机床的传动设计5.pptx

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1、第十节 结构设计支承件设计 机床的支承件包括床身、立柱、横梁、摇臂、箱体、底座、工作台、升降台等，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。主要功能：承受各种载荷及热变形，保证机床各零部件之间的相互位置和相对运动精度，从而保证加工质量。一、支承件应满足的基本要求如下：第1页/共48页第十节 结构设计支承件设计 足够的刚度和较高的刚度质量比，后者反映设计的合理性。较好的动态特性 较好的动态刚度和阻尼，与其他部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率相重合而产生共振；不会发生薄壁振

2、动而产生噪声等。热稳定性好 热变形对机床的加工精度的影响小。结构工艺性好 排削畅通、吊运安全，具有较好的结构工艺性。成形后进行时效处理，充分消去内应力。第2页/共48页第十节 结构设计支承件设计 二、支承件的结构设计 一台机床支承件的质量可能占其总质量的80%-85%，同时，支承件的性能对整机性能影响很大，支承件结构设计很重要。首先要根据其实用要求进行受力分析，再根据受力和其他要求（如排削、吊运等)，并参考现有机床的同类型件，初步确定其形状和尺寸。然后运用计算机进行有限元分析，求得其静态刚度和动态特性，对设计进行修改和完善，选出最佳结构形式。保证支承件具有良好的性能，尽量降低质量，节约成本。第

3、3页/共48页第十节 结构设计支承件设计 1、支承件的截面形状选择表表3-10 截面形状与惯性矩的关系截面形状与惯性矩的关系序序 号号1234截面形截面形状状惯惯性性矩矩相相对对值值抗弯抗弯1.03.025.03抗扭抗扭1.03.025.030.07第4页/共48页第十节 结构设计支承件设计 表表3-10 截面形状与惯性矩的关系截面形状与惯性矩的关系截面形截面形状状惯惯性性矩矩相相对对值值抗弯抗弯1.043.197.377.33抗扭抗扭0.882.694.401.65第5页/共48页第十节 结构设计支承件设计 合理的支承件结构设计能保证在最小的质量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭

4、转刚度，均与截面惯性矩成正比。比较8种不同截面的抗弯和抗扭惯性矩的比较，得出如下结论：空心截面的惯性矩比实心的大 同样的截面形状，加大外轮廓尺寸，减小壁厚，可提高截面抗弯、抗扭刚度。设计时，尽量采用空心截面，加大外轮廓尺寸，在工艺条件允许的条件下，尽可能减小壁厚。太薄会出现薄壁振动。方形截面的抗弯刚度高于圆形截面，而抗扭刚度较低。以承受转矩为主的支承件采用圆形截面。以承受弯矩为主的采用方形或矩形截面。第6页/共48页第十节 结构设计支承件设计 封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭，因此，在可能的条件下，尽量把支承件的截面做成封闭的框形。但排削、清砂、安装电器件、液压件、传动件等，很

5、难做成全封闭的形状。2、支承件肋板和肋条的布置 肋板即隔板，是连接支承件四周外壁的内板。能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身刚度。布置形式：纵向肋板、横向肋板和斜向肋板。第7页/共48页第十节 结构设计支承件设计 纵向肋板提高支承件的抗弯刚度，横向肋板提高支承件的抗扭刚度，斜向肋板二者兼有。上图中纵向肋板如果横放，达不到效果。肋条，即加强筋，配置于支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动。用来提高支承件的局部刚度。布置形式：纵向、横向、斜向和交叉排列。第8页/共48页第十节 结构设计支承件设计 肋条必须位于壁板的弯曲平面内，才能有效的减少

6、壁板的弯曲变形。第9页/共48页第十节 结构设计支承件设计 3、合理选择支承件的壁厚 根据工艺上的可能，铸铁支承件尽可能选择壁厚较薄。当量尺寸由公式：确定。式中：L、B、H分别为支承件的长、宽、高，单位为m。铸铁支承件壁厚t推荐值（单位：（单位：mm)C0.75 1.0 1.5 1.8 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0t81012141618202225第10页/共48页第十节 结构设计支承件设计 焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。（P105，表3-12）三、支承件的材料 支承件常用的材料有铸铁、钢板、型钢、预应力钢筋混凝土、天然花岗石、树脂混凝土等。1、铸铁 一般支承件用灰铸铁制成

