第三章机床典型部件设计精选文档.ppt

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1、第三章 机床典型部件设计本讲稿第一页，共一百一十页 一、主轴部件应满足的基本要求一、主轴部件应满足的基本要求 1.1.旋转精度旋转精度 主轴的旋转精度是指机床主轴部件装配后，在空载、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向跳动和轴向跳动（静态测量评定法）。2.2.刚度刚度 主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端部产生一个单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力的大小来表示。主轴部件的刚度是综合刚度，是主轴、轴承和轴承座等刚度的综合反映，其静刚度不足则对加工精度和机床性能有直接影响。本讲稿第二页，共一百一十页主轴部件应满足的基本要求主轴部件应满足的基本

2、要求 3.3.抗振性抗振性 主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。主轴部件的振动会直接影响工件的表面质量和刀具的使用寿命，并产生噪声。4.4.温升及热变形温升及热变形 主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热，切削区的切削热等使主轴部件的温度升高，其尺寸、形状及位置发生变化，造成主轴部件的热变形。5.5.精度保持性精度保持性 主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。主轴部件丧失其原始精度的主要原因是磨损。本讲稿第三页，共一百一十页 二、主轴部件的传动方式二、主轴部件的传动方式 主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等，可根据主轴的转速

3、、所传递的扭矩，对运动平稳性等要求来进行传动方式的选择。1.1.齿轮传动齿轮传动 结构简单、紧凑，传递扭矩较大，能适应变转速、变载荷下工作。其缺点是线速度不能过高，通常小于（1215m/s）,不如带传动平稳。2.2.带传动带传动 结构简单，制造容易，成本低廉，特别适合于大中心距的两轴传动。皮带有弹性可吸振，故传动平稳，噪声小，适宜高速传动。由于带传动（除同步带外）是靠摩擦力传动，在过载中会打滑，能起过载保护作用，但其不能用在速比要求准确的场合。本讲稿第四页，共一百一十页 同步齿形带是通过封闭环形带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合来传递运动和动力，其齿形有两种：梯形齿和圆弧齿。本讲稿第五页，共一百一

4、十页 与其它传动相比，同步带有下列特点：1）传动比准确，工作时无滑动；2）传动效率高，一般可达98%，与V带相比较，可节能10%以上；3）传动平稳，能吸收振动，噪声小；4）使用范围广，传动比可达1:10，高速达50m/s，传递功率高达100300kW，且带轮直径小，不须多大的张紧力，故结构紧凑；5）维护方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀介质环境中工作，而无需润滑；6）安装要求高，两带轮轴线平行，中心距要求严格；7）带与带轮的制造工艺较复杂。3.电动机直接驱动方式将主轴与电动机制成一体。本讲稿第六页，共一百一十页 三、主轴部件结构设计三、主轴部件结构设计 （一）主轴部件的支承数目（一）主轴部件的支承

5、数目 多数机床的主轴采用前、后两个支承。该支承方式结构简单，制造装配方便，易保证精度。为提高其刚度，前后支承应消除间隙或预紧。某些机床由于结构设计上的原因，导致主轴箱长度较长，此时应增设中间支承来提高主轴部件的刚度和抗振性。但对三支承主轴而言，通常只有两个支承（其中一个为前支承）起主要作用，而另一个支承起辅助作用，即处于径向“浮动”状态，以保证主轴部件的刚度和旋转精度。统计结果表明，采用三支承的主轴，以前、中支承为主要支承的约占80%；以前、后支承为主要支承的约占20%。本讲稿第七页，共一百一十页 （二）推力轴承位置配置型式（二）推力轴承位置配置型式 主轴部件承受轴向力的推力轴承配置方式直接影

6、响主轴的轴向位置精度。1.1.前端配置前端配置（前端定位）主轴受热变形向后延伸，不影响轴向精度，但前支承结构复杂，轴承调隙不便，前支承处发热量大。适用于轴向精度和刚度要求较高的精密机床（如精密车床、精密铣床、坐标镗床、落地镗床等）或数控机床。本讲稿第八页，共一百一十页 2.2.后端配置后端配置（后端定位）其特点与上述相反。适用于普通精度机床（如立式铣床、多刀车床等）。3.3.两端配置两端配置 主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。常用于短主轴（如组合机床主轴）或轴向间隙变化不影响主轴正常工作的机床（如钻床）。4.4.中间配置中间配置 其特点与前端配置相近，但其主轴前端的悬伸量要比前端配置结构

