第3章-機床典型部件設計

1、機械制造裝備設計機械制造裝備設計第第3 3章章 機床典型部件設計機床典型部件設計23.13.23.3 主軸部件設計主軸部件設計支承件設計支承件設計 導軌設計導軌設計 本章分本章分三三個小節(jié)：個小節(jié)：3 3.1 主軸部件設計主軸部件設計 主軸組件式機床的執(zhí)行件，它由主軸、軸承、傳動件和密封件等組成。它的功用是支承并帶動工件刀具，完成表面成形運動，同時還起傳遞運動和轉矩，承受切削力和驅動力的作用。 4 3.1 主軸部件設計主軸部件設計主軸部件的設計要求主軸部件的設計要求數(shù)據管理旋轉精度:主軸裝配后，在無荷載、低速運動的條件下，主軸前端安裝工件或道具部位的徑向和軸向跳動值。 靜剛度:反映了機床或部、

2、組、零件抵抗靜態(tài)外荷載的能力。 抗振性:其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉的能力。 溫升和熱變形:溫升產生熱變形，使主軸伸長，軸承間隙變化。 耐磨性:以便長期地保持精度 5 3.1 主軸部件設計主軸部件設計主軸的傳動方式主軸的傳動方式對于機床主軸，傳動件的作用是以一定的功率和最佳切削速度完成切削加工。 v 主傳動分類 (1) 有變速功能的傳動：為了簡化結構、在傳動設計時，將主軸當作傳動變速粗，常用變速副是滑移齒輪組。 (2) 固定變速傳動方式：為了將主軸運動速度（或扭矩）調整到適當范圍。常用的傳動方式有齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動等。 (3) 主軸功能部件：將原動機與主軸傳動合為一體，組成一個

3、獨立的功能部件。6v 主軸傳動件的布置對于傳動件直接裝在主軸上的主軸部件，工作時主要承受傳動力，切削力和支承反力。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計傳動件合理布置的原則：傳動件合理布置的原則： 傳動力引起的主軸彎曲變傳動力引起的主軸彎曲變形小，最好能部分抵消切削形小，最好能部分抵消切削力對軸承的負荷，是前軸承力對軸承的負荷，是前軸承受力和變形最小，有利于保受力和變形最小，有利于保證加工精度且結構緊湊、裝證加工精度且結構緊湊、裝配、維修方便。配、維修方便。7 3.1 主軸部件設計主軸部件設計主軸部件結構設計主軸部件結構設計多數(shù)機床的主軸采用前、后兩個支承。這種方式結構簡單，制造裝配方便，容易保證

4、精度。為了提高主軸部件的剛度，前后支承應消除間隙或預緊。 為了提高剛度和抗振性，有的機床主軸采用三個支承。三個支承主軸有兩種方式：前、后支承為主，中間支承為輔的方式和前、中支承為主，后支承為輔的方式。 目前常采用后一種方式的三支承。 8v 推力支承位置配置形式三種配置形式：前端配置、后端配置、兩端配置 3.1 主軸部件設計主軸部件設計 多用于軸向精度和剛度要求較高的高精度機床或數(shù)控機床 多用于軸向精度要求不高的普通精度機床 這種方式常用于較短主軸 9v 主軸傳動件的合理布置大多數(shù)機床主軸采用齒輪或帶傳動，有的用電動機直接傳動。少數(shù)低速、小功率的精密機床主軸也有用蝸輪蝸桿傳動或鏈傳動。 3.1

5、主軸部件設計主軸部件設計齒輪傳動齒輪傳動的優(yōu)點是結構簡單、緊湊，能適應大的變速范圍的優(yōu)點是結構簡單、緊湊，能適應大的變速范圍和傳遞較大的轉矩，是一般機床最常用的傳動方式。和傳遞較大的轉矩，是一般機床最常用的傳動方式。帶傳動帶傳動的優(yōu)點是結構簡單、制造容易、成本低，適用于中的優(yōu)點是結構簡單、制造容易、成本低，適用于中心距較大的兩個軸間傳動，且皮帶有彈性可以吸振、傳動心距較大的兩個軸間傳動，且皮帶有彈性可以吸振、傳動平穩(wěn)、噪聲小，適用于高速傳動。平穩(wěn)、噪聲小，適用于高速傳動。電動機直接傳動電動機直接傳動的優(yōu)點是純轉矩傳動，可減小主軸的彎曲的優(yōu)點是純轉矩傳動，可減小主軸的彎曲變形，無傳動件，能適應更

