數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計7——數(shù)控機床床身與導(dǎo)軌

1、數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計 6床身與導(dǎo)軌 6 床身與導(dǎo)軌 61 床身結(jié)構(gòu) 611 對床身結(jié)構(gòu)的基本要求 機床的床身是整個機床的基礎(chǔ)支承件，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化程度的要求，與普通機床相比，數(shù)控 機床應(yīng)有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。數(shù)控機床床身主要在以下4個方面提出了更高的要求。 臥式、平床身數(shù)控車床1很高的精度和精度保持性 在床身上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位 置精度要求都很高，而且要能長時間保持。另外，機床在切削加工時，所有的靜、動載荷最后往 往都傳到床身上，所以，床身上的受力很復(fù)雜

2、。為，為保證零部件之間的相互位置或相對運動精，除滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足、動剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和工藝等 方面的技術(shù)要求。RPM快速成型機 2應(yīng)具有足夠的靜、動剛度 靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達 到有較高的剛度一質(zhì)量比。 動剛度直接反映機床的動態(tài)特性，為了保證機床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形 的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力，可以通過適當增加阻尼，提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動而產(chǎn)生的噪聲。床身式立式銑床3較好的熱穩(wěn)定性 對數(shù)控機床來說，尤其是高精度數(shù)控機床，熱穩(wěn)定性已成了一個突出問題，必須在設(shè)計上要作到使

3、整機的熱變形較小，或使熱變形對加工精度的影響較小。612 床身的結(jié)構(gòu) 1床身結(jié)構(gòu) 根據(jù)數(shù)控機床的類型不同，床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控車床床身的結(jié)構(gòu) 形式有平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等四種類型，在數(shù)控車床一章中已作介紹，另外這種斜床身結(jié)構(gòu)還能設(shè)計成封閉式斷面，這樣大大提高了床身的剛度，如圖61所示。 圖61 床身受力圖 數(shù)控銑床，加工中心等這一類數(shù)控機床的床身結(jié)構(gòu)與數(shù)控車床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移動立柱式兩種。前者一般適用于中小型立式和臥式加工中心。而后者又分為整體T形床身和前后床身分開組裝的T形床身。所謂T形床身是指床身是由橫置的前床身(亦叫橫床身

4、)和與它垂直的后床身(亦叫縱床身)組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好， 但是卻給鑄造和加工帶來很大不便，尤其是大、中型機床的整體床身，制造時非得大型設(shè)備不可。 而分離式T形床身，鑄造工藝性箱加工工藝性都大大改善。前后床身聯(lián)接處要刮研，接時用定位鍵和專用定位銷定位，然后沿截面四周，用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接的床身，在剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。這種分離式T形床身適用于大；中型臥式加工中心。有輔助導(dǎo)軌的床身結(jié)構(gòu)。由于床身導(dǎo)軌的跨距比較窄，致使工作臺在橫溜板上移動到達行程的兩端時容易出現(xiàn)翹曲，如圖62a所示，這將影響加工精度。 為了避免工作臺翹曲，有些立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌，如

5、圖6-2b所示。圖6-2 立式加工中心床身導(dǎo)軌(a)有翹曲現(xiàn)象； (b)有輔助導(dǎo)軌 1一主軸箱；2一工件；3一工作臺；4溜板：5一床身 2床身的截面形狀 數(shù)控機床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的筋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當?shù)墓逃蓄l率。床身中常用的幾種截面筋板布置如圖63所示。此外，還有縱向筋板和橫向筋板，分別對抗彎剛度和抗扭剛度有顯著效果；米字形筋板和井字形筋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形更高。床身筋板一般根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進行設(shè)，滿足床身剛度和抗振性要求，V形筋有利于加強導(dǎo)軌支承部分的剛度、斜方筋和對角筋結(jié)構(gòu)可明顯增強床身的扭轉(zhuǎn)剛

