第三章机床主要部件设计.ppt

第三章 机床主要部件设计,主轴组件设计支承件的设计导轨设计滚珠丝杠螺母副机构,第一节 主轴组件设计,构成：由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等组成。功能：缩小主运动的传动误差并将运动传递给工件或刀具进行切削，形成表面成形运动；承受切削力和传动力等载荷。,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,2.静刚度,1.旋转精度,3.动刚度,4.温升与热变形,5.精度保持性,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,2.静刚度,1.旋转精度,3.动刚度,4.温升与热变形,5.精度保持性,主轴组件设计,1旋转精度定义：主轴组件装配后，静止或低速空载状态下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。决定因素：取决于主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装配和调整精度。,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,2.静刚度,1.旋转精度,3.动刚度,4.温升与热变形,5.精度保持性,主轴组件设计,2.静刚度 定义：是主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴端部产生单位位移弹性变形时，位移方向上所施加的力表示。当外伸端受径向作用力P，受力方向上的弹性位移为时，主轴的刚度为,主轴组件设计,弹性位移是位移方向上的力、主轴组件结构参数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度等）的函数。为简化刚度计算，引入柔度H（m/N），即刚度的倒数。,支承轴承刚度,静刚度决定因素,主轴自身的刚度,取决于主轴的惯性矩、主轴端部的悬伸量和支承跨距,由轴承的类型、精度、安装形式、预紧程度等因素决定,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,2.静刚度,1.旋转精度,3.动刚度,4.温升与热变形,5.精度保持性,第三章 主轴组件设计,3动刚度定义：机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的能力，实际上是抵抗受迫振动和自激振动的能力。动态刚度与静刚度成正比，在共振区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比。主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐用度，是机床重要的性能指标。可通过增加静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,2.静刚度,1.旋转精度,3.动刚度,4.温升与热变形,5.精度保持性,主轴组件设计,4温升与热变形 主轴组件工作时，轴承的摩擦形成热源，切削热和齿轮啮合热的传递，导致主轴部件温度升高，产生热变形。主轴热变形可引起轴承间隙变化，轴心位置偏移，定位基面的形状尺寸和位置产生变化；润滑油温度升高后，粘度下降，阻尼降低。因此，主轴组件的热变形，将严重影响加工精度。,主轴组件设计,一、主轴组件应满足的基本要求,2.静刚度,1.旋转精度,3.动刚度,4.温升与热变形,5.精度保持性,主轴组件设计,5精度保持性定义：指长期保持其原始制造精度的能力主轴组件丧失原始精度的原因是磨损，所以精度保持性又称为耐磨性。主要磨损：主轴轴承的疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨损等。磨损影响因素：与摩擦性质，摩擦副的结构特点，摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度，以及润滑方式等有关。精度保持性影响机床使用寿命内加工精度和工作稳定性,主轴组件设计,二、主轴滚动轴承 1轴承的选择 机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为：适度预紧后，滚动轴承有足够的刚度，有较高的旋转精度，能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作；滚动轴承摩擦系数小，有利于减小发热；滚动轴承容易润滑，可以用油脂也可以用油润滑；由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成本低，经济性好。