7、短些。本讲稿第九页，共一百一十页 （三）主轴传动件位置的合理布置（三）主轴传动件位置的合理布置 1.传动件在主轴上轴向位置的合理布置 合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可改善主轴的受力情况，减小主轴变形，提高其抗振性。其主要原则是尽量使传动力引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。因此，主轴上的传动件应尽量靠近前支承布置，有多个传动件时，其中最大的传动件应靠近前支承。根据传动件在不同的轴向位置时及传动力Q在不同方向作用时，分析其不同特点及应用范围。本讲稿第十页，共一百一十页 在切削力F 的作用下，使主轴轴端产生位移，根据位移叠加原理，轴端总位移Y 为 式中：Y1

8、刚性支承上弹 性主轴端部位移量；Y2弹性支承上刚 性主轴端部位移量；本讲稿第十一页，共一百一十页 1）传动件布置在跨距之间 大多数机床都采用这种布局，例如卧式车床、六角车床、卧式镗床和铣床主轴上齿轮的布置。当切削力F 和传动力Q 的方向相同时，其所引起的主轴前端变形可相互抵消一部分，则主轴前端总变形量减小，但主轴前支承受力较大，要求前轴承有较高的承载能力和较大的刚度。这种布局一般适用于精度较高或前支承刚度较高的机床。当切削力F 和传动力Q 的方向相反，则主轴前端总变形量大，但前支承受力较小，故一般适用于精度较高的卧式机床。本讲稿第十二页，共一百一十页 2）传动件布置在主轴尾部 这种情况在外圆磨

9、床、内圆磨床的砂轮主轴中常见。皮带轮安装在主轴尾部，则皮带拉力与切削力F 同向，不能使切削力F 和传动力Q 所引起的主轴前端变形部分地相互抵消。所以，这种布局可用于皮带拉力较小的场合。若皮带拉力很大，则可考虑采用卸荷式结构。本讲稿第十三页，共一百一十页 3）传动件布置在主轴前悬伸端 当切削力F 和传动力Q 均作用在主轴前端时，可使两者方向相反，从而使其引起的主轴前端变形部分地相互抵消。此外，前支承反力也较小。切削力F 和传动力Q 均作用在主轴前端，还可使主轴受扭长度较短，但传动件需要安装在前支承外面，增加了主轴的悬伸长度，结构上也较复杂。这种布局一般只适用于大型机床，如大型卧式车床、立式车床等

10、的主轴组件。本讲稿第十四页，共一百一十页 2.驱动主轴的传动轴位置的合理布置 主轴受到的驱动力Q 相对于切削力F 的方向取决于驱动主轴的传动轴的空间位置。应尽可能将该驱动轴布置在合适的位置，使驱动力Q 引起的主轴变形可抵消一部分因切削力F引起的主轴轴端精度敏感方向上的位移。对切削力F 是旋转变化或以轴向载荷为主的主轴不在此列。本讲稿第十五页，共一百一十页 （四）主轴主要结构参数的确定（四）主轴主要结构参数的确定 主轴的结构参数有主轴前、后轴颈直径D1和D2，内孔直径d，前端悬伸量a，以及主轴主要支承间的跨距L。这些参数直接影响主轴的旋转精度和刚度。1.1.主轴前轴颈直径主轴前轴颈直径D1的选取

11、的选取 一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径来选取（可参考表310）。对车床、铣床：由于主轴是一阶梯轴，其平均直径D与前轴颈直径D1有如下关系：（D 的计算应在主轴设计完成之后才能进行）本讲稿第十六页，共一百一十页 2.2.主轴内孔直径主轴内孔直径d 的计算的计算 很多机床主轴具有内孔，其主要用途为通过棒料和安装工具。主轴内孔直径在一定范围内，对主轴刚度影响较小，可以不计，但若超过此范围则是主轴刚度急剧下降。主轴内孔直径除与机床类型有关外，一般受主轴后轴颈的直径所限制。为不过多地削弱主轴的刚度，一般d 的尺寸确定为 对卧式车床 对于六角、自动和半自动车床、卧式镗床（镗杆主轴）对铣床 d

12、 可比刀具拉杆直径大510mm即可。本讲稿第十七页，共一百一十页 3.3.主轴前端悬伸量的确定主轴前端悬伸量的确定 主轴前端悬伸量a 是指主轴前端面到前轴承径向反力作用中点（或前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部的结构（其形状与尺寸均以标准化），以及前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸。在满足结构要求的前提下，设计时应使a 值越小越好。4.4.主轴主要支承间跨距主轴主要支承间跨距L 的确定的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。如L 小，则弯曲变形小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；如L 大，情况则相反，即因弯曲变形增大也会引起主轴前端面