7、，在铸铁中加入少量合金元素如铬、硅、稀土元素等可提高其耐磨性。铸铁铸造性能好，容易得到复杂的形状，且阻尼大，有良好的抗振性能。铸件因壁厚不匀导致在冷却过程中产生铸造应力，所以铸造后必须进行时效处理，并尽量采用自然时效。第11页/共48页第十节 结构设计支承件设计 2、钢板和型钢 用钢板和型钢焊接支承件，制造周期短，不用制作木模，特别适合于生产数量少、品种多的大中型机床床身的制造。钢的弹性模量 ，铸铁的弹性模量 ，钢的弹性模量约为铸铁的1.7倍，所以钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的1.45倍。刚度要求相同时，钢板焊接床身的壁厚比铸铁床身减少1/2，质量减小20%30%。缺点：抗振性较铸铁差。

8、第12页/共48页第十节 结构设计支承件设计 3、预应力钢筋混凝土 预应力钢筋混凝土主要制作不常移动的大型机床的床身、底座、立柱等支承件。钢筋的配置和预应力的大小对钢筋混凝土的影响较大。当三个坐标方向都设置钢筋，且预应力皆为120150kN时，预应力钢筋混凝土支承件的刚度比铸铁高几倍，且阻尼比铸铁大，抗振性能优于铸铁；制造工艺简单，成本低。缺点：脆性大，耐性差蚀，油渗入后使材质疏松。所以表面应进行喷漆或喷涂塑料，或将钢筋混凝土周边用金属板覆盖，金属板间焊接封闭结构。支承件的连接，可采用预埋加工后的金属件，或二次浇注。第13页/共48页第十节 结构设计支承件设计 4、天然花岗石 性能稳定，精度保

9、持性好；抗振性好，阻尼系数比钢大15倍；耐磨性比铸铁高56倍；导热系数和线膨胀系数小，热稳定性好；抗氧化性好；不导电；抗磁等。用于三坐标仪等。5、树脂混凝土 是制造机床床身的新型材料，又称为人造花岗岩。四、提高支承件结构性能的措施 1、提高支承件的静刚度和固有频率 根据支承件的受力情况合理地选择支承件的材料、截面形状和尺寸，合理布置肋板和肋条，提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。第14页/共48页第十节 结构设计支承件设计 提高接触刚度，不仅导轨面，重要的结合面必须配磨合配刮。2、提高动态特性 改善阻尼特性 合理选择材料 3、提高热稳定性 散热和隔热 均衡温度场 热对称结构 采用热补偿装置

10、第15页/共48页第十节 结构设计导轨设计 一、导轨的功用和应满足的基本要求 1、导轨的功用和分类 导轨的功用是支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动。它承受其支承的运动部件和工件（或刀具）的质量及切削力。导轨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

11、滑动导轨和普通滑动导轨。第16页/共48页第十节 结构设计导轨设计 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；开式导轨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（由压块和床身导轨的下底面a组成），从而形成闭式导轨。第17页/共48页第十节 结构设计导轨设计 2、导轨应满足的要求 导向精度 导向精度主要是指导轨副相对运动时的直线度（直线运动导轨）或圆度（圆周运动导轨）。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

12、压导轨和静压导轨，还与油膜刚度有关。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。常见的磨损形式有：磨料（或磨粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和疲劳磨损。第18页/共48页第十节 结构设计导轨设计 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。结构简单、工艺性好。在可能的情况下，尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。

13、对于刮研导轨，尽量减少刮研量；对于镶装导轨，更换容易。第19页/共48页第十节 结构设计导轨设计 5、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。第20页/共48页第十节 结构设计导轨设计 二、导轨的材料 导轨材料主要要求：耐磨性好、工艺性好、成本低。常用的导轨材料有：铸铁、钢、有色金属和塑料，铸铁应用最为广泛。1、铸铁 铸铁的成本低，减振性和耐磨性好，易于铸造和加工。常用HT200或者HT300。导轨表面淬火

14、，高频淬火、中频淬火及电接触自冷淬火。55HRC的表面硬度。2、钢 采用淬火钢的镶钢导轨，耐磨性提高。淬火碳素钢或合金钢导轨分段镶装在床身上，每段长度为500700mm。第21页/共48页第十节 结构设计导轨设计 在钢制床身上镶装导轨，一般采用焊接的方法，在铸铁床身上镶钢导轨，常用螺钉或锲块紧固。（P111）3、有色金属 用于镶装的有色金属材料主要有锡青铜、铝青铜和锌合金等。多用于重型机床的动导轨上，与铸铁的支承导轨相搭配。耐磨性好，可以防止导轨撕伤、保证运动的平稳性和提高移动精度。4、塑料 塑料软带 用于镶装导轨的塑料主要为氟塑料导轨软带。优点：防止爬行；耐磨性高，能够自润滑，可在干摩擦条件