,主轴组件设计 滚动轴承,滚动轴承与滑动轴承相比，缺点为：滚动体的数量有限，因此滚动轴承旋转中的径向刚度是变化的；滚动轴承摩擦因数小，阻尼比小，易引起振动；滚动轴承的径向尺寸较大。主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，因而，有的机床前支承采用滑动轴承，后支承采用滚动轴承。,主轴组件设计滚动轴承,2主轴滚动轴承的类型选择 机床主轴较粗，主轴轴承的直径较大，轴承所承受的载荷远小于其额定动载荷，约为1/10。因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要依据。主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转速来选择。,主轴组件设计滚动轴承,轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为：推力球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承；承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低为：角接触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承。,主轴组件设计滚动轴承,滚动轴承选择的基本原则：,主轴组件设计 滚动轴承,轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高，双列轴承比单列的刚度高，且刚度是载荷的函数，适当预紧不仅能提高旋转精度，也能提高刚度。轴承的极限转速与轴承滚动体的形状有关，同等尺寸的轴承，球轴承的极限转速高于滚子轴承，圆柱滚子轴承的极限转速高于圆锥滚子轴承；同一类型的轴承，滚动体的分布圆越小，滚动体越小，极限转速越高。,主轴组件设计 滚动轴承,3轴承的精度选择 轴承的精度，应采用P2、P4、P5级和SP、UP级。SP、UP级轴承的旋转精度相当于P4、P2；内外圈的尺寸精度比旋转精度低一级，相当于P5、P4级。这是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度，适当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本。,主轴组件设计 滚动轴承,切削力方向固定不变的主轴，如：车床、铣床、磨床等，通过滚动体，始终间接地与切削力方向上的外圈滚道表面的一条线（线接触轴承）或一点（球轴承）接触，由于滚动体是大批量生产，且直径小，圆柱度误差小，其圆度误差可忽略。因此，决定主轴旋转精度的是轴承的内圈径向圆跳动，即内圈滚道表面相对于轴承内径轴线的同轴度。,主轴组件设计 滚动轴承,切削力方向随主轴的旋转同步变化的主轴，主轴支承轴颈的某一条线或点间接地跟半径方向上的外圈滚道表面对应的线或点接触，影响主轴旋转精度的因素为轴承内圈的径向圆跳动、滚动体的圆度误差、外圈的径向圆跳动。由于轴承内圈滚道直径小，且滚道外表面磨削精度高，因而误差较小。所以，主轴旋转精度主要取决于外圈的径向圆跳动，即外圈滚道表面相对于轴承外径轴线的同轴度；,主轴组件设计 滚动轴承,前轴承的精度对主轴的影响较大。故前轴承的精度应比后轴承高一级。,主轴组件设计 滚动轴承,主轴组件设计 滚动轴承,切削力方向随主轴旋转而同步变化的主轴，轴承按外圈径向圆跳动选择。由于外径尺寸较大，相同精度时误差大，若保持径向圆跳动值不变，可按内圈高一级的轴承精度选择。,主轴组件设计滚动轴承,4轴承刚度轴承存在间隙时，只有切削力方向上的少数几个滚动体承载，径向承载能力和刚度极低；轴承零间隙时，在外载作用下，轴线沿方向移动一距离，对应的半圈滚动体承载，处于外载作用线上的滚动体受力最大，其载荷是滚动体平均载荷的5倍；轴承受轴向载荷时，各滚动体承受的轴向力相等。