6、度，并且便于設(shè)計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。圖63 床身截面筋板布置(a)V形筋， (b)斜方筋； (c)對角筋數(shù)控機床刀具613 床身的剛度 1筋板結(jié)構(gòu)對床身剛度的影響 根據(jù)床身所受載荷性質(zhì)的不同，床身剛度分為靜剛度和動剛度。床身的靜剛度直接影響機床的加工精度及其生產(chǎn)率。靜剛度和固有頻率，是影響動剛度的重要因素。合理設(shè)計床身的筋板結(jié)構(gòu)，可提高床身的剛度。表6l列出了筋板布置對封閉式箱體結(jié)構(gòu)剛度的影響數(shù)據(jù)。數(shù)控機床廠生產(chǎn)車間2箱體封砂結(jié)構(gòu) 床身封砂結(jié)構(gòu)是利用筋板隔成封閉箱體結(jié)構(gòu)，如圖64所示。將大件的泥芯留在鑄件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高結(jié)構(gòu)件的阻尼比，有明顯的消振作用。提高床身結(jié)構(gòu)的

7、靜剛度，由剛度和質(zhì)量的關(guān)系式K=m02(0為系統(tǒng)無阻尼振動時的固有頻率)可以看出，增加質(zhì)量m可以提高靜剛度。對于焊接結(jié)構(gòu)的床身，在床身內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當振動時，利用相對摩擦來耗散振動能量。封砂結(jié)構(gòu)降低了床身的重心，有利于床身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可提高床身的抗彎和抗扭剛度。 圖6-4 鑄造床身的封砂結(jié)構(gòu) (a)舊結(jié)構(gòu) (b)新結(jié)構(gòu)6. 14 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計 AG(人造花崗石)材質(zhì)是一種新型休身材質(zhì)，它除了具有好的阻尼性能(阻尼為灰鑄鐵的810倍)外，還具有尺寸穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強、制造成本低等優(yōu)點，與灰鑄鐵比，它熱容量大，熱導(dǎo)率低，構(gòu)件的熱變形??；AG床身的后期加工量很少，這樣可以大大

8、減少占用大型機床加工時間和加工成本，并能節(jié)約大量金屑，如一個磨床床身就可以節(jié)約90左右的金屬材料。 圖6-5 AG床身的結(jié)構(gòu)形式(a)整體結(jié)構(gòu)，(b)框架結(jié)構(gòu)， (c)分塊結(jié)構(gòu) 6，2 貼塑滑動導(dǎo)軌設(shè)計 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，接觸剛度大的優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動靜庫擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。除簡易型數(shù)控機床外，在其它數(shù)控機床上已不采用，在數(shù)控機床上常用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有良好的摩擦性能及使用壽命長的特點，尤其是靼料導(dǎo)軌將有代替滾動導(dǎo)軌的趨勢。 621 塑料導(dǎo)軌 常用的塑料導(dǎo)軌有聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層兩類

9、。 1聚四氟乙烯(PTFE)導(dǎo)軌軟帶 聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶是用于塑料導(dǎo)軌最成功的一種。這種導(dǎo)軌軟帶材質(zhì)是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)，并作成軟帶狀。這類導(dǎo)軌軟帶有美國(Shamban)公司生產(chǎn)的TurciteB導(dǎo)軌軟帶，Dixon公司的Rulon導(dǎo)軌軟帶，國內(nèi)生產(chǎn)的TSF導(dǎo)軌軟帶，以及配套用DJ膠粘劑。TSF導(dǎo)軌軟帶的主要技術(shù)性能指標為: 相對密度 29 拉伸強度 (kgfcm2) 141 壓縮變形 (比壓30Pa)總變形() 09 永久變形() 05 磨損系數(shù) (cm3rainMPamh) 5610-9 比磨損率 (mm3MPakm) 9410-5 極限PV值

10、 (MPammin-1) 300表6-2 SKC3主要技術(shù)指標622 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu) 1導(dǎo)軌的類型 導(dǎo)軌剛度的大小、制造是否簡單、能否調(diào)整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導(dǎo)軌的初始精度，在很大程度上取決于導(dǎo)軌的橫截面形狀。滑動導(dǎo)軌的橫截面形狀，如圖6-11所示。 (1)山形與V形截面 如圖611a所示，這種截面導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，導(dǎo)軌磨損后靠自重下 沉自動補償。下導(dǎo)軌用凸形有利于排污物，但不易保存油液，如用于車床；下導(dǎo)軌用凹形則相反，如用于磨床頂角一般為90度。圖6-11 滑動導(dǎo)軌的截面形狀 (a)山形與V形； (b)矩形； (c)圓柱形， (d)平面環(huán)形， (e)圓錐形環(huán)形， (f)燕尾形 2 導(dǎo)軌的間