13、的位移量增大。因此存在着一个最佳跨距L0。即当采用L0时，主轴前端面的总位移量最小。一般取L0=（23.5）a本讲稿第十八页，共一百一十页 （五）主轴（五）主轴 1.1.主轴的构造主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、安装位置及定位方法等。设计时还应考虑到主轴的加工工性和装配工艺性。主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具及刀具的型式。本讲稿第十九页，共一百一十页本讲稿第二十页，共一百一十页 2.2.主轴的材料及热处理主轴的材料及热处理 主轴材料主要根据刚度、载荷特点、耐磨性要求和热处理后变形情况而定。普通中碳钢（45钢）首选，其次为合金

14、钢。可查阅相关手册。3.3.主轴的设计要求主轴的设计要求 主轴的技术要求，应根据机床精度标准的有关项目制定。它应满足设计要求、工艺要求、检测要求以及图面质量的要求，应尽量做到设计、工艺、测量的基准相统一。本讲稿第二十一页，共一百一十页 四、主轴滚动轴承四、主轴滚动轴承 轴承是主轴部件中的重要组成部分，轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、以及润滑和冷却等，都直接影响着主轴部件的工作性能。主轴的旋转精度在很大程度上由其轴承决定。轴承的变形量约占主轴部件总变形量的3050%，其发热量占的比重也较大。对主轴轴承的基本要求是旋转精度高、刚度高、承载能力强、速度性能高、抗振性好、摩擦小、噪声低、寿

15、命长等。本讲稿第二十二页，共一百一十页 （一）主轴部件主要支承常用滚动轴承（一）主轴部件主要支承常用滚动轴承 1.1.角接触球轴承角接触球轴承 需成组（23个）使用；本讲稿第二十三页，共一百一十页 2.2.双列短圆柱滚子轴承双列短圆柱滚子轴承本讲稿第二十四页，共一百一十页3.3.圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承需成对使用需成对使用本讲稿第二十五页，共一百一十页n4.4.推力轴承推力轴承n5.5.双向推力角接触球轴承双向推力角接触球轴承本讲稿第二十六页，共一百一十页 6.6.陶瓷滚动轴承陶瓷滚动轴承 其密度与线膨胀系数比轴承钢小得多，而弹性模量比轴承钢大。常用的陶瓷滚动轴承有三种类型，其常用型式有角接触

16、式和双列圆柱式，其轮廓尺寸一般与钢制轴承完全相同，可以互换。本讲稿第二十七页，共一百一十页 7.7.磁浮轴承（磁力轴承）磁浮轴承（磁力轴承）利用磁力使支承运动的部件与其固定部件脱离接触来实现轴承的功能。其特点是无机械磨损，理论上无速度限制；无噪声，温升低，能耗小，不需润滑；可在超低温和高温下工作等。装有磁浮轴承的主轴可实现适应控制，通过检测定子线圈电流控制切削力，通过检测切削力的变化来调整控制机械运动，以提高加工质量。本讲稿第二十八页，共一百一十页 （二）几种典型的主轴轴承配置形式（二）几种典型的主轴轴承配置形式 主轴轴承的配置形式应根据刚度、转速、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。其典型的

17、配置方式有速度型、刚度性和刚度速度型三种。1.速度型适用于高速轻载或精密机床。本讲稿第二十九页，共一百一十页 2.刚度型适用于中速和切削负载较大、刚度要求高的机床。本讲稿第三十页，共一百一十页 3.刚度速度型介于前两者之间。本讲稿第三十一页，共一百一十页 其它典型机床主轴部件本讲稿第三十二页，共一百一十页（三）滚动轴承精度等级的选择（三）滚动轴承精度等级的选择 主轴轴承中前、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的。当 时，主轴前端轴心偏移量：当 时，主轴前端轴心偏移量：本讲稿第三十三页，共一百一十页n显然，前支承的精度比后支承对主轴部件的旋转精度影响大。因此，应选择前轴承的精度比后轴承高一些

18、，一般高一级。另外，在安装轴承时，如将前、后轴承的偏移方向放在同一侧，可有效地减少主轴前端的偏移。n机床主轴轴承的精度除P2、P4、P5、P6四级外，新标准中又补充了SP和UP两级。本讲稿第三十四页，共一百一十页 （四）主轴滚动轴承的预紧（四）主轴滚动轴承的预紧 预紧是采用预加载荷的方法来消除轴承间隙，并且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段。预紧力通常分为三级。轻预紧（A）适用于高速主轴；中预紧（B）适用于中、低速主轴；重预紧（C）用于分度主轴。本讲稿第三十五页，共一百一十页 1.双列短圆