,主轴组件设计滚动轴承,轴承所承受的径向力、轴向力分别为、，单个滚动体所承受的最大载荷、分别为,球轴承的钢球直径为，在外载作用下轴承的变形为,主轴组件设计 滚动轴承,滚子轴承线接触的长度（滚子不包括两端倒角宽度的长度）为，在外载作用下的变形为,滚子轴承的刚度为,主轴组件设计滚动轴承,零间隙时球轴承的刚度为,主轴组件设计滚动轴承,间隙有无与预紧力有关，而预紧力可以使滚动体之间产生一定过盈量，增加接触面接，提高支撑刚度和抗振性。因此，有无预紧力对轴承刚度影响较大，轴承刚度分析应考虑预紧力。,预紧程度,轻预紧,中预紧,重预紧,高速主轴,中低速主轴,分度主轴,主轴组件设计 滚动轴承,轴承承载后不受力一侧的滚动体仍能保持与滚道接触。滚子包络圆直径与外圈滚道孔径之差510,主轴组件设计 主轴,三、主轴1主轴的结构及材质选择 主轴的端部安装夹具和刀具，随夹具和刀具的标准化，主轴端部已有统一标准。主轴为外伸梁，承受的载荷从前往后依次降低，故主轴常为阶梯形。车床、铣床、加工中心等机床，为通过棒料或拉紧刀具，主轴为阶梯形空心轴。,主轴组件设计 主轴,主轴的载荷相对较小，一般情况下，引起的应力远小于钢的屈服强度。因此，机械强度不是选择主轴材料的依据。,当主轴的直径、支承跨距、悬伸量等尺寸参数一定时，主轴的惯性矩为定值；主轴的刚度取决于材料的弹性模量。但各种钢材的弹性模量 几乎没什么差别。因此刚度也不是主轴选材的依据。,主轴组件设计 主轴,主轴的材料，只能根据耐磨性、热处理方法及热处理后的变形大小来选择。耐磨性取决于硬度，故机床主轴材料为淬火钢或渗碳淬火钢，高频淬硬。普通机床主轴，一般采用45或60号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面，高频淬火，硬度为5055HRC；精密机床主轴，可采用40Cr高频淬硬或低碳合金钢（如20Cr，16MnCr5）渗碳淬火，硬度不低于60HRC。高精度机床主轴，可采用65Mn，淬硬5258HRC,主轴组件设计 主轴,主轴的材料，只能根据耐磨性、热处理方法及热处理后的变形大小来选择。,主轴组件设计 主轴精度,3 主轴的技术要求,（2）其他性能要求表面粗糙度、表面硬度等,主轴组件设计主轴图,主轴组件设计 主轴精度,主轴组件设计 主轴传动,四、主轴组件1传动方式 主轴上的传动方式，主要有带传动、齿轮传动和电动机直接驱动。带传动：靠摩擦力传递动力，结构简单，中心距调整方便；能抑制振动，噪声低，工作平稳，特别适用于高速主轴。,主轴组件设计 主轴传动,若线速度小于30m/s时，可采用V带传动，结构简单，使用维护方便；若线速度大于30m/s，可采用多楔带，在平带的基础下增加若干纵向V形楔的环形带，具有平带的柔软，V带摩擦力大的特点，承载机理仍是平带，带体薄，强度高，效率高，曲挠性能好，是近年来发展较快的一种应用广泛的传动带，有取代普通V带的趋势；,主轴组件设计 主轴传动,同步齿形带是以玻璃纤维绳芯、钢丝绳为强力层，外覆聚氨脂或氯丁橡胶的环形带，带的内周有梯形齿，与齿形带轮啮合传动，传动比准确，线速度小于60m/s；高速环形平带，用于带速恒定的传动，丝织（天然丝、锦纶或涤纶丝）高速平带线速度可达100m/s。,主轴组件设计 主轴传动,齿轮传动：轮齿的啮合传递，能传递较大的扭矩，结构紧凑，尤其适合于变速、变载传动；缺点：传递线速度小，且传动平稳性比带传动差。为降低噪声，通常采用硬齿面、小模数齿轮，尽量降低齿轮的线速度；线速度小于15m/s时，采用精度为6级的齿轮，线速度大于15m/s时，则采用5级精度齿轮。,主轴组件设计 主轴传动,电动机直接驱动：主轴直接连接在电动机上，也是精密机床、高速加工中心和数控车床常用的一种驱动形式。如转速小于3000r/min的主轴，采用异步电动机轴通过联轴器直接驱动主轴，机床可通过改变电动机磁极对数实现变速；转速小于8000r/min的主轴，可采用变频调速电动机直接驱动；高速主轴，可将电动机轴与主轴做成一体，即内装电动机主轴，转子轴就是主轴，恒速切削可采用中频电动机。,主轴组件设计 主轴传动,2传动件的布置 为了皮带更换方便，防止油类的侵蚀，带轮通常安装在后支承的外侧。多数主轴采用齿轮传动。齿轮可位于两支承之间，也可位于后支承外侧。若齿轮在两支承之间时，应尽量靠近前支承，若多 个齿轮，则大齿轮靠近前支承。由于前支承直径 大，刚度高，大齿轮靠近前支承可减少主轴的弯 曲变形，且扭矩传递长度短，扭转变形小。若齿轮位于后支承外侧时，前后支承能获得理想的 支承跨距，支承刚度高；前后支承距离较小，加 工方便，易保证同轴度，能够实现模块化生产。,主轴组件设计 主轴传动,辅助支承：增加在齿轮外侧的游隙较大的轴承，其不能预紧，以避免自身同轴度误差造成的影响。功能：提高动刚度，限制最大变形量。