支承件及导轨设计

第三章金属切削机床设计3.7支承件设计一、支承件的功能和应满足的基本要求二、支承件的结构设计三、支承件的材料四、提高支承件结构性能的措施第三章金属切削机床设计3.7.1支承件的功能和应满足的基本要求机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件。支承件应满足的基本要求：（1）应具有足够的刚度和较高的刚度——质量比（2）应具有良好的动态特性，各阶频率不致引起结构共振（3）热稳定好（4）排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性第三章金属切削机床设计3.7.2支承件的结构设计（一）机床的类型、布局和支承件的形状机床的类型可分为三类：中小型机床、精密和高精密机床、大型和重型机床机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。中型卧式车床采用前倾车身、前倾托板布局形式较多，优点是排屑方便，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。支承件的基本形状：箱形类、板块类、梁类支承件结构参考图课外资料第三章金属切削机床设计3.7.2支承件的结构设计（二）支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：（1）空心截面的刚度都比实心的大（2）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低（3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度机床床身截面图第三章金属切削机床设计3.7.2支承件的结构设计（三）支承件筋板和筋条的布置筋板是指连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。布置方式：水平、垂直、斜向。一般将筋条配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。筋条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列。肋条布置、局部增设肋条（四）合理选择支承件的壁厚为减轻机床重量，比后应尽可能选的薄些。焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。第三章金属切削机床设计3.7.3支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。（一）铸铁：铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。要进行时效处理，以消除内应力。（二）钢板焊接结构：制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻。（三）预应力钢筋混凝土：抗振性好，成本低。（四）天然花岗岩：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。第三章金属切削机床设计3.7.3支承件的材料（五）树脂混凝土：刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能。床身结构形式：整体结构形式分块结构形式框架结构形式第三章金属切削机床设计3.7.4提高支承件结构性能的材料措施（一）提高支承件的静刚度和固有频率：提高支承件的静刚度和固有频率主要方法是根据支承件受力情况合理的选择支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理的布置肋板和肋条，以提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。第三章金属切削机床设计3.7.4提高支承件结构性能的材料措施（二）提高动态特性：（1）改善阻尼特性：对于铸件支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼材料，可以起到减振作用。对焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用结合面间的摩擦阻尼来减小振动。（即分段焊缝可增大阻尼）。或者采用阻尼涂层。封砂结构床身、悬梁的阻尼（2）采用新材料制造支承件：刚性高、抗振性好，热变形小、耐化学腐蚀第三章金属切削机床设计3.7.4提高支承件结构性能的材料措施（三）提高热稳定性：主要方法有：（1）控制温升：采用分离或隔绝热源方法（2）采用热对称结构：所谓热对称结构是指在发生热变形时，其工件或刀具回转中心线的位置基本保持不变，因而减小了对加工精度的影响。（3）采用热补偿装置：采用热补偿装置的基本方法是在热变形的相反方向上采取措施，产生相应的反方向热变形，使两者之间影响互相抵消，减少综合热变形。第三章金属切削机床设计3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整三、导轨的结构类型及特点四、提高道轨精度、刚度和耐磨性的措施第三章金属切削机床设计3.8.1导轨的功用和应满足的基本要求（一）导轨的功用和分类导轨的功用是承受载荷和导向。导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨。（二）导轨应满足的要求：导轨应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等要求。下面的五个要求尤为突出：导向精度；承载能力大，刚度好；精度保持性好；低速运动平稳；结构简单、工艺性好导轨要求结构简单，易于加工。第三章金属切削机床设计3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（一）直线导轨的截面形状直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。（1）矩形导轨：承载能力大、刚度高、制造简单、检验和维修方便等优点。适于载荷较大而导向要求略低的机床。（2）三角形导轨：磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种。第三章金属切削机床设计3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（一）直线导轨的截面形状（3）燕尾形导轨：承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚度性较差，加工检验维修都不大方便。适于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。（4）圆柱形导轨：制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。第三章金属切削机床设计3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（二）回转运动导轨的截面形状回转运动导轨的截面形状有三种：平面环形、锥面环形和双锥面导轨。