數(shù)控機(jī)床本體設(shè)計(jì)

1、文懷興,夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005第7章：數(shù)控機(jī)床本體設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床本體主要包括機(jī)床床身、機(jī)床支承件以及導(dǎo)軌等部分。1數(shù)控機(jī)床支承件的功用和應(yīng)滿足的要求機(jī)床中的支承件概述支承件是機(jī)床的基本構(gòu)件，主要是指床身底座、立柱、橫梁、工作臺(tái)、箱體和升降臺(tái)等大件。這些大件的主要功能首先是支承作用，即支承其他零部件，在機(jī)床切削時(shí)，承受著一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力；其次是基準(zhǔn)作用，即保證機(jī)床在使用中或長(zhǎng)期使用后，仍能保證各部件之間正確的相互位置關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)床中的支承件有的互相固聯(lián)在一起，有的在導(dǎo)軌上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌常與支承件制成一體，也有采用裝配、鑲嵌或粘結(jié)方法與支

2、承件相聯(lián)接。支承件受力受熱后的變形和振動(dòng)將直接影響機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量。因此，正確設(shè)計(jì)支承件結(jié)構(gòu)、尺寸及布局具有十分重要的意義。支承件應(yīng)滿足的要求:（1）剛度支撐件的剛度是指支撐件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力。前者稱為靜剛度，后者稱為動(dòng)剛度。在切削力、機(jī)床部件和工件質(zhì)量等重力作用下，支承件本身、支撐件與其他部件的接觸面就會(huì)產(chǎn)生變形，機(jī)床原有的幾何精度就會(huì)被破壞，從而給加工帶來誤差；如果支撐件剛度不足，不僅會(huì)產(chǎn)生變形，還會(huì)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與爬行，從而影響機(jī)床的定位精度及其他性能。因此支撐件要有足夠大的剛度，即在額定載荷作用下，變形不得超過允許值。（是否有標(biāo)準(zhǔn)）靜剛度包括與材料性質(zhì)、形狀

3、及尺寸有關(guān)的結(jié)構(gòu)剛度，以及與接觸材料、幾何尺寸、硬度、接觸面的粗超度、幾何精度、加工方法等有關(guān)的接觸剛度。（2）抗振性（機(jī)床振動(dòng)的性能指標(biāo)描述）支承件的抗振性是指支承件抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。抵抗受迫振動(dòng)的能力是指受迫振動(dòng)的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。抵抗自激振東的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩(wěn)定性。（4）內(nèi)應(yīng)力支撐件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形。支撐件設(shè)計(jì)應(yīng)從結(jié)構(gòu)上和材料上保證其內(nèi)應(yīng)力要小。時(shí)效處理支撐件總體論述：支撐件的性能對(duì)整臺(tái)機(jī)床的性能影響很大，其質(zhì)量約為機(jī)床總質(zhì)量的80%以上，同時(shí)支撐件的性能對(duì)機(jī)床的性能影響很大，所以應(yīng)正

4、確地對(duì)支撐件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)主要支撐件進(jìn)行必要的驗(yàn)證和試驗(yàn)，使其能夠滿足基本要求，并在此前提下減輕重量，節(jié)省材料。2支撐件的靜剛度（1）受力和變形分析（2）支撐件的靜剛度支撐件的變形一般包括三部分：自身變形、局部變形和接觸變形。對(duì)于床身，載荷是通過導(dǎo)軌面施加到床身上的。變形應(yīng)包括床身自身變形、導(dǎo)軌的局部變形以及導(dǎo)軌表面的接觸變形。局部變形和接觸變形不可忽略，有時(shí)甚至占主導(dǎo)地位。例如車床的刀架和銑床的升降臺(tái)，由于層次很多，聯(lián)結(jié)變形就可能占相當(dāng)大的比重。1）提高支撐件自身的剛度支撐件抵抗自身變形的能力稱為支撐件的自身剛度，它主要決定于支撐件的材料、形狀、尺寸和肋板的布置等。在進(jìn)行支撐件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)

5、從以下幾個(gè)方面考慮提高支撐件的自身剛度。正確選擇截面的形狀和尺寸支撐件自身剛度應(yīng)主要考慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。在其它條件相同時(shí)，抗彎抗扭剛度與截面慣性矩相關(guān)。同一材料截面積相等而形狀不同時(shí)，截面慣性矩相差很大，合理選擇截面形狀可提高支撐件本身剛度。一般有以下規(guī)律：/空心截面慣性矩比實(shí)心的大無論圓形、方形或矩形，都是空心截面的剛度比實(shí)心的大，因此床身截面應(yīng)做成中空形狀。因此，在工藝條件許可的情況下，保持橫截面不變，加大外廓尺寸，減小壁厚，可提高截面抗彎、抗扭剛度。（很重要）/圓形截面的抗扭剛度比方形的大，而抗彎剛度比方形的小；同樣，環(huán)形的抗扭剛度比方框型與長(zhǎng)框型的大，而抗彎剛度小于后者。工字型截面