11、隙調(diào)整機構(gòu) 為保證導(dǎo)軌的正常運動，運動件與承導(dǎo)件之間應(yīng)保持適當?shù)拈g隙。間隙過小會增加摩擦力，使運動不靈活；間隙過大，會使導(dǎo)向精度降低。調(diào)整的方法有： (1)采用磨、刮相應(yīng)的結(jié)合面或加墊片的方法，以獲取適當?shù)拈g隙。 (2)鑲條調(diào)整，這是側(cè)向間隙常用的調(diào)整方法，鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種。具體結(jié)構(gòu)及調(diào) 整方法詳見表63和表64。表6-3 圓柱導(dǎo)軌的間隙調(diào)整裝置623貼塑導(dǎo)軌設(shè)計 1 受力分析 (1)確定作用力的方向的作用點位置 在設(shè)計導(dǎo)軌時，必須合理安置作用力的方向和作用點的位置，以便使導(dǎo)軌的傾斜的力矩盡量小。否則會使導(dǎo)軌面的摩擦力增大、磨損加劇，從而降低導(dǎo)軌的運動靈活性和導(dǎo)向精度。嚴重時甚至還可能

12、使導(dǎo)軌卡死，不能正常工作。 作用在運動件上的推力有三種情況： 推力通過運動件的軸線。 推力作用點在運動件的軸線上，推力方向與軸線成一夾角口。 推力平行于運動件的軸線。 對于第一種情況，導(dǎo)軌中的摩擦力只受到載荷及運動件本身重量的影響，推力不全產(chǎn)生附加的摩擦力。所以，設(shè)計時應(yīng)力求符合這種情況。然而，由于結(jié)構(gòu)上限制，在實際機構(gòu)中往往出現(xiàn)第二、三種情況條件下，確定各部分的幾何尺寸。推力F運動件軸線成一夾角口，如圖6-12a所示。 圖6-12 導(dǎo)軌計算圖 (a)一推力F與運動軸線成一夾角： (b)一推力F平行于運動軸線且與軸線相距h624 導(dǎo)軌的材料 塑料導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的動導(dǎo)軌上，與其相配的金屬導(dǎo)軌有

13、鑄鐵和鑲鋼兩種，組成鑄鐵一 塑料導(dǎo)軌副或鑲鋼一塑料導(dǎo)軌副。其中：鑄鐵主要是耐磨鑄鐵、灰鑄鐵等，典型的牌號有 HT3054，HT300，MTCulPTi150等。表面淬火硬度一般為HRC4555，淬火層深度規(guī)定經(jīng)磨削后應(yīng)保留101.5mm。鑲鋼導(dǎo)軌的材料有55、T10A、GCrl5、38CrMoAl、CrWMn等。一般采用中頻淬火或滲氮淬火方式，淬火硬度為HRC5862，滲氮層厚度為05mm。 63 液體靜壓導(dǎo)軌設(shè)計 靜壓導(dǎo)軌是指在兩個相對運動的導(dǎo)軌面之間通入具有一定壓力的潤滑油以后，使動導(dǎo)軌 微微抬起，在導(dǎo)軌面間充滿潤滑油所形成的油膜，保證導(dǎo)軌面間在液體摩擦狀態(tài)下工作。工作 過程中，導(dǎo)軌面上油

14、腔的油壓隨外加載荷的變化自動調(diào)節(jié)。靜壓導(dǎo)軌與其它形式的導(dǎo)軌相比，其工作壽命長，摩擦系數(shù)極低(約為00005)，速度變化和載荷變化對液體膜的剛性影響小，有很強的吸振性，導(dǎo)軌運行平穩(wěn)，無爬行。在高精度、高效率的大型、重型數(shù)控機床上應(yīng)用越來越多。6. 31 靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) 按靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式可分為兩大類。開式靜壓導(dǎo)軌和閉式靜壓導(dǎo)軌兩類。按供油方式可分為恒壓供油和恒流供油兩類。 1開式靜壓導(dǎo)軌是指不能限制工作臺從 導(dǎo)軌上分離的靜壓導(dǎo)軌，如圖613所示，這種導(dǎo)軌的載荷總是指向?qū)к?，不能承受相反方向的載荷，并且不易達到很高的剛性。這種靜壓導(dǎo)軌用于運動速度比較低的重型機床。632 油腔結(jié)構(gòu) 1 油腔的形狀