19、柱滚子轴承 调整环（隔套、过盈套等）本讲稿第三十六页，共一百一十页 2.角接触球轴承 修磨法或弹簧。本讲稿第三十七页，共一百一十页 （五）滚动轴承的润滑和密封（五）滚动轴承的润滑和密封 1.润滑减小摩擦，降低温升。润滑剂和润滑方式的选择主要取决于轴承的类型、转速和工作负荷。试验表明，速度较低时用润滑脂较好；速度较高时用润滑油较好。一般情况下，判断的指标是速度因数dn（d轴承内径mm，n转速r/min）。本讲稿第三十八页，共一百一十页n（1）润滑脂dn值较低，又不需冷却的场合。它还可避免漏油现象。充填量应为轴承空隙的1/31/2。n（2）润滑油可用于一切转速，特别适用于高速，它还有冲洗作用。n1

20、）油浴润滑dn值较低，油平面不能超过最低滚动体中心；n2）滴油润滑dn值略高，15滴/min为宜；n3）循环润滑dn值较高；n4）油雾润滑或油气润滑，dn值最高；n5）高压喷射润滑。n2密封防止油外泄和杂物（切削液、灰尘、杂质等）进入。本讲稿第三十九页，共一百一十页滚动轴承的润滑与密封滚动轴承的润滑与密封本讲稿第四十页，共一百一十页 五、主轴滑动轴承五、主轴滑动轴承 滑动轴承在运转中因其阻尼特性好，故具有良好的抗振性和运动平稳性。主轴滑动轴承按产生油膜的方式，可分为动压和静压轴承两类。按流体介质不同，可分为液体和气体滑动轴承。（一）动压轴承 动压轴承的工作原理是当主轴旋转时，带动润滑油从间隙大

21、处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力将主轴抬起。油膜的承载能力与工作状况有关，如速度、润滑油的粘度、油楔结构等。转速越高、间隙越小，油膜的承载能力越大。本讲稿第四十一页，共一百一十页 动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。多油楔轴承有固定多油楔和活动多油楔两类。1固定多油楔滑动轴承 外外圆圆磨磨床床砂砂轮轮架架主主轴轴的的固固定定多多油油楔楔滑滑动动轴轴承承本讲稿第四十二页，共一百一十页 2 2活动多油楔滑动轴承活动多油楔滑动轴承 活动多油楔利用浮动轴瓦自动调位来实现油楔。本讲稿第四十三页，共一百一十页 （二）液体静压轴承（二）液体静压轴承 由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。其

22、优点是：具有良好的速度和方向适应性；承载能力高；摩擦小；寿命长；旋转精度高；抗振性好。本讲稿第四十四页，共一百一十页（三）气体静压轴承（三）气体静压轴承本讲稿第四十五页，共一百一十页 第七节第七节 支承件设计支承件设计 一、支承件的功能和应满足的基本要求 （一）支承件的功能 机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件，相互固定联接成机床的基础和框架。机床上其它零部件可以固定在支承件上，或者工作时在支承件的导轨上运动。因此，支承件的主要功能是保证机床上各零部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度等。本讲稿第四十六页，共一百一十页 （二）支承件应满足的

23、基本要求n1）具有足够的刚度和较高的刚度质量 比。n2）具有较好的动态特性，包括较大的动刚 度和阻尼。n3）热稳定性好，热变形对机床加工精度的 影响要小。n4）排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结 构工艺性。本讲稿第四十七页，共一百一十页 二、支承件的结构设计n 设计支承件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。还要根据其使用要求，进行受力和变形分析，再根据所受的力和其他要求进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。通过计算机对其进行有限元分析和计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计进行修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支承件具有良好的

24、性能，又能尽量减轻重量，节约材料。本讲稿第四十八页，共一百一十页 （一）机床的类型、布局和支承件的形状（一）机床的类型、布局和支承件的形状 1机床的类型 根据所受外载荷的特点，可分为三类：n（1）中小型机床主要考虑切削力；n（2）精密和高精度机床主要考虑移动部件的重力和切削产生的热应力；n（3）大型和重型机床工件和移动部件的重力，以及切削力等载荷应同时加以考虑。本讲稿第四十九页，共一百一十页 2机床的布局形式对支承件形状的影响 机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。如床身是否倾斜排屑是否便畅；床身能否封闭影响其抗弯强度和抗扭强（刚）度。本讲稿第五十页，共一百一十页 3支承件的形状可分为三类n