6、高的轉速。變形，無傳動件，能適應更高的轉速。 10v 傳動件軸向位置的合理布置合理布置傳動件的軸向位置，可以改善主軸和軸承的受力情況及傳動件、軸承的工作條件，提高主軸部件剛度、抗振性和承載能力。傳動件位于兩支承之間是最常見的布置。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計 為了減小主軸的彎曲為了減小主軸的彎曲變形和扭轉變形，傳動變形和扭轉變形，傳動齒輪應盡量靠近前支承齒輪應盡量靠近前支承處；當主軸上有兩個齒處；當主軸上有兩個齒輪時，由于大齒輪用于輪時，由于大齒輪用于低傳動，作用力較大，低傳動，作用力較大，應將大齒輪布置在靠前應將大齒輪布置在靠前支承處。支承處。 11 圖3.7所示為傳動件位于后懸伸端，

7、多用于外圓磨床、內圓磨床砂輪主軸。帶輪裝在主軸的外伸尾端上，便于防護和更換。 圖3.8所示為傳動件位于主軸前懸伸端，使傳動力和切削力方向相反，可使主軸前端位移量相互抵消一部分，減小了主軸前端位移量，同時前支承受力也減小。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計12v 主軸部件結構參數(shù)的確定主軸的結構參數(shù)主要包括主軸的平均直徑D(或前軸頸)、內孔直徑d（對于空心主軸而言）、前端的懸伸量a及主軸的支承跨距L等。 一般步驟： （1）首先確定前軸頸D （2）然后確定內徑d和主軸前端的懸伸量a （3）最后再根據D、a和主軸前支承的剛度確定支承跨距L 3.1 主軸部件設計主軸部件設計13 （1） 主軸直徑的確定

8、 主軸平均直徑D的增大能大大提高主軸的剛度，而且還能增大孔徑，但也會使主軸上的傳動件（特別是起升速作用的小齒輪）和軸承的徑向尺寸加大。主軸直徑D應在合理的范圍內盡量選大些，達到既滿足剛度要求，又使結構緊湊。 主軸前軸頸直徑D1可根據機床主電動機功率或機床主參數(shù)來確定。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計14（2） 主軸內孔直徑的確定 很多機床的主軸是空心的，為了不過多地消弱主軸剛度，一般保證d/D0.7。 內孔直徑與其用途有關： 1）車床主軸內孔用來通過棒料或安裝送夾料機構； 2）銑床主軸內孔可通過拉桿來拉緊刀桿等。臥式車床的主軸孔徑d通常應不小于主軸平均直徑的5560； 3）銑床主軸孔徑可比刀

9、具拉桿直徑大510。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計15（3） 主軸前端懸伸量的確定 主軸懸伸量是指主軸前支承徑向反力作用點到主軸前端受力作用點之間的距離。無論從理論分析還是從實際測試的結構來看，主軸懸伸量a值的原則是在滿足結構要求的前提下，盡量取小值。 主軸懸伸量a取決于主軸端部的結構形狀和尺寸、工件或刀具的安裝方式、前軸承的類型及組合方式、潤滑與密封裝置的結構等。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計16（4） 主軸支承跨距的確定 主軸支承跨距L是指主軸兩個支承的支承反力作用點之間的距離。 支承跨距過小，主軸的彎曲變形就較小，但因支承變形引起的主軸前端位移量將增大；反之，支承跨距過大，支承變

10、形引起的主軸前端位移量盡管減小了，但主軸的彎曲變形會增大，也會引起主軸前端較大的位移。 最佳跨距L0=（23.5)a。但在實際結構設計時，由于結構上的原因，主軸的實際跨距往往大于最佳跨距。 3.1 主軸部件設計主軸部件設計17 3.1 主軸部件設計主軸部件設計主軸軸承主軸軸承 軸承是主軸部件的重要組成部分，它的類型、配置、精度、安裝和潤滑等都直接影響主軸組件的工作性能。v 主軸軸承的選擇 機床主軸用的軸承，有滾動和滑動兩大類。從旋轉精度來看，兩大類軸承都能滿足要求。對于其他指標相比，滾動軸承比滑動軸承的優(yōu)點是：18 3.1 主軸部件設計主軸部件設計（1） 滾動軸承能在轉速和載荷變化幅度很大的條

11、件下穩(wěn)定地工作。（2）滾動軸承能在無間隙，甚至在預緊（有一定的過盈量）的條件下工作。（3）滾動軸承的摩擦系數(shù)小，有利于減小發(fā)熱。（4）滾動軸承潤滑很容易，可以用脂，一次裝填一直用到修理時才換脂。如果用油潤滑，單位時間所需的油量也遠比滑動軸承小。（5）滾動軸承是有軸承廠生產的，可有外購。19 3.1 主軸部件設計主軸部件設計滾動軸承的缺點是：（1） 滾動體的數(shù)量有限，所以滾動軸承在旋轉中的徑向剛度是變化的。這是引起振動的原因之一。（2）滾動軸承的阻尼較低。（3）滾動軸承的徑向尺寸比滑動軸承大。主軸軸承的基本要求： 旋轉精度高、剛度高、承載能力強、極限轉速高、適應變速范圍大、摩擦小、噪聲低、抗振性