由于辅助支承存在间隙，因而当主轴载荷较小、变形量小于间隙值时，辅助支承不起作用；只有载荷较大、主轴辅助支承部位的变形大于间隙值时，辅助支承才起作用。,主轴组件设计 主轴传动,3主轴轴向定位,主轴组件设计 主轴传动,3主轴轴向定位,主轴组件设计 主轴传动,3主轴轴向定位,主轴组件设计 主轴参数,五、主轴主要尺寸参数的确定1主轴前支承轴颈的确定 主轴直径越大其刚度越大，主轴组件尺寸越大，在保证主轴组件刚度前提下，尽量减小轴颈D1尺寸。主轴前支承轴颈D1可按主传动功率选择，也按主参数选择，或参考同类机床来选取。,主轴组件设计 主轴参数,表3-6 主轴前支承轴颈,车床和铣床，主轴为阶梯形，磨床主轴，。,主轴组件设计 主轴参数,与实心主轴惯性矩的比值为,2主轴内孔直径的确定许多机床都是空心主轴，由力学可知，外径为、内径为 的空心轴的惯性矩为,主轴组件设计 主轴参数,从表中可看出，0.7，刚度衰减加快。因此，机床上规定0.7。,主轴组件设计 主轴参数,3主轴前端部悬伸量的确定 定义：主轴定位基面至前支承径向支反力作用点之间的距离。悬伸量a一般取决于主轴端部的结构形式和尺寸、主轴轴承的布置形式及密封形式。在满足结构要求的前提下，应尽量减少悬伸量，提高主轴的刚度。初步确定时可取a=D1。,主轴组件设计 主轴参数,为缩短悬伸量，主轴前端部可采用短锥结构；推力轴承放在前支承内侧，采用角接触轴承取代径向轴承，接触线与主轴轴线的交点在前支承前面。推力轴承和主轴传动件产生位置矛盾时，由于悬伸量对主轴刚度的影响大，应首先考虑悬伸量，使传动件距前支承略远一些。,主轴组件设计 主轴参数,4主轴支承跨距的确定 主轴组件的刚度主要取决于主轴的自身刚度和主轴的支承刚度。主轴自身的刚度与支承跨距成反比，即在主轴轴颈、悬伸量等参数一定时，跨距越大，主轴端部变形越大；主轴轴承弹性变形引起的主轴端部变形，则随跨距的增大而减小，即跨距越大，轴承刚度对主轴端部的影响越小。,主轴组件设计 主轴参数,根据叠加原理，主轴端部的最大变形量是弹性主轴引起的主轴端部变形和刚性支承引起的主轴端部变形的代数和。跨距减小时，主轴弯曲变形较小，但支承变形引起的主轴端部位移量增大；跨距增大时，主轴弯曲变形增大，同样也增大了主轴前端的位移量,主轴组件设计 刚度校核,5主轴组件的刚度校核 结构设计完成后，所有的结构和尺寸参数已经确定，由于主轴组件是机床最关键的部件之一，因此必须校核计算主轴组件在计算转速、额定载荷时的刚度或挠度。,主轴组件的静刚度 受载后主轴端部的变形量主轴组件的动刚度 工作后主轴端部振动弯曲量切削稳定性 加工过程中，切削变化量,主轴组件设计,提高旋转精度 在保证主轴制造精度，保证轴承精度的同时，采用定向误差装配法可进一步提高主轴组件的旋转精度。主轴锥孔的测量心轴的径向圆跳动值1、主轴轴承的径向圆跳动量z1、z2，主轴端部的径向圆跳动值三者的综合反映。因此，这三项误差按一定方向装配，可使误差相互抵消。,6.提高主轴部件性能的措施,主轴组件设计,主轴组件设计,提高刚度 除提高主轴自身刚度外,可采用以下措施：角接触轴承为前支承时，接触线与主轴轴线的交点应位于轴承前面。传动件应位于后支承外侧，且传动力使主轴端部变形的方向，和切削力造成的主轴端部的变形方向不同，两者的夹角应大一些，最佳为180o，以部分补偿切削力造成的变形；主轴为带传动时，应采用卸荷式机构，避免主轴承受传动带拉力；齿轮也可采用卸荷式机构。适当增加一个支承内的轴承数目，适度预紧，采用辅助支承，以提高支承刚度。,主轴组件设计,提高动刚度 除提高主轴组件的静刚度，使固有频率增高，避免共振外，可采用如下措施：用圆锥液压涨套取代螺纹等轴向定位件；径向定位采用小锥度过盈配合或渐开线花键；滑移齿轮采用渐开线花键配合。采用三支承主轴。旋转零件的非配合面全部进行较精密的切削加工，并作动平衡实验。,主轴组件设计,设置消振装置，增加阻尼。a.可在较大的齿轮上切削出一个圆环槽，槽内灌注铅，主轴转动时，铅就会产生相对微量运动，消耗振动能量，从而抑制振动；b.如果是水平主轴，可采用动压滑动轴承，提高轴承阻尼；c.圆锥滚子轴承的滚子大端有滑动摩擦，阻尼比其他滚动轴承高，因而在极限转速许可的情况下，优先采用圆锥滚子轴承，增加滚动轴承的预紧力，也可增加轴承的阻尼。采用动力油润滑轴承，控制温升，减少热变形。,第二节 支承件的设计,内容：包括床身、立柱、横梁、摇臂、箱体、底座、工作台、升降台等功能：它们相互连接构成机床基础，支承机床工作部件，并保证机床零部件的相对位置和相对运动精度。