6、梁的抗彎剛度最好，長(zhǎng)框型次之，實(shí)心圓形最弱。所以承受彎矩為主的支撐件的截面應(yīng)采用矩形。/封閉截面比不封閉的截面剛度大。（截面上開一個(gè)缺口，剛度便大為降低，而為了排屑和在床身內(nèi)安裝一些機(jī)構(gòu)的需要，床身壁上往往必須開孔，不能做成全封閉箱形。）合理布置肋板和肋條肋板的作用是將作用于支撐件的局部載荷傳遞給其他壁板，從而使整個(gè)支撐件承受載荷，達(dá)到提高支撐件整體剛度的目的。效果比增加厚度顯著。合理的開窗和加蓋：開窗的位置對(duì)剛度的影響是不同的。若開窗后加蓋并擰緊螺釘，可將抗彎剛度恢復(fù)到接近未開孔時(shí)的程度，用嵌入蓋比面覆蓋要好。2）提高支撐件聯(lián)結(jié)剛度和局部剛度支撐件連接剛度（螺栓連接）支撐件在聯(lián)結(jié)處抵抗變形的

7、能力，成為支撐件的聯(lián)結(jié)剛度。聯(lián)結(jié)剛度與聯(lián)結(jié)處的材料、幾何形狀與尺寸、接觸面硬度及表面粗超度、幾何精度和加工方法等有關(guān)。若支撐件以凸緣聯(lián)結(jié)是，聯(lián)接剛度決定于螺釘剛度、凸緣剛度和接觸剛度。（可用于接合部設(shè)計(jì)的資料）（螺栓固定接合部，提高剛度的辦法）為了保證一定的接觸剛度，結(jié)合面處的表面粗超度R應(yīng)達(dá)到8mm，結(jié)合面上的壓力應(yīng)不小a于1.5-2Mpa。合理布置螺釘?shù)奈恢煤瓦x擇合適的螺釘尺寸可提高接觸剛度。從抗彎剛度考慮，螺釘應(yīng)均勻分布在四周，另外，在聯(lián)結(jié)螺釘?shù)妮S線平面內(nèi)布置肋條也能提高接觸剛度。提高剛度比較好的辦法是：在立柱側(cè)壁上用2個(gè)、4個(gè)和6個(gè)加強(qiáng)筋加固凸緣，抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度一個(gè)比一個(gè)高。光增加

8、凸緣的厚度，因螺栓增長(zhǎng)，身長(zhǎng)變形量增加，反而降低接觸剛度，所以凸緣厚度不宜過大支撐件局部剛度（床身-導(dǎo)軌）支承件抵抗局部變形的能力，稱為支承件局部剛度。這種變形主要發(fā)生在載荷較集中的局部結(jié)構(gòu)處，它與局部變形處的結(jié)構(gòu)和尺寸等有關(guān)。例如床身與導(dǎo)軌相聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)局部剛度影響很大。床身的基本部分較薄而導(dǎo)軌部分較厚，所以要通過過渡臂與導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)。床身肋板的布置數(shù)控機(jī)床床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身肋板一般根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足床身剛度和抗振性要求。V型肋有助于加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度、斜方肋

9、和對(duì)角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。此外，縱向肋板和橫向肋板，分別對(duì)抗彎剛度和抗扭剛度有顯著的效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板。床身導(dǎo)軌的傾斜布置可有效地改善排屑條件。截面形狀采用封閉式箱體結(jié)構(gòu)，加大了床身截面的外輪廓尺寸，使該床身具有很高的抗彎剛度和抗扭剛度。這種傾斜布置的結(jié)構(gòu)在數(shù)控車床上得到了普遍的應(yīng)用。3）支承件的動(dòng)態(tài)特性（學(xué)習(xí)重點(diǎn)?。┭芯繖C(jī)床動(dòng)力學(xué)研究什么？很好的回答動(dòng)態(tài)分析：為了獲得經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)使支承件的動(dòng)態(tài)特性滿足預(yù)定的要求。動(dòng)態(tài)分析一般是在已知系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型、外部激振力和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它包括