12、好、使用壽命長、制造簡單、使用維護方便等。 20 3.1 主軸部件設計主軸部件設計v 主軸滾動軸承的類型選擇 主軸軸承應根據精度、剛度和轉速選擇。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應該是可調的。 雙列圓柱滾子軸承：雙列圓柱滾子軸承： 雙列圓柱滾子軸承只能承雙列圓柱滾子軸承只能承受徑向載荷。一般常和推力受徑向載荷。一般常和推力軸承配套使用，能承受較大軸承配套使用，能承受較大的徑向載荷和軸向載荷，適的徑向載荷和軸向載荷，適用于載荷和剛度較高、中等用于載荷和剛度較高、中等轉速的主軸部件前支承上。轉速的主軸部件前支承上。 21 3.1 主軸部件設計主軸部件設計雙向推力角接觸球軸承：雙向推力角接觸球軸承

13、： 圖圖3.103.10所示為雙向推力角接觸球軸承。型號為所示為雙向推力角接觸球軸承。型號為234400234400，接觸角，接觸角6060，它由外圈、左右內圈、左右兩，它由外圈、左右內圈、左右兩列滾珠及保持架、隔套所組成。修磨隔套的厚度就能列滾珠及保持架、隔套所組成。修磨隔套的厚度就能消除間隙和預緊。消除間隙和預緊。 滾動體直徑小，極限轉速高；滾動體直徑小，極限轉速高；外圓和箱體孔為間隙配合，安外圓和箱體孔為間隙配合，安裝方便，且不承受徑向載荷；裝方便，且不承受徑向載荷；常與雙列圓柱滾子軸承配套使常與雙列圓柱滾子軸承配套使用，能承受雙向軸向載荷，用用，能承受雙向軸向載荷，用于主軸部件的前支承

14、。于主軸部件的前支承。 22 3.1 主軸部件設計主軸部件設計角接觸球軸承：角接觸球軸承： 圖圖3.113.11所示為角接觸球軸所示為角接觸球軸承，這種軸承既可承受徑向承，這種軸承既可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。載荷，又可承受軸向載荷。接觸角常見的有接觸角常見的有=15=15和和=25=25兩種。兩種。1515接觸角接觸角多用于軸向載荷較小，轉速多用于軸向載荷較小，轉速較高的地方，如磨床主軸；較高的地方，如磨床主軸；2525的多用于軸向載荷較大的多用于軸向載荷較大的地方，如車床和加工中心的地方，如車床和加工中心主軸。主軸。23 3.1 主軸部件設計主軸部件設計圓錐滾子軸承：圓錐滾子軸承：

15、圖圖3.123.12所示為圓錐滾子軸承。這種軸承能承受徑向所示為圓錐滾子軸承。這種軸承能承受徑向和軸向載荷，承載能力和剛度都比較高。但是，滾子和軸向載荷，承載能力和剛度都比較高。但是，滾子大端與內圈擋邊之間是滑動摩擦，發(fā)熱較多，故允許大端與內圈擋邊之間是滑動摩擦，發(fā)熱較多，故允許的轉速較低。的轉速較低。 為了解決這個問題，法國為了解決這個問題，法國加梅公司開發(fā)了空心滾子圓錐加梅公司開發(fā)了空心滾子圓錐滾子軸承、滾子是空心的，保滾子軸承、滾子是空心的，保持架是鋁制，整體加工，把滾持架是鋁制，整體加工，把滾子之間的間隙填滿。大量的潤子之間的間隙填滿。大量的潤滑油只能從滾子的中孔流過，滑油只能從滾子的

16、中孔流過，冷卻滾子，以降低軸承的發(fā)熱。冷卻滾子，以降低軸承的發(fā)熱。但是，這種軸承必須用油潤滑。但是，這種軸承必須用油潤滑。24 3.1 主軸部件設計主軸部件設計v 主軸的滑動軸承 滑動軸承因具有旋轉精度高、抗振性能好、運動平穩(wěn)等特點，此外，結構簡單、成本低廉，可長期運轉而無需加注潤滑劑。主要應用于高速和低速的精密、高精密機床和數(shù)控機床的主軸。 按照流體介質不同，主軸滑動軸承可分為液體滑動軸按照流體介質不同，主軸滑動軸承可分為液體滑動軸承和氣體滑動軸承；液壓滑動軸承根據油膜壓力形成的方承和氣體滑動軸承；液壓滑動軸承根據油膜壓力形成的方法不同，有動壓軸承和靜壓軸承之分；動壓軸承可分為單法不同，有動