因此，支承件决定了机床的动态刚度，支承件设计是机床设计的重要环节之一。,支承件的设计,一、支承件应满足的基本要求 1）支承件应有足够的静刚度和较高的固有频率。,支承件的静刚度,整体刚度,局部刚度,接触刚度,支承件的设计,支承件的整体刚度又称为自身刚度，与支承件的材料以及截面形状、尺寸等影响惯性矩的参数有关。局部刚度是指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。如床身导轨的刚度，主轴箱在主轴轴承孔处附近部位的刚度，摇臂钻床的摇臂在靠近立柱处的刚度以及底座安装立柱部位的刚度等。,支承件的设计,接触刚度是指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力，接触刚度用结合面的平均压强p（MPa）与变形量（m）之比表示。由于结合面在加工中存在平面度误差和表面精度误差a.当接触压强很小时，结合面只有几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低；b.接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩大，变形量的增加比率小于接触压强的增加，因而接触刚度较高。接触刚度是压强的函数，随接触压强的增加而增大。,支承件的设计,接触刚度还与结合面的结合形式有关，活动接触面（结合面间有相对运动）的接触刚度小于等接触面积固定接触面（结合面间无相对运动）的接触刚度。由此可知，接触刚度取决于结合面的表面粗糙度和平面度、结合面的大小、材料硬度、接触面的压强等因素。,支承件的设计,支承件的固有频率是刚度与质量比值的平方根，即，固有频率的单位为。当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）的频率接近固有频率时，支承件将产生共振。设计时应使固有频率高于激振频率30%，即 01.3，故支承件应有较高的固有频率。在满足刚度的前提下，应尽量减小支承件质量。另外，支承件的质量往往占机床总质量的80%以上，固有频率在很大程度上反映了支承件的设计合理性。,支承件的设计,2）良好的动态特性。支承件应有较高静刚度、固有频率，使整机的各阶固有频率远离激振频率，在切削过程中不产生共振；支承件还必须有较大的阻尼，以抑制振动的振幅；薄壁面积应小于400400，避免薄壁振动；3）支承件应结构合理，成形后进行时效处理，充分消除内应力，形状稳定，热变形小，受热变形后对加工精度的影响较小。4）支承件应排屑畅通；工艺性好，易于制造，成本低；吊运安装方便。,支承件的受力分析,二、支承件的受力分析 支承件的静力分析是支承件设计的首要环节。通过受力分析，找出影响支承件刚度的最大因素；根据分析计算，相关技术资料，进行结构设计。支承件的功能是支承和承载。因而支承件承受多个载荷，如切削力，所支承零部件的重力、传动力等。按照各载荷对机床支承件的不同影响，将机床分为中小型机床、精密和高精度机床、大型机床。,支承件的受力分析,中小型机床 该类机床的载荷以切削力为主。工件的重量、移动部件（如中小型卧式车床的刀架）的重量等相对较小，支承件在受力分析时可忽略不计。精密和高精度机床 该类机床的工艺特性是精加工，切削力小，支承件在受力分析时可忽略。载荷以移动部件的重量和热应力为主。如双柱立式坐标镗床的横梁，受力分析时，主要考虑主轴箱在横梁中部时，引起的横梁弯曲和扭转变形。,支承件的受力分析,大型机床 该类机床加工的工件大而重，切削力大，移动部件的质量也较大，因而支承件受力分析时，工件重量、移动部件重量和切削力都要考虑。如重型车床、落地式车床、落地式镗铣床、龙门式铣刨床等。,支承件的受力分析,静力分析时，通常 将截面尺寸远小于长度或高度的支承件简化为梁或柱；将截面尺寸远大于高度或长度的支承件简化为板；将截面尺寸与长度或高度为同一尺寸数量级的支承件视为箱体。,支承件的受力分析,支承件的受力分析,以车床为例，进行静力分析。车刀位于床身中部，横向切削，载荷为主切削力、径向切削力；床身扭转中心为O。使床身在方向 产生弯曲变形，变形量为；使床身在方向 上产生弯曲变形，变形量为。,支承件的受力分析,、产生绕z轴的扭转力矩为：,使床身扭转变形，扭转角为。,因此在设计卧式车床车身时，应根据弯曲变形、扭转变形进行结构设计,支承件的受力分析,三、支承件的结构设计 支承件的变形，主要是弯扭变形。而抗弯刚度、抗扭刚度都是截面惯性矩的函数，随着支承截面惯性矩的增大而增大。,支承件的结构设计,支承件的结构设计,支承件的结构设计,1.