数控车床机械部分分析

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1、数控机床的结构分析：数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。一、提高机床结构的静刚度   机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作

2、用下，机床抵抗变形的能力。   机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如各基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正

3、和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50％。1．合理设计基础件的截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构  机床在外力的作用下，各基础件将承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯和抗扭惯性矩，抗弯,抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就高。表5-1列出了在截面积相同（即重量相同）时，不同截面形状和尺寸的惯性矩。由表中数据可知：A在形状和截面积相同时，减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度；B封闭截

4、面的刚度远远高于不封闭截面的刚度；C圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度则低于方形截面；D矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗弯刚度。因此，通过合理设计截面形状和尺寸，可大大提高基础件的结构静刚度。  图5-1所示为日本森精机SL系列数控车床的床身截面，床身导轨倾斜布置，改善了排屑条件，同时截面形状采用封闭式箱体结构，从而加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床身具有很高的抗弯、抗扭刚度。这种倾斜布置的结构为数控车床所普遍采用。图5-2所示为卧式加工中心普遍采用的框式立柱结构。从正面看，立柱截面成封闭框形，轮廓尺寸大，从而保证以高扭转刚度承受切削扭矩产生的扭转载荷。从俯视截

5、面看，两个立柱截面形状为矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用产生大的弯曲载荷的方向。因而这种结构具有很高的刚度。合理布置基础件的筋板可以提高静刚度，表5-2给出了立柱的几种不同筋板布置时的相对静刚度。从表中可知：A纵向筋板能提高立柱的抗弯和抗扭刚度，提高抗扭刚度效果更为显著；B对角线斜置筋板和对角线交叉筋板对提高立柱的刚度更为有效。表5-2 不同筋板布置时立柱的静刚度对比   图5-3所示为两种立式加工中心立柱的横截面图。由于该立柱承受弯扭组合载荷，故截面采用接近正方形的封闭外形，为了进一步提高抗弯、抗扭刚度，内部采用了斜方双层壁（相当于斜纵向筋板）和对角线交叉筋板。

6、所以，这两种立柱都有很高的抗弯、抗扭刚度。（a）XK-716型立式加工中心；  （b）STAMAMCll8型立式加工中心图5-3  立柱横截面   合理布置筋板还可提高基础件的局部刚度，图5-4所示为日本三井精机HS6A型超精密重切削卧式加工中心采用的床身结构。该床身为整体式结构，截面为封闭箱形结构，整体结构刚度很高。为了加强导轨连接的局部刚度，采用两条成Y形的斜筋支撑导轨。图5-4 三井精机HS6A型加工中心的床身结构2．采用合理的结构布局，改善机床的受力状态，提高机床的静刚度   在切削力、自重等外力相同的情况下，如果能改善机床的受力状态，减小变形，则能达到提高刚度

7、的目的。以机床主轴为例，在其他条件不变的情况下，缩短主轴前端的悬伸长度，可以减小主轴承受的弯矩，从而减小主轴前端的挠度，提高主轴的刚度。   采用合理的机床结构布局，可以显著地改善机床的受力状况，提高机床的刚度。   图5-5所示为传统的车床床身布局（见图5-5（a））与数控车床床身布局（见图5-5（b））的受力状况的分析比较。图5-5 车床床身布局设床身截面积和惯性矩及其所受切削力P相等，对传统车床，床身水平布局，床身所受扭矩为：    （5-1）对数控车床，床身倾斜布局，设倾角为β，床身所受扭矩为：      （5-2）   比较式（