第5章 数控机床的机械结构(1)

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1、第5章　数控机床的机械结构5.1数控机床的结构特点高的刚度及良好的抗振性能热稳定性好运动导轨副的摩擦特性好传动系统简化进给传动无间隙5.1.1机床刚度和抗振性1．基本概念（1）刚度是机床的基本技术性能之一，它反应了机床结构抵抗变形的能力。因机床在加工过程中，承受多种外力的作用，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，各部件在这些力的作用下将产生变形，变形会直接或间接地引起刀具和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，从而影响加工精度。根据承受载荷性质的不同，刚度可分为静刚度和动刚度。机

2、床的静刚度是指机床在静态力的作用下抵抗变形的能力。它与构件的几何参数及材料的弹性模量有关。机床的动刚度是指机床在动态力的作用下抵抗变形的能力。由上式可知，机床的动刚度与静刚度、激振频率与固有频率的比值、及阻尼比有关。当=1时，即两种频率相等时，为共振状态，动刚度最小。当<<1时，即激振频率远比固有频率小时，动刚度接近与静刚度。当>>1时，即激振频率远比固有频率大时，动刚度随着ω的加大而增加。当在同样的频率比的条件下，动刚度与静刚度成正比，动刚度与阻尼比也成正比，即阻尼比和静刚度越大，动刚度也越大。数控机床要在高速和重负荷条件下工作，为

3、了满足数控机床加工的高生产率、高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静刚度、动刚度和更高的抗振性。（2）抗振性高速切削是产生动态力的直接因素，数控机床在高速切削时容易产生振动。机床加工时可能产生两种振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性是指抵抗这两种振动的能力。2．提高数控机床结构刚度的措施（1）合理选择结构形式正确选择床身的截面形状和尺寸、合理选择和布置筋板、提高构件的局部刚度和采用焊接结构。如图5-1所示为数控车床的床身截面，床身导轨的倾斜布置可有效的改善排屑条件。截面形状采用封闭式箱体结

4、构，加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床身具有很高的抗弯刚度和抗扭刚度。图5-1数控车床的床身截面（2）合理安排结构布局合理的结构布局，使构件承受的弯距和扭矩减小，从而提高机床的刚度。如图5-2（a）～图5-2(c)所示，卧式加工中心的主轴箱单面悬挂在立柱侧面，切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形；而采用图5-2（d）的布局，加工中心的主轴箱置于立柱对称平面内，切削力引起的变形将显著减小。这就相当于提高了机床的刚度。图5-2数控机床的布局（3）采用补偿变形措施机床工作时，在外力的作用下，不可避免地存在变形，如果能采取一定措施减小变形对加工精

5、度的影响，其结果相当于提高了机床的刚度。对于大型的龙门铣床，当主轴部件移动到横梁中部时，横梁的下凹弯曲变形最大，为此可将横梁导轨加工成中部凸起的抛物线形，可以使变形得到补偿。（4）改善构件间的接触刚度和机床与地基联结处的刚度等。3．提高机床结构抗振性的措施（1）提高机床构件的静刚度可以提高构件或系统的固有频率，从而避免发生共振。（2）提高阻尼比在大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时因相对摩擦力较大而耗散振动能量。采用阻尼涂层法，即在大件表面喷涂一层具有高内阻尼和较高弹性的粘滞弹性材料，涂层厚度越大阻尼越大。采用减振焊缝，在保证

6、焊接强度的前提下，在两焊接件之间部分焊住，留有贴合而未焊死的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦即为阻尼，使振动减少。（3）采用新型材料和钢板焊接结构近年来很多高速机床的床身材料采用了聚合物混凝土，它具有刚度高、抗振好、耐腐蚀和耐热的特点，用丙烯酸树脂混凝土制成的床身，其动刚度比铸铁件的高出了6倍。用钢板焊接构件代替铸铁构件的趋势也不断扩大。采用钢板焊接构件的主要原因是焊接技术的发展，使抗振措施十分有效；轧钢技术的发展，又提供了多种形式的型钢。5.1.2热稳定性机床的热变形是影响机床加工精度的重要因素之一。数控机床主轴转速、

7、进给速度远高于普通机床，电动机、轴承、液压系统等热源散发的热量，切屑及刀具与工件的相对运动的摩擦产生的热量，通过传导、对流、辐射传递给机床各个部件，引起温升，产生膨胀。由于热源分布不均，散热性能不同，导致机床各部分温升不一致，从而产生不均匀的热膨胀变形，以至影响刀具和工件的正确相对位置，影响了加工精度，且热变形对加工精度的影响操作者往往难以修正。减少机床热变形的措施1．改进机床布局和结构（1）内部热源的发热是造成热变形的主要原因，因此，在机床布局时应减少内部热源，尽量考虑将电动机、液压系统等置于机床主机之外。（2）采用倾斜床身和斜滑板

8、结构，以利于排屑，还应设置自动排泄装置，随时将切屑排到机床外。同时在工作台或导轨上设置隔热防护罩，使切屑的热量隔离在机床外。（3）采用热对称结构例如卧式加工中心采用框式双立柱结构，主轴箱嵌入立柱内，并且在立柱左右导轨内侧