第五章 数控机床支承及导轨

数控机床机械结构第五章数控机床支承及导轨第一节支承件基本要求一、支承件基本要求足够的刚度支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的能力称刚度。——前者称静刚度，取决于支承件本身结构刚度和联结接触刚度。——后者称动刚度，不但与静刚度有关，还与支承系统阻尼、固有频率等有关。良好的抗振性即抵抗受迫振动和自激振动的能力。较小的热变形和内应力精度保持性，精密机床尤其重要。良好的工艺性、排屑性等。二、支承件刚度☞支承件自身刚度支承件抵抗自身变形的能力，主要指支承件的弯曲刚度与扭转刚度。决定以支承件材料、结构形状、几何尺寸及肋板布置等。☞提高支承件自身刚度措施正确选择支承件截面形状和尺寸。圆抗扭，方抗弯，同截面空心刚度大，封闭截面刚度大。合理布置肋板(隔板)和肋条(加强肋)，纵肋抗弯，横肋抗扭，斜肋抗弯抗扭。纵肋布在弯曲平面内。合理开孔和加盖。开孔将降低刚度，特别是扭转刚度。加盖紧固可一定程度恢复刚度。☞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。支承件连接刚度与连接处材料、几何形状、尺寸有关。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。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。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。紧固螺钉布置在拉伸侧，可以提高抗弯刚度。紧固螺钉四周均布，可以提高抗扭刚度。三、支承件抗振性☞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。☞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。☞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。调整固有频率使远离干扰频率。一般振源频率较低，故采用增加刚度或减少质量提高固有频率。采用减振器四、支承件热变形特性☞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。☞热变形温度变化导致热胀冷缩，引起机床变形。☞改善热变形特性措施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。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。采用热对称结构减少变形对精度的影响。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二、支承件材料☞铸铁铸造性能好，容易获得复杂结构件，阻尼大，振动衰减性能好，成本低。但周期长，容易产生铸造缺陷。如HT196、HT147、HT98。☞钢采用钢板、型钢焊接，生产周期短，不受截面形状限制，便于加肋提高刚度，同刚度壁厚小，重量轻，固有频率高。☞混凝土混凝土加钢筋及短纤维材料。☞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：支承和引导运动部件沿一定轨道运动。☞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。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：开式导轨和闭式导轨。☞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。滑动导轨截面形状矩形导轨三角形导轨燕尾导轨圆导轨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双矩组合三——矩(平)组合平—三—平导轨选择原则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第五节滚动导轨结构特点与按装一、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。☞耐磨性高，磨损小，精度保持性好，寿命长。☞润滑系统简单，维护方便。☞结构复杂，制造困难。接触面积小，抗振性较差。对脏、杂物较敏感，防护要求高。☞广泛应用于高速、高定位精度、高灵敏度、微动机构等场合。滚动导轨预紧☞预紧目的：消除间隙，提高刚度。☞预紧方法过盈配合预紧：预加载荷大于外载荷，一般产生2～3μm的过盈量。调整预紧：利用螺钉、弹簧或斜块来移动导轨从而实现预紧。第六节动压导轨与静压导轨一、动压导轨原理与应用☞动压导轨工作原理：借助导轨面间的相对运动形成压力油楔将导轨微微抬起，使导轨面间充满润滑油形成的高压油膜将导轨面隔离，形成液体摩擦条件，提高导轨耐磨性。☞形成压力油隙的条件：一定的相对运动速度，油腔沿运动方向的间隙逐渐减小。相对速度越高，承载力越大。☞动压导轨的应用：运动速度高的主运动导轨。二、静压导轨原理与应用☞静压导轨工作原理：将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜将相互接触的导轨面隔开，形成液体摩擦条件，提高导轨耐磨性。☞静压导轨的特点摩擦系数小，机械效率高，可长期保持导轨精度。承载油膜吸振性好，低速不易爬行。结构复杂，且需要一套专门的供油系统。☞静压导轨类型：开式静压导轨，闭式静压导轨。☞静压导轨的应用：精密机床主运动导轨。第七节提高导轨耐磨性和寿命的措施一、合理选择材料与热处理☞铸铁导轨：如HT300、HT200等。高频感应淬火或电接触淬火48～55HRC，1.5～3mm深，提高耐磨性2倍。孕育铸铁高磷铸铁等进一步提高耐磨性。☞镶钢导轨：碳素钢或合金钢淬火导轨抗磨粒磨损能力较灰铸铁高3～5倍。通过焊接或紧固镶装于床身。☞塑料导轨摩擦系数低，抗咬合磨损能力强，低速不易爬行，加工工艺性好，化学稳定性好，成本低。刚度低，承载力低，导热性差。适合一般精度机床及维修场合。☞有色金属导轨：重型机床主要移动部件导轨采用。二、改变导轨摩擦性质☞动压和静压导轨相对运动时配合面不接触可避免磨损。☞滚动导轨变滑动摩擦为滚动摩擦，摩擦系数小，磨损减缓。三、采用合理的导轨表面粗糙度和加工方法☞导轨表面粗糙度一般Ra0.8以下，但也不必过高。☞精刨刀纹方向性明显，表面疏松，易咬合，耐磨性差。☞磨削加工生产率高，表面品质好，耐磨性好。☞刮研精度高，接触均匀，易储油，不易咬合，耐磨性好。四、合理的结构参数☞增加支承面积可减小导轨面压强，从而减少磨损。☞导轨面形状尺寸尽可能对集中载荷对称，尽量减少转矩、颠覆力矩，保证足够的刚度，使导轨面压强分布尽可能均匀，从而使磨损均匀，以减少对精度的影响。五、采取可靠的润滑防护措施☞导轨润滑的作用：降低摩擦系数，减少磨损，防锈。☞润滑剂：润滑油(滑动或滚动导轨)和润滑脂(滚动导轨)。☞润滑方式人工定期润滑润滑系统自动连续或间隙定量润滑☞润滑油：粘度小，润滑性能好，油膜刚度高，清洁，不浸蚀机件。L-AN10、15、32，精密机床导轨油L-HG68，汽轮机油L-TSA32、46等。