空心截面比实心截面的惯性矩大；加大轮廓尺寸，减少壁厚，可提高支承件的刚度；设计时在满足工艺要求的前提下，应尽量减小壁厚。2.方形截面的抗弯刚度比圆形截面的抗弯刚度大，而抗扭刚度比圆形截面的抗扭刚度低；矩形截面在高度方向上的抗弯刚度比方形截面的抗弯刚度大，而宽度方向上的抗弯刚度和抗扭刚度比方形截面的抗弯刚度和抗扭刚度小。,支承件的结构设计,因此，承受一个方向弯矩为主的支承件，其截面形状应为矩形，高度方向应为受弯方向；承受弯扭组合作用的支承件，截面形状应为方形；承受纯扭矩的支承件，其截面形状应为圆环形。3.不封闭截面的刚度远小于封闭的截面刚度，其抗扭刚度下降更大。因此，在可能的情况下，应尽量把支承件做成封闭形状。截面不能封闭的支承件应采取补偿刚度的措施。,支承件的结构设计,四、提高支承件静刚度的措施 1.隔板和加强肋 连接外壁之间的内壁称为隔板，又称为肋板。隔板的作用是将局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件能比较均匀地承受载荷。因此，支承件不能采用全封闭截面时，应采用隔板等措施加强支承件的刚度。,提高支承件静刚度的措施,纵向隔板能提高抗弯刚度。当纵向隔板的高度方向与 相同时，增加的惯性矩为；当纵向隔板的高度方向与 垂直时，增加的惯性矩为，由于，所以纵向隔板的高度方向应垂直于弯曲面的中性层。,提高支承件静刚度的措施,横向隔板能提高抗扭刚度。方框形截面（）悬臂梁（）无横向隔板时的相对抗扭刚度为1；当增加端面横向隔板1时，抗扭刚度提高3倍；均匀布置三条横向隔板后，即抗扭刚度提高7倍。一般情况下，横向隔板的间距。,提高支承件静刚度的措施,可将斜向隔板视为折线式或波浪形的纵向隔板，隔板和前后壁每连接一次，形成一个横隔板，即斜隔板是由多个横隔板和纵隔板的连续组合而形成的。因此可提高抗弯和抗扭刚度。,较长的支承件常采用这种隔板,提高支承件静刚度的措施,加强肋又称为肋条。一般配置在外壁内侧或内壁上,高度约为支承件壁厚的5倍。其主要用途是加强局部刚度和减少薄壁振动。,提高支承件静刚度的措施,支承件的壁厚可根据当量尺寸C来选择，而当量尺寸C来由支承件的长、宽、高来确定，即：,提高支承件静刚度的措施,隔板的厚度可取(0.81)t；加强肋的厚度可取(0.70.8)t。,提高支承件静刚度的措施,提高支承件静刚度的措施,2.支承件开孔后的刚度补偿 立柱或梁中为安装机件或工艺的需要，往往需要开孔，但开孔会造成刚度损失。刚度的降低与孔的位置和大小有关。,提高支承件静刚度的措施,提高支承件静刚度的措施,提高支承件静刚度的措施,a.在弯曲平面垂直的壁上开孔，抗弯刚度损失大于在弯曲平面平行的壁上开孔的抗弯刚度损失；b.在立柱或梁上开孔，抗扭刚度的损失比抗弯刚度的损失大。c.对于矩形截面的抗扭刚度，在较窄的壁上开孔，对刚度的影响比在较宽的壁上开孔的影响大。,提高支承件静刚度的措施,在孔周边翻边，可增加局部刚度，翻边直径与孔径之比 2，壁厚与翻边高度的比值 2时，刚度增加较大。,为弥补开孔后的刚度损失，可在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上，也可将孔的周边加厚（翻边）。在翻边的基础上，加嵌入式盖板，补偿效果最佳。,提高支承件静刚度的措施,一般情况下，立柱或梁外壁上开孔的尺寸应小于该方向尺寸的20%；如开孔尺寸不大于该方向尺寸的10%，则孔的存在对刚度的影响较小，故不需进行刚度补偿。,提高支承件静刚度的措施,3.提高接触刚度 相对滑动的连接面和重要的固定结合面须进行精磨或配对刮研，以增加真实的接触面积，提高其接触刚度。固定结合面精磨时，Ra1.6m；配对刮削时，在25.4mm25.4mm平面内，高精度机床均布的刮研点数不少于12点，精密机床为8点，普通机床应不少于6点。,提高支承件静刚度的措施,紧固螺栓应使结合面有不小于2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大真实的结合面积，提高结合刚度。结合面承受弯矩时，应使较多的紧固螺栓布置在受拉一侧，承受拉应力；结合面承受扭矩时，螺栓应远离扭转中心，均匀地分布于四周。,提高支承件静刚度的措施,支承件的连接凸缘可采用加强肋增加局部刚度,支承件的材料,五、支承件材料,支承件的材料,支承件的材料,支承件的材料,提高支承件动刚度,六、提高支承件动刚度 机床存在许多运动接触面和固定接触面，这些接触面的接触刚度和接触面的阻尼比是不同的；结构在不同的方向具有不同的刚度，因而机床存在许多固有频率和主振型。