25、（1）箱形类支承件在三个方向的尺寸上都相差不多。n（2）板块类支承件在两个方向上的尺寸比第三个方向上的尺寸大得多。n（3）梁类支承件在一个方向上的尺寸比另两个方向上的尺寸大得多。本讲稿第五十一页，共一百一十页 （二）支承件的截面形状和选择（二）支承件的截面形状和选择 支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。截面形状截面积均为 100 抗弯惯性矩 800/1.0 2412/3.02 4030/5.04 抗扭惯性矩 1600/1.0 4824/3.02 8060/5.04 108/0.07截面形状截面积均为 100 抗弯惯性

26、矩 833/1.04 2555/3.19 3333/4.17 5860/7.325 抗扭惯性矩 1400/0.88 2040/1.47 680/0.43 1316/0.82本讲稿第五十二页，共一百一十页 由前表比较后可知：n1）空心截面的刚度比实心的大；n2）圆（或环）型截面的抗扭刚度比方形截面的好，但抗弯刚度比较低；n3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度。本讲稿第五十三页，共一百一十页 下图是机床床身截面图，均为空心矩形截面。a 图为典型的车床类床身，可承受弯曲和扭转载荷；b 图为镗床、龙门刨床等机床的床身，主要承受弯曲载荷；图c 用于大型和重型机床的床身，可采用三道壁或双层壁结构，以提

27、高刚度。a)b)c)本讲稿第五十四页，共一百一十页 （三）支承件的肋板和肋条的布置（三）支承件的肋板和肋条的布置n 肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身刚度和整体刚度。肋板的布置方向取决于支承件的受力变形方向。本讲稿第五十五页，共一百一十页 肋板的布置方向取决于支承件的受力变形方向：水平布置的肋板有助于提高支承件水平面内的弯曲刚度；垂直布置的肋板有助于提高支承件垂直面内的弯曲刚度；而斜向肋板能同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度。本讲稿第五十六页，共一百一十页 一般将肋条配置于支承件某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁

28、振动，用来提高支承件的局部刚度。其厚度一般为床身壁厚的0.70.8倍。n局部增设肋条，提高局部刚度的例子如下图所示。本讲稿第五十七页，共一百一十页 （四）合理选择支承件的壁厚（四）合理选择支承件的壁厚 为减轻机床的重量，支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄些。铸件支承件的外壁厚可根据当量尺寸C来选择。n C=（2L+B+H）/3n根据C值按表3-14来选择最小壁厚。壁厚应尽量均匀。n焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成，其壁厚可查表3-15。由于钢的弹性模量约比铸铁大一倍，所以用其焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的1.45倍，在承受同样载荷情况下，壁厚可比铸铁薄2/34/5，以减轻重量。但钢的

29、阻尼比铸铁小2/3，抗振性较差，所以焊接支承件在结构和焊缝上要采取抗振措施。本讲稿第五十八页，共一百一十页 焊接支承件靠采用封闭截面形状，正确布置肋板和肋条来提高刚度，大型机床及承受载荷较大的导轨处的壁板，往往采用双层壁结构。本讲稿第五十九页，共一百一十页 三、支承件的材料三、支承件的材料 （一）铸铁n一般支承件用灰铸铁制成。可以铸出形状复杂的支承件，抗振性好，成本低，但制造周期长，适于成批生产。n常用铸铁的种类有级铸铁（HT200）、级铸铁（HT150）、级铸铁（HT100）、合金铸铁等耐磨性好。n铸造支承件要进行时效处理（自然失效、人工热时效），以消除内应力。本讲稿第六十页，共一百一十页

30、（二）钢板焊接结构n制造周期短，可制成封闭结构，便于产品更新和结构改进。近年来国际上用其代替铸件作为支承件的趋势不断扩大。已从原来在单件小批生产的重型和超重型机床上应用，逐步发展到一定批量的中型机床中。本讲稿第六十一页，共一百一十页 （三）预应力钢筋混凝土n主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。其刚度和阻尼比要比铸铁大5倍。抗振性好，成本低，但钢筋的配置对支承件影响较大，一般三个方向都需配置。其缺点是脆性大，耐腐蚀性差，油渗导致疏松，所以表面应作处理。本讲稿第六十二页，共一百一十页 （四）天然花岗岩n性能稳定，精度保持性好，抗振性好，阻尼系数比钢大15倍，耐磨性比铸铁高51