（1）平面环形导轨：结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力，但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受经向载荷。（2）锥面环形导轨：除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比平面环形好，但制造较困难。（3）双锥面导轨：能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠覆力矩，制造研磨均较困难。第三章金属切削机床设计3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（三）导轨的组合形式机床导轨主要有如下的组合：（1）双三角形导轨：不需要鑲条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但工艺性差，加工、检验和维修都不方便。（2）双矩形导轨：承载能力大、制造简单。导向方式有两种——宽式组合和窄式组合。（3）矩形和三角形导轨的组合：导向性好，刚性高，制造方便，应用最广。（4）矩形和燕尾形导轨的组合：能承受较大力矩,调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。第三章金属切削机床设计3.8.2导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（四）导轨间隙的调整导轨面间的间隙对机床工作性能有直接影响，如果间隙过大，经影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快。因此必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整，导轨常用压板、鑲条来调整。（1）压板：用来调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩。（2）鑲条：调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。常用的鑲条有平鑲条和斜鑲条两种。（3）导向调整板：第三章金属切削机床设计3.8.3导轨的结构类型和特点（一）滑动导轨滑动导轨具有一定动压效应的混合摩擦状态。导轨的动压效应主要与导轨的摩擦速度、润滑油粘度、导轨面的油沟尺寸和型式等有关。速度较高的主运动导轨，应合理设计油沟型式和尺寸，选择合适粘度的润滑油，以产生较好的动压效果。优点是结构简单、制造方便和抗振性好。缺点是磨损快。为提高耐磨性，广泛采用塑料导轨和鑲钢导轨。塑料导轨使用粘结法或涂层法覆盖在导轨面上。通常对长导轨喷涂法、对短导轨用粘结法。四种导轨：粘结塑料软带导轨、塑料涂层、金属塑料复合导轨、鑲钢导轨第三章金属切削机床设计3.8.3导轨的结构类型和特点（二）静压导轨静压导轨按结构形式分开式和闭式两大类。（三）卸荷导轨卸荷导轨用来降低导轨面的压力，减少摩擦阻力，从而提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，尤其是对大、重型机床来说，工作台和工件的质量很大,导轨面上的摩擦阻力很大，常用卸荷导轨。导轨的卸荷方式有机械卸荷、液压卸荷和气压卸荷。第三章金属切削机床设计3.8.3导轨的结构类型和特点（四）滚动导轨与滑动导轨相比：优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数很接近。缺点是抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高。（1）滚动导轨的类型：按滚动体分类：滚珠、滚柱、滚针按循环方式分：循环式（见下图）、非循环式（见上图中c）（2）直线滚动导轨副（3）滚动导轨块（4）预紧：方法是靠螺钉、垫块或斜块移动导轨实现靠尺寸差达到预紧。第三章金属切削机床设计3.8.3导轨的结构类型和特点（五）导轨的设计（1）滑动导轨的设计主要有如下内容：※选择滑动导轨的类型和截面形状；※根据机床的工作条件、使用性能，选择出合适的导轨类型；※选择合适的导轨材料、热处理方法，保证导轨耐磨性和使用寿命；※进行滑动导轨的结构设计和计算；※设计导轨调整间隙装置和补偿方法；※设计润滑、防护系统装置；※制定出导轨制造加工、装配的技术要求。第三章金属切削机床设计3.8.3导轨的结构类型和特点（五）导轨的设计（2）滚动导轨的设计目前，直线滚动导轨副和滚动导轨块基本上已经系列化、规格化和模块化。用户可根据需要进行外购。滚动导轨的设计，主要是根据导轨的工作条件、受力情况、使用寿命等要求，选择直线滚动导轨副或滚动导轨块的类型、数量，并进行合理的配置。第三章金属切削机床设计3.8.4提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施（一）合理选择导轨的材料和热处理导轨材料和热处理方法对导轨性能、精度有直接影响,要合理的选择，以便降低摩擦系数，提高导轨的耐磨性，降低成本。导轨的材料有铸铁、钢、有色金属、塑料等。（1）铸铁导轨：良好的抗振性抗，工艺性和耐磨性。（2）鑲钢导轨：磨损能力强。（3）有色金属：可以防止撕伤，保证运动的平稳性和提高运动精度。（4）塑料：摩擦因数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速不易爬行、运动平稳、工艺简单、化学性能好、成本低等特点。第三章金属切削机床设计3.8.4提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施（二）导轨的预紧合理地将滚动导轨预紧可以提高其承载能力、运动精度和刚度。（三）导轨的良好润滑和可靠防护导轨的良好润滑和可靠防护，可以降低摩擦力，减少磨损，降低温度和防止生锈，延长寿命。（四）争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补偿磨损量磨损的原因：导轨结合面在一定压强作用下直接接触并相对运动而造成的。争取不磨损的条件：让结合面在运动时不接触。方法：保证完全的液体润滑。第三章金属切削机床设计3.9机床刀架和自动换刀装置设计一、机床刀架和自动换刀装置、类型和应满足的基本要求二、机床刀架及其转位、定位机构设计三、自动换刀装置的工作原理和构成四、识刀装置第三章金属切削机床设计3.9.1机床刀架和自动换刀装置的功能、类型和应满足的要求（一）机床刀架和自动换刀装置的功能机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作。刀库和机械手组成的自动换刀装置，成为加工中心的主要特征。（二）机床刀架和自动换刀装置的类型按安装刀具的数目分为单刀架和多刀架。按结构形式分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等。按驱动刀架转位的动力分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架。自动换刀装置的刀库和换刀机械手，驱动都是采用电气或液压自动实现。数控车床的自动换刀装置主要采用回转刀盘。