常见的振动有：（1）整机摇晃振动；（2）结合面间的相对振动；（3）零部件的本体振动。,提高支承件动刚度,整机摇晃振动：机床整体在地基支承上的振动。决定因素：支承件联接部位和基础的刚度与阻尼。结合面间的相对振动：指整个部件作为一个刚体在结合面处相对于另一部件的直线振动或扭转振动。零件的本体振动：主轴组件的弯曲振动、传动系统的扭转振动、支承件的弯曲振动和扭转振动等。,提高支承件动刚度,各种振动对加工精度的影响并不相同 对车床来讲，整机摇晃振动引起刀具和工件的相对振动较小，只要刀架、溜板箱、主轴箱中没有与整机摇晃振动相同固有频率的零件，其危害就不大。车身的一次水平弯曲，引起工件与刀具之间的相对振动，该振动直接影响加工精度。床身的扭转振动，也在刀具和工件之间引起有害的振动，且影响是线性的，使加工件留下振纹。扭转振动和一次弯曲振动频率低，易在主轴范围内多刃切削时形成共振，危害较大。,提高支承件动刚度,提高支承件动刚度的措施：1.提高静刚度和固有频率 在不增加支承件质量的前提下，合理地选择支承件的截面形状，合理地布置隔板和加强肋，是提高静刚度和固有频率的简单而有效的方法。,2.增加阻尼（1）改善阻尼特性（2）采用新型材料 3.提高热稳定性,提高支承件动刚度,提高支承件动刚度,第三节 导 轨 设 计,一、导轨的功能和基本要求 功用：支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动，承受其支承的运动部件和工件（刀具）的质量及切削力。可按运动性质、摩擦性质、受力状态对导轨进行分类。,导 轨 设 计,按运动性质可分为：主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨。主运动导轨副之间相对运动速度较高，主要用于立车花盘，龙门铣刨床、普通刨插床以及拉床、插齿机等的主运动导轨；进给运动导轨副之间的相对运动速度较低，机床中大多数导轨属于进给运动导轨。移置导轨的功能是调整部件之间的相对位置，在机床工作中没有相对运动，如卧式车床的尾座导轨等。,导 轨 设 计,按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨又细分为静压滑动导轨、动压滑动导轨和普通滑动导轨。静压导轨是液体摩擦，导轨副之间有一层压力油膜，多用于高精度机床进给导轨。动压导轨也是液体摩擦，与静压导轨的区别仅在于油膜的形成不同，静压导轨靠液压系统提供压力油膜；动压导轨利用滑移速度带动润滑油从大间隙处向狭窄处流动，形成动压油膜；因而动压导轨适用于运动速度较高的主运动导轨。,导 轨 设 计,普通滑动导轨为混合摩擦，导轨间有一定动压效应，但由于速度较低，油楔不能隔开导轨面，导轨面仍处于直接接触状态。机床中大多数导轨属于混合摩擦。滚动导轨在导轨面间装有滚动元件（绝大多数为钢球），因而是滚动摩擦，广泛应用于数控机床和精密、高精度机床中。,按受力状态可分为开式导轨和闭式导轨。开式导轨利用部件质量和载荷，使导轨副在全长上始终保持接触；不能承受较大的倾覆力矩，适用于大型机床的水平导轨。当倾覆力矩较大时，为保持导轨副始终接触，需增加辅助导轨副，从而形成闭式导轨。,导 轨 设 计,导 轨 设 计,导轨应满足如下要求：1.导向精度 导向精度主要是指导轨副相对运动时的直线度或圆度。影响导向精度的因素很多，如导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式和装配精度，导轨和支承件的刚度和热变形等；对于动压导轨和静压导轨，还与油膜刚度有关。,导 轨 设 计,2精度保持性 精度保持性是导轨设计制造的关键，也是衡量机床优劣的重要指标之一。影响精度保持性的主要因素是磨损，即导轨的耐磨性。常见的磨损形式：磨料（或磨粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和疲劳磨损。,导 轨 设 计,磨料磨损常发生在边界摩擦和混合摩擦状态，磨粒夹在导轨面间随之相对运动，形成对导轨表面的“切削”，使导轨面划伤。磨料的来源是润滑油中的杂质和切屑微粒。磨料的硬度越高，相对运动速度越高，压强越大，对导轨副的危害就越大。磨料磨损是不可避免的，因而减少磨料磨损是导轨保护的重点。,导 轨 设 计,粘着磨损又称为分子机械磨损，在载荷作用下，实际接触点上的接触应力很大，以致产生塑性变形，形成小平面接触，在没有油膜的情况下，裸露的金属材料分子之间的相互吸引和渗透，将使接触面形成粘结而发生咬焊。