31、0倍，热稳定性好，抗氧化强，不导电，抗磁，与金属不粘合，易于加工。缺点是抗冲击性差，脆性较大，油、水易渗入其晶界中，使局部变形，难于制造成复杂零件。本讲稿第六十三页，共一百一十页 （五）树脂混凝土（人造花岗岩）n该材料是由热固性树脂、稀释剂和固化剂三者组成的粘结剂和石子、砂粒、粉末等高充填多粒度的天然石料，通过聚合反应固化而成的复合材料。其刚度高，阻尼比为灰铸铁的810倍，抗振性好；热稳定性好，耐水、耐化学腐蚀。缺点是某些机械性能较低，但可以预埋金属或添加加强纤维。其应用前景十分广泛。本讲稿第六十四页，共一百一十页 树脂混凝土床身有以下三种结构型式：n（1）整体结构适用于形状不复杂的中小型机床

32、床身；n（2）分块结构适用于结构较复杂的大型机床床身构件；n（3）框架结构适用于结构简单的大中型机床床身构件。本讲稿第六十五页，共一百一十页 四、提高支承件结构性能的措施四、提高支承件结构性能的措施 （一）提高支承件的静刚度和固有频率n 主要方法是根据支承件受力情况合理地选择其材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理地布置肋板与肋条，以提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。本讲稿第六十六页，共一百一十页 （二）提高动态特性 1改善阻尼特性 对铸造支承件可采取砂芯不清除、附加减振材料等方法。本讲稿第六十七页，共一百一十页 对焊接支承件可采取充填混凝土和减振焊缝等方法。n断续焊缝和连续焊缝的减振能力不同

33、，前者比后者的减振能力强，焊缝越短、相对间隔越大，则减振能力越好；n单侧焊接比两侧焊接减振能力强。2.采用新材料制造支承件 本讲稿第六十八页，共一百一十页 （三）提高热稳定性 1控制温升加大散热面积、设置风扇来加强散热；可分离和隔绝热源。2.采用热对称结构热对称结构是指在发生热变形时，其工件或刀具回转中心线的位置基本保持不变，因而减小了对加工精度的影响。本讲稿第六十九页，共一百一十页 3采用热补偿装置（均衡温度场）n其方法是在支承件发生热变形的相反方向上采取措施，产生相应的反方向热变形，使两者之间影响相互抵消，减少综合热变形。n目前，国内外都已能利用计算机和检测装置进行热位移补偿。本讲稿第七十

34、页，共一百一十页 第八节第八节 导轨设计导轨设计 一、导轨的功用和应满足的基本要求一、导轨的功用和应满足的基本要求 （一）导轨的功用和分类 导轨的功用是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量及切削力，运动部件可以沿导轨运动。其中，运动的导轨成为动导轨，不动的导轨称为静导轨（支承导轨）。本讲稿第七十一页，共一百一十页 导轨按结构型式可分为开式导轨和闭式导轨。导轨按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨中又可分为普通滑动导轨、静压导轨和卸荷导轨等。本讲稿第七十二页，共一百一十页 （二）导轨应满足的要求（二）导轨应满足的要求n （1）导向精度好 导轨的几何精度和接触精度，导轨的

35、结构型式，导轨与支承件的刚度和热变形，导轨的油膜厚度和刚度等。n （2）承载能力大、刚度好 导轨受力后的接触变形，扭弯变形及因支承件变形而引起导轨的变形等。n （3）精度保持性好 主要由导轨的耐磨性所决定。n （4）低速运动平稳性好。n （5）结构简单，工艺性好。本讲稿第七十三页，共一百一十页二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整 （一）直线运动导轨的截面形状 其截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形。他们可以互相组合，各种导轨副之中还有凸凹之分。本讲稿第七十四页，共一百一十页 1.矩形导轨 承载能力大，刚度好，制造简便，检验维修方便，但存在侧向间隙，导向性差。适用于载荷较大而导向性

36、要求略低的机床。本讲稿第七十五页，共一百一十页2.三角形导轨 其顶角=90120，越小，导向性越好，但摩擦力越大；越大，承载能力增加，但导向性变差。所以小角用于轻载精密机械，大角用于大、重型机床。其结构有对称式和不对称式两种。当水平力大于垂直力，两侧压力分布不均时，可采用不对称导轨。本讲稿第七十六页，共一百一十页3.燕尾形导轨 可承受较大的颠覆力矩，其高度方向尺寸小，结构紧凑，间隙调整方便。缺点是刚度较差，加工检验和维修不大方便。适用于受力小，层次多，要求间隙调整方便的部件。本讲稿第七十七页，共一百一十页4.圆柱形导轨 制造方便、工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于承受轴向负荷的导轨