17、壓軸承和靜壓軸承之分；動壓軸承可分為單油楔動壓軸承和多油楔動壓軸承等。油楔動壓軸承和多油楔動壓軸承等。25 3.1 主軸部件設計主軸部件設計液體滑動軸承：液體滑動軸承： 如圖如圖3.133.13為液體動壓滑動為液體動壓滑動軸承。主軸以一定的轉速旋軸承。主軸以一定的轉速旋轉時，動壓軸承帶著潤滑油轉時，動壓軸承帶著潤滑油從間隙大處向間隙小處流動，從間隙大處向間隙小處流動，形成壓力油楔而將主軸浮起，形成壓力油楔而將主軸浮起，產生壓力油膜以承受載荷。產生壓力油膜以承受載荷。動壓軸承按油楔數(shù)分為單油動壓軸承按油楔數(shù)分為單油楔和多油楔。楔和多油楔。 26 3.1 主軸部件設計主軸部件設計固定多油楔滑動軸承

18、：在軸承內工作表面上加工出偏心圓弧面或阿基米德螺旋線來實現(xiàn)油楔。 圖3.14所示為用于外圓磨床砂輪架主軸的固定多油楔滑動軸承。 27 3.1 主軸部件設計主軸部件設計活動多油楔滑動軸承： 活動多油楔軸承由三塊或五塊軸瓦塊組成，利用浮動軸瓦自動調位來實現(xiàn)油楔。 圖3.15所示為短三瓦動壓軸承。 28 3.1 主軸部件設計主軸部件設計 動壓軸承在轉速低于一定值時，壓力油膜就形成動壓軸承在轉速低于一定值時，壓力油膜就形成不了，因此當主軸處于低轉速或啟動、停止過程中，不了，因此當主軸處于低轉速或啟動、停止過程中，軸承就要與軸承表面直接接觸，產生干摩擦。主軸軸承就要與軸承表面直接接觸，產生干摩擦。主軸轉

19、速變化后，壓力油膜的厚度要隨之變化，致使軸轉速變化后，壓力油膜的厚度要隨之變化，致使軸心位置發(fā)生變化，而液體靜壓軸承就是克服上述缺心位置發(fā)生變化，而液體靜壓軸承就是克服上述缺點而發(fā)展起來的。點而發(fā)展起來的。液體靜壓軸承：液體靜壓軸承： 靜壓軸承旋轉精度高，抗振性好，其原因是軸頸靜壓軸承旋轉精度高，抗振性好，其原因是軸頸與軸承之間有一層具有良好的吸振性能的高壓油膜，與軸承之間有一層具有良好的吸振性能的高壓油膜，其缺點是需要配備一套專用的供油系統(tǒng)，而且制造其缺點是需要配備一套專用的供油系統(tǒng)，而且制造工藝較復雜。工藝較復雜。 29 3.1 主軸部件設計主軸部件設計氣體軸承：氣體軸承： 氣體軸承包括氣

20、體動壓軸承、氣體靜壓軸承和氣氣體軸承包括氣體動壓軸承、氣體靜壓軸承和氣體壓膜軸承三大類。由于采用氣體作為潤滑劑，因體壓膜軸承三大類。由于采用氣體作為潤滑劑，因此，軸與軸瓦被氣體隔開，使軸在軸承中無接觸地此，軸與軸瓦被氣體隔開，使軸在軸承中無接觸地 旋轉或呈懸浮狀態(tài)。旋轉或呈懸浮狀態(tài)。 氣體軸承的缺點是承載能力小、氣體軸承的缺點是承載能力小、剛性差、穩(wěn)定性差、對工作條件剛性差、穩(wěn)定性差、對工作條件和材料要求嚴格，氣體軸承還要和材料要求嚴格，氣體軸承還要求有穩(wěn)定過濾氣源等。求有穩(wěn)定過濾氣源等。 30 3.1 主軸部件設計主軸部件設計磁力軸承：磁力軸承： 磁力軸承是利用磁場力磁力軸承是利用磁場力使軸