15、和尺寸 導(dǎo)軌油腔的形狀一般有矩形油腔和油槽形油腔，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，如圖615所示。不管油腔的形狀如何，只要支座的L、B和油腔l、b相等，各種形狀的油腔具有相同的承載面積。油腔尺寸一般要按導(dǎo)軌寬度(B)選擇，見表65。 633 導(dǎo)軌間隙和節(jié)流形式 1導(dǎo)軌間隙 靜壓導(dǎo)軌的間隙代表了潤滑油膜的厚度，間隙越大，流量越大，則剛性減少，且導(dǎo)軌容易出現(xiàn)漂移。導(dǎo)軌的間隙小，流量也小，剛性增大。但是導(dǎo)軌間隙受到導(dǎo)軌幾何精度、零部件剛性以及最小節(jié)流器最小尺寸的限制，所以導(dǎo)軌間隙不能取得太小。 對于中小型機床和機械設(shè)備，空載時的導(dǎo)軌間隙一般取 A。：0010025mm

16、對于大型機床和機械設(shè)備，空載時的導(dǎo)軌間隙一般取 A。：003008mm634 導(dǎo)軌承載能力 1開式液體靜壓導(dǎo)軌 (1)導(dǎo)軌的承載能力 F=AeFi 式中 F一個油腔承受的載荷F=G+G1+F1， 其中G為一個油腔承受的工件臺重力， G1為一個油腔承受的工件重力， F1一個油腔承受的切削力及其它外力。 F1受載荷后的油腔壓力， Ae一個油腔的有效承載面積。 64 滾動導(dǎo)軌設(shè)計 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小于0005，靜、動摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。數(shù)控機床導(dǎo)軌的行程一般較長，因此滾動體必須循環(huán)。常用的有直線導(dǎo)軌副和滾動導(dǎo)軌塊。直線導(dǎo)軌副一般用滾珠作滾動體，滾動導(dǎo)軌塊用滾子

17、作滾動體 .641 直線滾動導(dǎo)軌副 直線滾動導(dǎo)輕副包括導(dǎo)軌條和滑塊兩部分組成。導(dǎo)軌條通常為兩根，裝在對撐件上，見圖621所示。每根導(dǎo)軌上有2個滑塊，固定在移動件動導(dǎo)軌體上。如果動導(dǎo)軌體較長，也可以在廠個導(dǎo)軌條上裝3個滑塊。如果動導(dǎo)軌體較寬，可采用3根導(dǎo)軌。圖6-21 直線滾動導(dǎo)軌副的配置 1一導(dǎo)軌條， 2一動導(dǎo)軌體， 3一滑塊圖6-22 直線滾動導(dǎo)軌 l滾珠； 2一回珠孔； 3、8一密封點； 4一端面擋板， 5一滑塊； 6一油嘴； 7一導(dǎo)軌條 滑塊頂面中心對導(dǎo)軌基準底面的平行度(見圖6-23a)。與導(dǎo)軌基準同側(cè)的滑塊側(cè)面對導(dǎo)軌基準側(cè)面的平行度(見圖623a)。 滑塊上頂面與導(dǎo)軌基準底面之間高度