37、。应用较少。n上述四种截面的导轨尺寸已经标准化了，可参考有关机床标准。本讲稿第七十八页，共一百一十页 （二）回转运动导轨的截面形状（二）回转运动导轨的截面形状 1.平面环形导轨 结构简单、制造方便，能承受较大的轴向载荷，但不能承受径向力，因而需与主轴联合使用。适用于由主轴定心的各种回转运动导轨的机床（如高速大载荷立式车床、齿轮机床等）。本讲稿第七十九页，共一百一十页2.锥面环形导轨 制造较难，除能承受轴的轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷，但不能承受较大的颠覆力矩。本讲稿第八十页，共一百一十页3.双锥面导轨 能承受较大的径向力、轴向力和一定的颠覆力矩，但制造困难。本讲稿第八十一页，共一百一十页

38、 （三）导轨的组合形式 机床直线运动导轨通常由两条导轨组合而成。1.双三角形导轨 导向型和精度保持性都高，但工艺性差。多用于精度要求较高的机床，如丝杠车床、导轨磨床、单柱坐标镗床以及齿轮加工机床等。本讲稿第八十二页，共一百一十页2.双矩形导轨 承载能力大，但导向性差。多用于普通精度机床和重型机床中，如组合机床、卧式镗床、拉床和重型车床的床身导轨。双矩形导轨根据导向方式不同可分为宽式组合和窄式组合，其中后者比前者应较多。本讲稿第八十三页，共一百一十页3.矩形三角形组合 它兼有导向性好、刚度高和制造方便的优点，应用最广。温度变化时不会改变导轨面的接触情况，但热变形会使移动部件水平偏移，两条导轨磨损

39、程度也不一样，对位置精度有影响。它多用在如车床溜板、磨床、龙门铣床、滚齿机、坐标镗床的工作台导轨。本讲稿第八十四页，共一百一十页 4.矩形燕尾形导轨组合n它能承受较大力矩，调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。本讲稿第八十五页，共一百一十页（四）导轨间隙的调整（四）导轨间隙的调整n 导轨面的间隙对机床工作性能有直接影响，如间隙过大，将影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨磨损加快。故应使导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整。本讲稿第八十六页，共一百一十页 1压板 压板用来调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。本讲稿第八十七页，共一百一十页2镶条n镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧

40、隙，镶条应放在导轨受力较小的一侧，常用的有平镶条和斜镶条两种。n平镶条在全长方向上厚度均相等，易变形，刚度较低，应用较少。本讲稿第八十八页，共一百一十页n斜镶条为楔形镶条，其两个面分别与动、支承导轨相接触，比平镶条刚度高，但加工困难，其斜度一般为1:1001:40。本讲稿第八十九页，共一百一十页 3导向调整板 它是一种新型镶条，调整时利用其横向变形增加厚度，对导轨间隙进行调整。本讲稿第九十页，共一百一十页 三、导轨的结构类型及特点三、导轨的结构类型及特点 （一）滑动导轨 导轨面上的油沟型式导轨面上的油沟型式n 它是具有一定动压效应的混合摩擦状态的导轨副。其优点是结构简单，制造方便和抗振性良好，

41、缺点是磨损快。本讲稿第九十一页，共一百一十页n1粘贴塑料软带导轨一般粘贴在较短 的动导轨上。n2金属塑料复合导轨板与铸铁导轨组合。n3塑料涂层导轨n4镶钢导轨本讲稿第九十二页，共一百一十页（二）静压导轨（二）静压导轨n其工作原理与静压轴承相似。精度保持性好，但结构复杂，调整维修麻烦。多用于精密和高精度机床或低速运动机床中。n静压导轨按结构形式分为开式和闭式两种。本讲稿第九十三页，共一百一十页定压闭式静压导轨本讲稿第九十四页，共一百一十页 （三）卸荷导轨 其主要用来降低导轨面的压力，减少摩擦阻力，从而提高导轨的耐磨性和低速运动平稳性，尤其对大、重型机床常采用卸荷导轨。1机械卸荷导轨 导轨上的一部