21、懸浮，故又稱為磁懸浮使軸懸浮，故又稱為磁懸浮軸承。它無需任何潤滑劑，軸承。它無需任何潤滑劑，可在真空中工作。因此，可可在真空中工作。因此，可達到極高的速度。多用于超達到極高的速度。多用于超高速離心機中。高速離心機中。 31 3.2 支承件設計支承件設計 支承件是機床的基礎構件，包括床身、立柱、衡量、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等。 支承件的設計要求支承件的設計要求 支承件應滿足的基本要求如下： （1） 足夠的剛度和較高的剛度足夠的剛度和較高的剛度-質量比。質量比。 （2） 較好的動態(tài)特征。較好的動態(tài)特征。 （3） 熱穩(wěn)定性好。熱穩(wěn)定性好。 （4） 結構性好。結構性好。32支承件的材料

22、支承件的材料 支撐件常用的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、鋁合金、預應力鋼筋混凝土、非金屬等。其中主要材料為鑄鐵和鋼。v 鑄鐵 一般支撐件用灰鑄鐵制成，在鑄鐵中加入少量合金元素可提高其耐磨性。 鑄鐵鑄造性能好，容易獲得復雜結構的支撐件。同時鑄鐵的內摩擦力大，阻尼系數(shù)大，使振動衰減性能好，成本低。 3.2 支承件設計支承件設計33v 鋼板和型鋼 用鋼板和型鋼等焊接的支撐件，其制造周期短，可做成封閉件，不像鑄件那樣要留出沙孔，而且可根據受力情況布置肋板和肋條來提高抗扭和抗彎剛度。 v 鋁合金 鋁合金的密度只有鐵的1/3，有些鋁合金還可以通過熱處理進行強化，提高鋁合金的力學性能。 3.2 支承件設計支承件設

23、計34v 預應力鋼盤混凝土 預應力鋼筋混凝土支撐件（主要為床身、立柱、底座等）近年來有相當發(fā)展。其特點是剛度高，阻尼比大，抗振性能好，成本低。 v 非金屬 非金屬材料主要有混凝土、天然花崗巖等。 3.2 支承件設計支承件設計35支承件的結構設計支承件的結構設計 （1）根據其使用要求進行受力分析； （2）根據所受的力和其他要求，并參考現(xiàn)有機床的同類型件，初步確定其形狀和尺寸； （3）可以利用計算機進行有限元計算，求得其靜態(tài)剛度和動態(tài)特征，并據此對設計進行修改和完善，選出最佳結構方案。 3.2 支承件設計支承件設計36v 支承件的靜力分析 機床根據其所受的載荷的特點，可分為三大類。 （1） 中、小

24、型機床 這類機床的載荷以切削力為主。 （2） 精密和高精度機床 這類機床以精加工為主，切削力較小。 （3） 大型機床 這類機床工件較重，切削力較大，移動件的重量也較大。因此，載荷必須同時考慮工件重力、切削力和移動件的重力。 3.2 支承件設計支承件設計37 3.2 支承件設計支承件設計 38v 支承件的形狀選擇原則支承件的變形，主要是彎曲和扭轉，與截面慣性矩有關的。 3.2 支承件設計支承件設計39 1） 空心截面的慣性矩比實心的大。因此，在工藝可能的條件下應盡量減薄壁厚。一般不用增加壁厚的辦法來提高自身剛度。 2） 方形截面的抗彎剛度比圓形的大，而抗扭剛度較低。若支承件所承受的主要是彎矩，則

25、應取方形或矩形為好。環(huán)形的抗扭剛度比方形、方框形與長框形的大。 3） 不封閉的截面比封閉的截面剛度低得多，特別是抗扭剛度下降更多。因此，在可能的條件下，應盡量把支承件的截面做成封閉的形式。 3.2 支承件設計支承件設計40v 隔板 在兩臂之間起連接作用的內壁稱為隔板。隔板的功用是把作用于支承件局部區(qū)域的載荷傳遞給其他壁板，從而使整個支承件受載荷，提高支承件的自身剛度。 3.2 支承件設計支承件設計41 （1） 圖3.19（a） 所示為床身前后壁用“T”形隔板連接，主要提高水平面抗彎剛度，對提高垂直面抗彎剛度和抗扭剛度不顯著，多用在剛度要求不高的床身上。但這種床身結構簡單，鑄造工藝性好。 （2）

26、 圖3.19（b） 為“”形隔板，“”形架具有一定的寬度b和高度h，在垂直面和水平面上的抗彎剛度都比較高，鑄造性能也很好，在大中型車床上應用較多。 （3） 圖3.19（c） 為W形隔板，能較大地提高水平面上的抗彎抗扭剛度，對中心距超過1500mm的長床身，效果最為顯著。 （4） 圖3.19（d） 床身剛度最高，排屑容易。 3.2 支承件設計支承件設計42v 合理開窗和加蓋 鑄鐵支承件壁上開孔會降低剛度。但因結構和工藝要求常需開孔。 當開孔面積小于所在壁面積的0.2時，對剛度影響較小。 當開孔面積超過所在壁面積的0.2時，抗扭剛度會降低許多。 孔寬和孔徑以不大于壁寬的四分之一為宜，且應開在支承件