当存在薄而不匀的油膜时，导轨副相对运动，油膜就会被压碎破裂，造成新生表面直接接触，产生咬焊粘着。导轨副的相对运动使摩擦面形成粘结咬焊、撕脱、再粘着的循环过程。,导 轨 设 计,粘着磨损与润滑状态有关，干摩擦和半干摩擦状态时，极易产生粘着磨损，机床导轨应避免粘着磨损。接触疲劳磨损发生在滚动导轨中。滚动导轨在反复接触应力的作用下，材料表层疲劳，产生点蚀。同样接触疲劳磨损也是不可避免的，它是滚动导轨、滚珠丝杠的主要失效形式。,导 轨 设 计,3刚度 导轨承载后的变形，影响部件之间的相对位置和导向精度。因此要求导轨应具有足够的刚度。导轨的变形包括接触变形、扭转变形以及由于导轨支承件变形而引起的导轨变形。导轨的变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承件的连接方式、受载情况等。,导 轨 设 计,4低速运动平稳性 当进给传动系统低速转动或间歇微量进给时，应保证导轨运行平稳、进给量准确，不产生爬行（时快时慢或时走时停）现象。低速运动平稳性与导轨的材料及结构尺寸、润滑状况、动静摩擦因数之差、导轨运动的传动系统刚度有关。低速运动平稳性对高精度机床尤为重要。5结构简单、工艺性好。,滑动导轨结构设计,二、滑动导轨结构设计 1.导轨的截面形状 导向是导轨的主要功能，要使动导轨严格按规定的轨迹运动，须限定除运动轨迹外的五个自由度。因导轨的摩擦面宽度较小，故导轨可视为窄定位板。,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,滑动导轨结构设计,提高滑动导轨耐磨性的措施,三、提高滑动导轨耐磨性的措施1选用合适的材料,提高滑动导轨耐磨性的措施,提高滑动导轨耐磨性的措施,提高滑动导轨耐磨性的措施,提高滑动导轨耐磨性的措施,提高滑动导轨耐磨性的措施,提高滑动导轨耐磨性的措施,2导轨面的精加工方法及其精度 提高导轨的表面精度，增加真实的接触面积，能提高导轨的耐磨性。导轨表面一般要求0.8m。精刨导轨时刨刀沿一个方向切削，使导轨表面疏松，易引起粘着磨损，所以导轨的精加工尽量不用精刨。磨削导轨能将导轨表层疏松组织磨去，提高耐磨性，可用于导轨淬火后的精加工。,提高滑动导轨耐磨性的措施,刮削导轨表面接触均匀，不易产生粘着磨损，不接触的表面可储存润滑油，提高耐磨性；但刮削工作量大。因此，长导轨面一般采用精磨；短导轨面和动导轨面可采用刮削。精密机床（如坐标镗床、导轨磨床）导轨副，导轨表面质量要求高，可在磨削后刮研。,3导轨的许用压强对导轨耐磨性的影响 导轨的压强是影响导轨耐磨性的主要因素之一。导轨的许用压强选取过大，会导致导轨磨损加快；若选取过小，又会增加导轨尺寸。,提高滑动导轨耐磨性的措施,动导轨材料为铸铁、支承导轨材料为铸铁或钢时，中型通用机床，主运动导轨和滑动速度较大的进给运动导轨，平均许用压强为0.40.5，最大许用压强为0.81.0；滑动速度较低的进给运动导轨，平均许用压强为1.21.5，最大许用压强为2.53.0。,提高滑动导轨耐磨性的措施,导轨运动精度要求高的机床和承载能力大的重型机床，为减少导轨面的接触压强，减小静摩擦因数，提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，可采用卸荷导轨。,提高滑动导轨耐磨性的措施,4导轨的润滑对耐磨性的影响 从摩擦性质来看，提高动压效应，改善摩擦状态，可提高导轨的耐磨性。动压效应影响因素：导轨的滑移速度、润滑油粘度、导轨面上油槽的形式和尺寸。导轨副相对滑移速度越高，润滑油的粘度越大，动压效应越显著。,提高滑动导轨耐磨性的措施,提高滑动导轨耐磨性的措施,静压导轨,直线滚动导轨,五、直线滚动导轨 导轨副摩擦面之间放置滚动体，使滑动摩擦变为滚动摩擦，形成滚动导轨。优点：摩擦因数小()，且静、动摩擦因数很接近。因此，滚动导轨起动功率小，运动平稳，不易出现爬行；重复定位精度可达0.10.2m；磨损小，精度保持性好，寿命长；可采用油脂润滑，润滑系统简单。缺点：抗振性能较差；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。滚动导轨适用于对运动灵敏度要求高的机床，如精密机床（M1432A等）和各种数控机床。,低速运动平稳性,六、低速运动平稳性,低速运动平稳性,低速运动平稳性,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,滚珠丝杠螺母副机构,本章基本知识点,