42、分载荷由机械卸荷装置来承受。本讲稿第九十五页，共一百一十页 卸荷系数可表示导轨卸荷量的大小，由下式确定：式中：FH导轨上一个支座的卸荷力（N）；FW导轨上一个支座所承受的载荷（N）对于大、重型机床，一般 =0.7；对精密较高机床，0.5。2液压卸荷导轨将高压油压入工作台导轨上的纵向油槽中。3自动调节气压卸荷导轨将压缩空气引入到工作台的气囊，形成气垫，每个导轨面至少应有两个气垫。本讲稿第九十六页，共一百一十页（四）滚动导轨（四）滚动导轨 滚动导轨与滑动导轨相比，具有如下优点：摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，故启动轻便，运动灵敏，不易爬行；磨损小，精度保持性好，寿命长。具有较高的重复定位精度。润

43、滑简单，常用于对运动灵敏度要求高的地方。但其抗振性差，虽可通过预紧方式提高，但结构复杂，成本较高。本讲稿第九十七页，共一百一十页1滚动导轨的类型 （1）按滚动体类型分类：常用的有滚珠、滚柱和滚针三种。本讲稿第九十八页，共一百一十页（2）按循环方式分类：分为循环式和非循环式。本讲稿第九十九页，共一百一十页2直线滚动导轨副的工作原理本讲稿第一百页，共一百一十页3滚动导轨块本讲稿第一百零一页，共一百一十页 4预紧 为提高承载能力，运动精度和刚度，直线滚动导轨和滚动导轨块都可进行预紧。直线滚动导轨副的预紧可分为四级：重预载、中预载、轻预载和无预载。预加载荷的方法可分为两种，一种是靠调整螺钉、垫块或楔块

44、移动导轨来实现；另一种是利用尺寸差达到预紧。本讲稿第一百零二页，共一百一十页本讲稿第一百零三页，共一百一十页 （五）导轨的设计（五）导轨的设计 1滑动导轨的设计n（1）根据机床工作条件，使用性能，选择出合适的导轨类型；再依照导向精度和定位精度、结构刚度、加工工艺性等，确定出导轨的截面形状。n（2）合理选择导轨材料及热处理方法，保证其耐磨性和使用寿命。n（3）进行滑动导轨的结构设计和计算，主要有导轨受力分析，压强计算，验算磨损量和确定合理的结构尺寸，可查阅有关设计手册。n（4）设计导轨调整间隙装置和补偿方法。n（5）设计导轨润滑及防护装置。n（6）制定导轨制造加工及装配的技术要求。本讲稿第一百零

45、四页，共一百一十页2.2.滚动导轨设计滚动导轨设计n 目前，直线滚动导轨副和滚动导轨块基本上已系列化、规格化和模块化，有专门制造厂生产，用户可根据需要外购。本讲稿第一百零五页，共一百一十页四、提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施四、提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施n （一）合理选择导轨的材料和热处理方法 常用导轨的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。n 1铸铁导轨 良好的抗振性、工艺性和耐磨性，可通过表面淬火提高其硬度；可在铸铁中加合金元素提高其力学性能和耐磨性。本讲稿第一百零六页，共一百一十页n 2镶钢导轨淬火钢或氮化钢，其耐磨性比灰铸铁高510倍。n 3有色金属锡青铜或铝青铜，可防止撕伤，保证运

46、动平稳，提高运动精度。n 4塑料摩擦系数小，低速运动稳定性好，耐磨性高，抗撕伤能力强，化学稳定性好；缺点是压缩变形较大。主要粘结在运动导轨上。本讲稿第一百零七页，共一百一十页n 为提高导轨耐磨性和防止撕伤，在选择导轨副材料时须注意，动导轨和支承导轨必须选用不同金相组织的材料，以防止相同的晶格组织产生咬焊和撕裂。一般较耐磨的材料用于长导轨和支承导轨，不耐磨的材料用于短导轨和动导轨，以便于加工修理。n 相配材料有：淬火钢与青铜，淬火钢与非淬火钢，钢与铸铁或塑料，铸铁与塑料等。若是铸铁与铸铁相配，则必须使二者具有不同的金相组织和硬度。本讲稿第一百零八页，共一百一十页n（二）导轨的预紧（二）导轨的预紧n 对于精度要求较高、受力大小和方向变化较大的场合，滚动导轨应合理的预紧。n（三）导轨的良好润滑和可靠防护（三）导轨的良好润滑和可靠防护n 导轨的良好润滑和可靠防护，可以降低摩擦力，减少磨损，降低温度和防止生锈，延长寿命。n（四）争取无磨损、少磨损、均匀磨损，（四）争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补偿磨损量磨损后应能补偿磨损量本讲稿第一百零九页，共一百一十页本讲稿第一百一十页，共一百一十页