27、壁的幾何中心附近。 3.2 支承件設計支承件設計43v 支承件的靜剛度 （1） 自身剛度。抵抗支承件自身變形的能力稱為自身剛度。 （2） 支承件在連接處抵抗變形的能力，稱為支承件的連接剛度。 （3） 接觸剛度。支承件各接觸面抵抗接觸變形的能力。 3.2 支承件設計支承件設計44v 支承件的靜剛度 （4） 支承件抵抗局部變形的能力，稱為支承件局部剛度。 3.2 支承件設計支承件設計45v 支承件的結構設計 確定支承件的結構形狀和尺寸，首先要滿足工作性能的要求。由于各類機床的性能、用途、規(guī)格的不同，支承件的形狀和大小和大小也不同。 1）臥式床身 中小型車床床身，是由兩端的床腿支承； 對于大型臥式車

28、床、鏜床、龍門刨床、龍門銑床，是直接落地安裝在基礎上； 有些仿形和數(shù)控車床，則是采用框架式床身。 3.2 支承件設計支承件設計46 3.2 支承件設計支承件設計 床身截面形狀主要取決于剛度要求、導軌位置、內部需安裝的零部件和排屑等。 47 2）立柱 立柱可看作立式床身，其截面有圓形、方形和矩形。 立柱所承受的載荷有2類：一類是承受彎曲載荷，載荷作用于立柱的對稱面，如立式鉆床的立柱；另一類承受彎曲和扭轉載荷，如銑床和鏜床的立柱。 3.2 支承件設計支承件設計48 2）立柱 立柱的截面由剛度決定。 3.2 支承件設計支承件設計圓形截面對稱矩形截面對稱方形截面49 3）橫梁和底座 橫梁用于龍門式框架

29、機床上，作受力分析時，可看作兩支點的簡支梁。 橫梁工作時承受復雜的空間載荷。橫梁的自重為均布載荷，主軸箱或刀架的自重為集中載荷，而切削力為大小、方向可變的外載荷，這些載荷使橫梁產生彎曲和扭轉變形。 橫梁的剛度，尤其是垂直于工件方向的剛度，對機床性能影響很大。 3.2 支承件設計支承件設計50橫梁的橫截面一般做成封閉式。 3.2 支承件設計支承件設計用“H較大的封閉截面來提高垂直面內的抗彎剛度若在立柱的輔助軌道上夾緊，可用等截面形狀 若在立柱的輔助軌道上夾緊，其中間部分可用變截面形狀 底座的截面形狀51導軌的功用和分類導軌的功用和分類 導軌的功用是支承和引導運動部件沿一定的軌道運動。 在導軌副中

30、，運動的一方叫運動導軌，不動的一方叫做支承導軌。運動導軌相對于支承導軌的運動，通常是直線運動或回轉運動。 v 按運動性質分 （1） 主運動導軌，即動導軌是作主運動的。 （2） 進給運動導軌，即動導軌是作進給運動的，機床中大多數(shù)導軌屬于進給導軌。 （3） 移置導軌，這種導軌只用于調整部件之間的相對位置，在加工時沒有相對運動。 3.3 導軌設計導軌設計52v 按摩擦性質分 （1） 滑動導軌 1）液體靜壓導軌。兩導軌面間具有一層靜壓油膜，相當于靜壓滑動軸承，摩擦性質屬于純液體摩擦，主運動和進給運動導軌都能應用。 2）液體動壓導軌。當導軌面間的相對滑動速度達到一定值后，液體動壓效應使導軌油囊處出現(xiàn)壓力

31、油楔，把兩導軌面分開，從而形成液體摩擦，相當于動壓滑動軸承，這種導軌只能用于高速場合，故僅用作主運動導軌。 3.3 導軌設計導軌設計53v 按摩擦性質分 3）混合摩擦導軌。在導軌面間雖有一定的動壓效應或靜壓效應，但由于速度還不夠高，油楔所形成的壓力油還不足以隔開導軌面，導軌面仍處于直接接觸狀態(tài)，大多數(shù)導軌屬于這一類。 4）邊界摩擦導軌。在滑動速度很低時，導軌面間不足以產生動壓效應。 （2） 滾動導軌 在兩導軌副接觸面間裝有球、滾子和滾針等滾動元件，具有滾動摩擦性能，廣泛的應用于進給運動和旋轉運動的導軌。 3.3 導軌設計導軌設計54v 按受力情況分 （1） 開式導軌：若導軌所承受的顛覆力矩不大