18、H的極限偏差(見圖63b)。當安裝多個滑塊時，還要檢測片的變動量與導(dǎo)軌基準側(cè)面同側(cè)滑塊側(cè)面與導(dǎo)軌基準側(cè)面間距離，的極限偏差(見圖623c)。 642滾動導(dǎo)軌塊 滾動導(dǎo)軌塊用滾子作滾動體；所以承載能力和剛度都比直線滾動導(dǎo)軌高，但摩擦系數(shù)略大。滾動導(dǎo)軌塊的結(jié)構(gòu)見圖624目前應(yīng)用較多的滾動導(dǎo)軌塊有HJGK和6192型兩種系列，有專業(yè)廠生產(chǎn)，可以外購。但與滾動導(dǎo)軌塊相配的支承導(dǎo)軌是不能外購的。 4一滾動體；5一支承導(dǎo)軌；6、7一帶反回擋槽板l一固定螺釘；2一導(dǎo)軌塊；3一動導(dǎo)軌體；圖6-24 滾動導(dǎo)軌塊643 滾動導(dǎo)軌設(shè)計計算 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計，主要是根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件，選擇直線滾動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌塊的型號

19、、數(shù)量，并進行合理的配置。首先要計算直線滾動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌塊的受力。再根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和壽命要求計算動載荷。依此選擇直線滾動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌塊的型號；或者根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件，選擇直線滾動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌塊，再驗算壽命是否符合要求。 圖6-26 滾動導(dǎo)軌受力分析 2直線運動滾動支承的計算 滾動支承計算與滾動軸承計算相仿，以在一定的載荷下運行一定距離，90尹d的支承不發(fā)生點蝕為依據(jù)。這個載荷就稱為額定動載荷。運行的距離，就稱為支承的額定壽命，對于用滾珠 的直線滾動導(dǎo)軌，額定壽命為50km；用圓柱滾子的滾動導(dǎo)軌塊，額定壽命為100km。滾動導(dǎo)軌支承的預(yù)期壽命，除與額定動載荷和導(dǎo)軌的實際外(工作)載荷有

20、關(guān)外，還與導(dǎo)軌的硬度、滑塊 部分的工作溫度和每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)目有關(guān)。圖627 載荷譜圖651 導(dǎo)軌的油潤滑 數(shù)控機床的導(dǎo)軌采用集中供油，自動點滴式潤滑。國產(chǎn)潤滑設(shè)備XHZ系列稀油集中潤滑裝置。該裝置是由定量潤滑泵、進回油精密濾油器、液位檢測器、進給油檢測器、壓力繼電器、遞進分油器及油箱組成。對導(dǎo)軌面進行定時定量供油。652 導(dǎo)軌的固體潤滑 固體潤滑是將固體潤滑劑覆蓋在導(dǎo)軌的摩擦表面上，形成粘結(jié)型固體潤滑膜，以降低摩擦，減少磨損。固體潤滑劑種類較多，按基本原料可分為金屑類、金屬化合物類、無機物類和有機物類。在潤滑油脂中添加固態(tài)潤滑劑粉末，增強或改善潤滑油脂的承載能力、時效性能和高低溫性能。65

21、3導(dǎo)軌的防護 導(dǎo)軌的防護是防止或減少導(dǎo)軌副磨損，延長導(dǎo)軌壽命的重要方法之一，對數(shù)控機床顯得更 重要。防護裝置已有專門工廠生產(chǎn)，可以外購。 導(dǎo)軌的防護方法很多，有刮板式、卷簾式、伸縮式(包括軟式皮腔式和疊式層)等，對數(shù)控機 床，大都采用疊層式防護罩。圖628所示為一種疊層式防護罩，隨著導(dǎo)軌的移動可以伸縮。有 低速(12mmin)、中速(30mmin)等。圖示符號代表的結(jié)構(gòu)尺寸項目及其尺寸可按表68填 寫。 圖628 機床導(dǎo)軌防護罩66 導(dǎo)軌的超音頻加熱淬火 感應(yīng)加熱按頻率可分為高頻、超音頻、中頻和工頻四種，超音頻加熱是繼高頻之后發(fā)展起來的，主要應(yīng)用于床身導(dǎo)軌加熱淬火工藝。根據(jù)床身的使用條件，并考慮到淬火產(chǎn)生的變形，床身必須經(jīng)過磨削加工后才能裝配使用，一般要求淬硬層深度不小于2mm。661 加熱原理 感應(yīng)加熱時，由于集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流在工件內(nèi)的分布是不均勻的，電流密度隨深度的增加而減少。通常把電流密度降低到表面電流密度的127處的深度稱為熱透深度。在快速加熱條件下，當淬硬層的深度小于熱透深度時，溫度的分布非常理想，熱效