10、三方面問題：固有特性問題：如將支承件作為簡(jiǎn)單的振動(dòng)系統(tǒng)，其固有特性主要指系統(tǒng)的固有頻率如果作為復(fù)雜的系統(tǒng)，其固有特性包括各階固有頻率、阻尼和模態(tài)振型等。對(duì)其研究的目的，一方面是為了避免系統(tǒng)在工作時(shí)發(fā)生共振，另一方面是為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)分析。動(dòng)力響應(yīng)問題：支承件在外部激振力的作用下受迫產(chǎn)生振動(dòng)，就是支承件的動(dòng)力響應(yīng)。支承件的受迫振動(dòng)使結(jié)構(gòu)受到動(dòng)態(tài)應(yīng)力，導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞損壞。對(duì)支承件來說，更重要的是振動(dòng)響應(yīng)可能引起過大的動(dòng)態(tài)位移，影響機(jī)床的加工質(zhì)量和正常工作，產(chǎn)生過大的噪音。因此必須將其控制在一定的范圍之內(nèi)。動(dòng)力穩(wěn)定性問題：機(jī)床在一定的切削條件下，可能會(huì)產(chǎn)生切削顫振；低速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副在一定的

11、運(yùn)行條件下，也可能產(chǎn)生爬行。切削顫振、爬行都是一種自激振動(dòng)，自激振動(dòng)是一種不以外部激振為必要條件，而主要由系統(tǒng)本身的動(dòng)力特性及系統(tǒng)工作過程所決定的振動(dòng)。產(chǎn)生自激振動(dòng)的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。切削、摩擦工作系統(tǒng)的不穩(wěn)定限制了機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析的目的，就是要確定發(fā)生切削顫振和爬行的臨界條件，以使機(jī)床能在期望的工作規(guī)范內(nèi)不出現(xiàn)這種振動(dòng)。對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力穩(wěn)定性分析中，也包括了對(duì)支承件的動(dòng)力穩(wěn)定性分析。由于機(jī)床上激振力的頻率一般都不太高，只有最低幾階的固有頻率才有可能與激振頻率重合或接近。高階模態(tài)的固有頻率已遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的激振力的頻率，一般不會(huì)發(fā)生共振。因此只需對(duì)最低幾階模態(tài)進(jìn)行研

12、究。機(jī)床的振型主要有整機(jī)搖晃震動(dòng)、彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、結(jié)合面之間的平移或扭轉(zhuǎn)最低幾階振動(dòng)及薄壁振動(dòng)。理論上，各個(gè)振型都是互相影響的。但實(shí)際上，機(jī)床部件的阻尼較?。?.1）,共振峰較陡，當(dāng)各個(gè)振型的固有頻率相差超過20%時(shí)，可以認(rèn)為這些振型互不影響，可分別予以考慮。分析振型，要從其對(duì)加工精度的影響去考慮，書中的車床例子較好）改善支撐件動(dòng)態(tài)特性的措施改善支撐件的動(dòng)態(tài)特性，提高其抗振性，其關(guān)鍵是提高動(dòng)剛度。以單自由度系統(tǒng)受簡(jiǎn)諧力激振使得動(dòng)剛度為例，該式同樣適用于對(duì)多自由度系統(tǒng)的分析TOC o 1-5 h zFI2K(1)2(2)2 HYPERLINK l bookmark2A2nnF激振力的幅值；A

13、振幅：K系統(tǒng)靜剛度因此，提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度，可以采用以下一些辦法：提高系統(tǒng)的靜剛度K,增大系統(tǒng)中的阻尼比；提高系統(tǒng)的固有頻率或改變激振角頻率，以使兩者遠(yuǎn)離n需要注意的是，對(duì)于不同的激振頻率段，在提高動(dòng)剛度時(shí)，采取的措施應(yīng)有所不同，如激振頻率落在“準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)”，即0/0.60.7時(shí)，關(guān)鍵是提高結(jié)構(gòu)的靜剛度。如落在“共n振區(qū)”，即0.60.7/1.31.4時(shí)，關(guān)鍵是增加阻尼。如落在“慣性區(qū)”即n/1.31.4時(shí)，可加大質(zhì)量。n提高靜剛度措施：提高靜剛度的途徑主要有，合理地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的截面形狀和尺寸、合理地布置肋板和肋條、注意結(jié)構(gòu)的整體剛度、局部剛度和聯(lián)結(jié)剛度的匹配等。增加阻尼措施：增加阻尼是提高結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的有力措施增，大阻尼可提高動(dòng)剛度和自激振動(dòng)的穩(wěn)定性。它的效果比增加靜剛度要顯著。鑄造支撐件增加阻尼的方法，主要有附加減振材料、砂芯不清楚等。材料的選用與提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度關(guān)系也很大，鑄鐵的阻尼為鋼的2-4倍，常用作支撐件材料。如保留鑄鐵中的砂芯，在機(jī)床構(gòu)件內(nèi)腔填充混凝土等阻尼材料，當(dāng)工件受到振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)摩擦來耗散振動(dòng)能量，從而提高結(jié)構(gòu)的阻尼特性，抑制振動(dòng)。對(duì)于彎曲振動(dòng)結(jié)構(gòu)，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)，在其表面噴一層具有高內(nèi)阻尼的黏滯性材料，能使阻尼比達(dá)到0.05-0.1此外，采用粗糙加工表面或