15、下工作；化学稳定性好，耐酸、耐碱、耐高温；质地较软，不易划伤配合导轨；维修方便。缺点：不能承受较大局部压强的导轨。第22页/共48页第十节 结构设计导轨设计 、金属塑料复合导轨板 在镀铜的钢板上烧结一层多孔青铜粉，在青铜的孔隙中轧入聚四氟乙烯及其填料，经处理后形成金属氟塑料的导轨板。优点：摩擦性好、导热性好。（P112）5、导轨副材料的选用 在导轨副中，为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应分别材料不同的材料或者采用不同的热处理方式，使其具有不同的硬度。在滑动导轨副中，动导轨采用镶装塑料导轨软带，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁。或者动导轨采用不淬火铸铁，支承导轨采用淬火钢或淬火铸铁。对于高

16、精度的机床，导轨需用刮研的方法精加工，采用不淬火的耐磨铸铁导轨副。移置导轨采用不淬火的普通铸铁导轨副。长导轨要用耐磨和硬度较高的材料制造。第23页/共48页第十节 结构设计导轨设计 三、滑动导轨 1、滑动导轨的结构 直线运动导轨的截面形状 导向是导轨的主要功能，要使动导轨严格按规定的轨迹动，须限定除运动轨迹外的五个自由度。支承导轨制造或安装在床身、立柱、横梁、摇臂等支承件上，导轨的摩擦面宽度远小于运动长度，因而导轨可视为窄定位板，只能限制两个自由度；在一个坐标面中的两条窄支承平面a、b形成一个定位平面，可限制三个自由度；要准确导向，需增加另一坐标面上的窄支承平面c，以限制两个自由度。从而形成最

17、基本的双矩形导轨。第24页/共48页第十节 结构设计导轨设计 矩形导轨 矩形导轨广泛用于普通精度机床和中型机床中，如中型车床、组合机床、升降台铣床，数控机床等。为使面定位可靠，保证导向精度，应用镶条调整面与动导轨结合面之间的间隙。三角形导轨 三角形和矩形导轨的组合兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点，广泛用于车床、磨床、龙门铣、龙门刨、滚齿机、坐标镗床等机床的床身导轨。当减小角度 的值时，三角形导轨的导向性能提高而承载能力和刚度下降；增加角度 的值时，则相反。因此，一般机床的三角形导轨的角度 常取90，重型机床 90，精密机床和滚齿机 90。第25页/共48页第十节 结构设计导轨设计三角形、矩

18、形导轨的组合a)凸三角形、矩形导轨的组合 b）凹三角形导轨的组合第26页/共48页第十节 结构设计导轨设计 燕尾形导轨 燕尾导轨与矩形导轨的组合具有调整方便、承受力矩大的特点。多用于横梁、立柱、摇臂的导轨副。双燕尾形导轨（通常简称为燕尾导轨），是没用辅助导轨副的闭式导轨。燕尾导轨高度小，可承受倾覆力矩。必须用镶条调整摩擦面的间隙。第27页/共48页第十节 结构设计导轨设计 圆柱形导轨 圆柱形导轨，制造方便，工艺性好，但磨损后很难调整和补偿间隙，主要用于受轴向载荷的场合。、回转运动导轨的截面形状 主要用于圆形工作台、转盘和转塔头架等旋转运动部件。截面形状有平面环形、锥面环形和双锥面环形三种。平面

19、环形导轨 如立车、齿轮加工机床等。锥面环形导轨 能承受一定的径向载荷。双锥面环形导轨 能承受较大的径向载荷（P114）第28页/共48页第十节 结构设计导轨设计 、导轨的组合 双三角形导轨 不需要镶条调整间隙，接触刚度高，导向性和精度保持性好。但工艺性差，加工、检验、维修不方便。用于精度要求较高的机床。如丝杠机床、导轨磨床、齿轮磨床等。双矩形导轨 承载能力大，但导向性差。用于普通精度的机床和重型机床，如升降台铣床、组合机床等。矩形和三角形导轨的组合 导向性好，制造方便，刚度高等优点，应用广泛。如车床等。第29页/共48页第十节 结构设计导轨设计 矩形和燕尾形导轨的组合 承受较大力矩，调整方便，