32、，在部件自重和外載作用下，導軌面a和b在導軌全長上始終保持貼合，稱為開式導軌。 （2） 閉式導軌：部件上所受的顛覆力矩M較大時，就必須增加壓板以形成輔助導軌面e，才能使主導軌面c和d都能良好地接觸，稱為閉式導軌。 3.3 導軌設計導軌設計55導軌的設計要求導軌的設計要求 3.3 導軌設計導軌設計導向精度：指動導軌運動軌跡的準確度。 精度保持性：指長期保持原始精度的能力 低速運動平穩(wěn)性：指保證導軌在作低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。剛度：足夠的剛度可以保證在額定載荷作用下，導軌的變形在允許范圍內。 結構簡單、工藝性好：設計時要注意使導軌的制造和維護方便，刮研量少。對于鑲裝導軌，應更換容易。5

33、6滑動導軌滑動導軌v 直線運動導軌 直線運動導軌截面的形狀主要有三角形、矩形、燕尾型和圓形，并可相互組合。每種導軌副之中還有凹、凸之分。 三角形導軌：它的導向性和精度保持性都高，當其水平布置時，在垂直荷載作用下，動導軌會自動下沉，自動補償磨損量，不會產生間隙。 3.3 導軌設計導軌設計57 矩形導軌： 它的剛度高、承載能力大、制造簡單、加工、檢驗和維修都很方便等優(yōu)點。但矩形導軌不可避免的存在間隙，因而導向性差。矩形導軌適應于荷載較大而導向要求略低的機床。 3.3 導軌設計導軌設計58 燕尾形導軌： 它的高度較小，可以承受顛覆力矩，間隙調整方便，用一根鑲條就可以調節(jié)各接觸面的間隙。 但是，它剛度

34、較差，加工、檢驗和維修都不是很方便。這種導軌適用于受力小、導向精度要求不高、速度較低層次多、要求間隙調整方便的地方。 3.3 導軌設計導軌設計 59 圓形導軌： 它的制造方便，工藝性好不易積存較大的切屑，但磨損后很難調整和補償間隙，主要用于受軸向荷載的場合。 3.3 導軌設計導軌設計 60 常用的組合形式： 3.3 導軌設計導軌設計 61 （a）所示為雙三角形導軌。它的導向性和精度保持性好，但由于過定位，加工、檢驗和維修都比較困難，因此多用于精度要求較高的設備，如單柱坐標鏜床。 （b）所示為雙矩形導軌。它的承載能力較大，但導向性稍差，多用于普通精度的設備。 （c）所示為三角形和矩形導軌的組合。

35、它兼有導向性好、制造方便和當度高，應用也很廣泛。例如，車床、磨床、滾齒機的導軌副等。 （d）所示為燕尾型導軌。它是閉式導軌中接觸面最少的一種結構，用一根鑲條就可調節(jié)各接觸面的間隙，如刨床的滑枕。 （e）所示為矩形和燕尾型導軌的組合。它兼有調整方便和能承受較大力矩，多用于橫梁、立柱和搖臂導軌副等。 （f）所示為雙圓柱導軌。常用于只受軸向力的場合，如攻絲機和機械手等。 3.3 導軌設計導軌設計 62v 回轉運動導軌 回轉運動導軌的截面形狀有平面、錐面和V形面三種 3.3 導軌設計導軌設計63 （a）所示為平面環(huán)形導軌。它具有承載能力大、結構簡單、制造方便的優(yōu)點。但平面環(huán)形導軌只能承受軸向載荷。這種

36、導軌摩擦小，精度高，適用于由主軸定心的各種回轉運動導軌的設備，如齒輪加工機床。 （b）所示為錐面環(huán)形導軌，母線傾角常取30度，可以承受一定的徑向載荷。 （c）、（d）、（e）所示皆為V形環(huán)面導軌，可以承受較大的徑向載荷和一定的顛覆力矩。但它們的共同缺點是工藝性差，在與主軸聯(lián)合使用時，既要保證導軌面的接觸又要保證導軌面與主軸的同心是相當困難的，因此有被平面環(huán)形導軌取代的趨勢。 3.3 導軌設計導軌設計 64v 鑲裝導軌 采用鑲裝導軌的目的，主要是提高導軌的耐磨性。有時由于結構的原因，也必須采用鑲裝導軌。在支承導軌上通常鑲裝淬硬鋼塊、鋼板和鋼帶，在動導軌上鑲裝塑料或非金屬板等。 3.3 導軌設計導

