轨的联接1）机械镶装方法；2）粘结方法。镶装导轨粘结法如图，用冷轧硬化的钢带作为导轨工作面，主要用在铸造床身上的固定导轨上。图a为螺钉压板镶装工艺，先把钢带绷紧在床身导轨面上，再用压板压紧并用螺钉固定。图b是粘接工艺，当压紧钢带时，粘接剂使钢带牢固粘在铸铁导轨面上。七、塑料导轨定义：塑料导轨，是指床身仍是金属导轨，它只是在运动导轨面上贴一层、或涂敷一层耐磨塑料制品。也称贴塑料导轨。1.采用塑料导轨的主要目的1）克服金属滑动导轨摩擦因数大、磨损快、低速容易产生爬行和手动操作时手感重等缺点。2）保护与其对磨得金属导轨面的精度和延长其使用寿命。塑料导轨一般用在机床滑动导轨副中较短的导轨面上，如工作台、溜板和滑座等运动部件的导轨、压板和镶条上，床身和底座上的长导轨，仍为金属导轨面。2.常用塑料导轨的类型1）填充聚四氟乙烯导轨软带—贴塑导轨是一种优良的自润滑导轨材料，能有效防止低速爬行，保持良好的运动平稳性，具有摩擦性能好、耐磨性好、减振性好、工艺性好、生产成本较低等特点。2）环氧抗磨涂层—注塑导轨是以环氧树脂和我二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成液状或膏状为一组份和固化剂为另一组份的双组份的塑料涂层。特点有良好的摩擦特性和耐磨性；涂层使用工艺简单。第五节滚动导轨结构特点与安装一、滚动导轨的特点与应用☞摩擦系数低，运动灵敏度高，低速不爬行。☞摩擦功耗小，移动轻便。☞定位精度远高于滑动导轨。☞耐磨性