20、多用于横梁、立柱、摇臂导轨中。2、导轨间隙的调整 导轨面之间的间隙对机床的性能直接影响。间隙调整有压板、镶条和导向板调整等方法。压板 压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。第30页/共48页第十节 结构设计导轨设计 镶条 镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。有平镶条和斜镶条两种。第31页/共48页第十节 结构设计导轨设计 第32页/共48页第十节 结构设计导轨设计 第33页/共48页第十节 结构设计导轨设计 当镶条尺寸较大时，要在镶条的中部削去一段，使镶条两端保持良好的接触，并可减少刮研面积，或者在其上开横向槽，增加镶条的柔度

21、。导向调整版 第34页/共48页第十节 结构设计导轨设计 第35页/共48页第十节 结构设计导轨设计 四、其他类型导轨 1、静压导轨 液压系统产生的压力油形成承载油膜的导轨称为静压导轨。静压导轨的优点是：摩擦因数为0.0050.001，机械效率高；导轨面被油膜隔开，不产生粘着磨损，导轨精度保持性好；导轨的油膜较厚，有均化表面误差的作用，相当于提高了制造精度；油膜的阻尼比大（）。因此静压导轨有良好的抗振性能；静压导轨低速运动平稳，防爬行性能良好。第36页/共48页第十节 结构设计导轨设计 第37页/共48页第十节 结构设计导轨设计 2、卸荷导轨 导轨运动精度要求高的机床和承载能力大的重型机床，为

22、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。包含：机械卸荷导轨、液压卸荷导轨和气压调节卸荷导轨。第38页/共48页第十节 结构设计导轨设计 3、滚动导轨 滚动导轨的优点是：摩擦因数 ，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。滚动导轨的缺点是：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。第39页/共48页第十节 结构设计导轨设计1、直线

23、滚动导轨副的工作原理 第40页/共48页第十节 结构设计导轨设计 2、滚动导轨块第41页/共48页第十节 结构设计导轨设计 3、滚动导轨的预紧第42页/共48页第十节 结构设计导轨设计 五、提高导轨耐磨性的措施 磨损与材料性质、加工质量、表面压强、润滑及使用维护直接相关。1、合理选择导轨的材料及热处理；淬火与贴塑。2、采用合理的导轨表面粗糙度和加工方法；精刨和磨削。3、采取可靠的防护和润滑；自动或强制润滑。4、改变导轨摩擦性质；运动时不接触，如静压导轨。第43页/共48页第十节 结构设计机床刀架装置设计 一、刀架装置的功能和应满足的基本要求 1、刀架装置的功能 机床刀架是安装刀具进行切削加工，

24、并可移动和回转的部件。在一次装夹中完成多道工序的加工为发展方向。数控机床采用转位刀架。加工中心采用刀库和换刀机械手，实现大容量储存刀具和自动换刀的功能。具有刀库为加工中心的显著标志。2、刀架装置应满足的基本要求 满足加工工艺的要求，有足够的刀具存储量，能正确提供多种刀具；重复定位精度高，精度保持性好，在加工过程中，刀架需要经常转位和定位，刀架的重复定位精度要高，精度保持性要好。第44页/共48页第十节 结构设计机床刀架装置设计 刚度高，可靠性高 刀架、刀库和换刀机械手都必须具有足够的刚度，以保证切削过程和换刀过程平稳。换刀时间短 刀架和自动换刀装置应尽可能地缩短换刀时间，以提高生产率。操作方便

25、，换刀动作灵活。二、刀架装置类型 按功能特征分为：普通机床刀架、数控机床刀架和加工中心刀架装置。1、普通机床刀架 数目分：单刀架、多刀架；结构分：方刀架、转塔式刀架和回轮式刀架；按驱动方式分：手动刀架和自动转位刀架。第45页/共48页第十节 结构设计机床刀架装置设计 2、数控机床刀架装置 采用自动换刀装置，采用电气或者液压驱动。3、加工中心刀架装置 自动换刀装置类型 加工中心，即自动换刀数控机床。刀库式 换刀方式：无机械手换刀、机械手换刀和机械手与刀具运送装置换刀。成套更换式 直接更换转塔头、更换主轴箱或更换刀库。前两种分别用于扩大工艺范围的钻削中心和扩大柔性的组合机床。更换刀库用于加工复杂的零件。刀库类型 鼓轮式刀库、链式刀库、格子箱式刀库和直线式刀库等。（P126）第46页/共48页第十节 结构设计机床刀架装置设计 三、机床刀架结构 1、数控机床刀架结构 转塔刀架和直排刀架两大类。2、机床刀架转位机构 手动转位、液压（气动）转位、圆柱凸轮步进式转位、伺服电机驱动转位。3、机床刀架定位机构 圆柱销定位和端面齿轮定位。第47页/共48页感谢您的观看。第48页/共48页