37、軌設計v 導軌間隙的調整 常用鑲條和壓板來調整導軌的間隙。（1）鑲條 鑲條用來調整矩形導軌和燕尾型導軌的側向間隙，以保證導軌面的正常接觸。鑲條應放在導軌受力較小的一側。常用的有平鑲條和楔形鑲條兩種。 65 3.3 導軌設計導軌設計平鑲條：它具有調整方便、制造容易等特點。 楔形鑲條：它的兩個面分別與動導軌和支承導軌均勻接觸，剛度高，但制造較困難。 66v 壓板 壓板用于調整輔助導軌面的間隙并承受顛覆力矩。 3.3 導軌設計導軌設計構造簡單，但調整麻煩，常用于不經常調整間隙和間隙對加工影響不太大的場合。比刮、磨壓板方便，但調整量受墊片厚度的限制，而且降低了結合面的接觸剛度。調節(jié)很方便，只要擰動調節(jié)

38、螺釘就可以了，但剛度比前兩種差，多用于經常調節(jié)間隙和受力不大的場合。67v 導軌的材料 （1）對導軌材料的要求 對其主要要求是耐磨性好、工藝性好和成本低。 （2）常用的導軌材料 1）鑄鐵：成本低，有良好的減振性和耐磨性 2）鋼：采用淬火鋼和氮化鋼的鑲裝鋼導軌，可大幅度提高導軌的耐磨性。 3）非鐵金屬：用于鑲裝導軌的非鐵金屬板的材料主要有錫青銅和鋅合金。 4）塑料：鑲裝塑料導軌具有摩擦因數(shù)小、耐磨性好、抗撕傷能力強、低速時不易出現(xiàn)爬行、加工性能和化學穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等 3.3 導軌設計導軌設計68 （3）導軌副材料的選用 在導軌副中，為了提高耐磨性和防止咬焊，動導軌和支承導軌應盡量采用

39、不用材料。如果采用相同的材料，也應采用不同的熱處理使雙方具有不同的硬度。一般說來動導軌的硬度比支承導軌的硬度約低1545 HBS為宜。 導軌材料的搭配有如下幾種： 鑄鐵鑄鐵、鑄鐵淬火鑄鐵、鑄鐵淬火鋼、非鐵金屬鑄鐵、塑料鑄鐵、淬火鋼淬火鋼等，前者為動導軌，后者為支承導軌。除鑄鐵導軌外，其他導軌都是鑲裝的。 3.3 導軌設計導軌設計69v 導軌的驗算 驗算滑動導軌，現(xiàn)階段只能驗算導軌的壓強和壓強分布。壓強大小直接影響導軌表面的耐磨性，壓強的分布影響磨損的均勻性。通過壓強分布還可以判斷是否應采用壓板，即導軌應是開式還是閉式的。 （1）驗算滑動導軌的步驟： 1）受力分析。 2）計算導軌的壓強。 3）按

40、許用強度判斷導軌設計是否可行。 4）根據壓強分布情況，判斷是否需用壓板。 3.3 導軌設計導軌設計70 （2）導軌壓強的分布 導軌所受最大、最小和平均壓強分別為： 3.3 導軌設計導軌設計)FL6M(1aLFPPPMFmax)FL6M(1aLFPPPMFminaLF)P(P21Pminmax平均2MaL6MP71 （1） ，壓強按矩形分布，這時導軌的受力情況最好，但這種情況幾乎不存在。 （2） ，由于顛覆力矩的作用，使導軌的壓強不 按矩形分布，它的合力作用點偏離導軌的中心。 （3） ，壓強按梯形分布，設計時應盡可能保證這種情況。 （4） ，壓強按三角形分布；壓強相差雖然較大，但仍可使導軌面在全

41、長上接觸，是一種臨界狀態(tài)。 （5） ，均可采用無壓板的開式導軌。 （6） ，主導軌面上將有一段長度出現(xiàn)不接觸。這時必須裝置壓板，形成輔助導軌面。 3.3 導軌設計導軌設計 0FL6M0FL6M1FL6M1FL6M61FL6M1FL6M72v 導軌的許用壓強 導軌的壓強是影響導軌耐磨性的主要因素之一。設計導軌時，如壓強取得過大，則會加劇導軌的磨損；若取得過小，又會增大導軌的尺寸。 3.3 導軌設計導軌設計導軌種類平均壓強/Mpa最大壓強/Mpa直線運動導軌主運動導軌和滑動速度大的進給運動導軌中型設備0.40.50.81.0重型設備0.20.30.40.6滑動速度低的進給運動導軌中型設備1.21.52.53.0重型設備0