第二章 金属切削机床典型部件

1、第二章 金属切削机床典型部件 第一节 主轴部件 第二节 支承件及导轨 第三节 自动换刀装置 第一节 主轴组件设计 主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等组主轴组件由主轴及其支承轴承、传动件、定位元件等组 成。成。 主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组成部分。主轴组件是主运动的执行件，是机床重要的组成部分。 它的功用是缩小主运动的传动误差并将运动传递给工件或刀它的功用是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。荷。 主轴组件直接参与切削，其性能影响加工精度和生产率。主轴组件

2、直接参与切削，其性能影响加工精度和生产率。 因而是决定机床性能和经济性指标的重要因素。因而是决定机床性能和经济性指标的重要因素。 一、主轴组件的基本要求 主轴组件应满足的基本要求主轴组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，是机床几何精度的组成部分。主轴的旋转精度，是机床几何精度的组成部分。 旋转精度是主轴组件装配后，静止或低速空载状态旋转精度是主轴组件装配后，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。它取决于下，刀具或工件安装基面上的全跳动值。它取决于 主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装主轴、主轴的支承轴承、箱体孔等的制造精度，装 配和调整精度。配

3、和调整精度。 2.刚度刚度 静刚度（简称为刚度），是主轴组件在静载荷静刚度（简称为刚度），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。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（当外伸端受径向作用力（N N），受力方向上的），受力方向上的 弹性位移为弹性位移为（mm）时，主轴的刚度为）时，主轴的刚度为 F K 弹性位移弹性位移是位移方向上的力、主轴组件结构参是位移方向上的力、主轴组件结构参 数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度等）的函数。为简数（如尺寸、支承跨矩、支承刚度

4、等）的函数。为简 化刚度计算，引入柔度（化刚度计算，引入柔度（mm/N/N），即刚度的倒数。），即刚度的倒数。 主轴组件刚度与主轴自身主轴组件刚度与主轴自身 的刚度和支承轴承的刚度相关。的刚度和支承轴承的刚度相关。 主轴自身的刚度取决于主轴的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惯性矩、主轴端部的悬伸量和 支承跨距；支承轴承刚度由轴支承跨距；支承轴承刚度由轴 承的类型、精度、安装形式、承的类型、精度、安装形式、 预紧程度等因素决定。预紧程度等因素决定。 3 3抗震性抗震性 机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的机床在额定载荷下切削时，主轴组件抵抗变形的 能力，称为动态刚度。

5、能力，称为动态刚度。 主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐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。但目前，抗振性的指用度，是机床重要的性能指标。但目前，抗振性的指 标尚无统一标准，设计时可在统计分析的基础上，结标尚无统一标准，设计时可在统计分析的基础上，结 合实验进行确定。动态刚度与静刚度成正比，在共振合实验进行确定。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。可通过增加区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比。可通过增加 静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。 4 4温升与热变形温升与热变形 主轴组件工作时，轴

6、承的摩擦形成热源，切削主轴组件工作时，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，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；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。轴组件的热变形，将严重影响加工精度。 室温不是室温不是20C20C时，温升时，温升TtTt的许可值按下式计的许可值按下式计 算算 TTK

7、 t tt 20 20 5 5耐磨性耐磨性 主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造 精度的能力，主轴组件主要的失效形式是磨损，所以精度的能力，主轴组件主要的失效形式是磨损，所以 精度保持性又称为耐磨性。主要磨损有：主轴轴承的精度保持性又称为耐磨性。主要磨损有：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。磨损的速度与摩擦性质，摩擦副的结构特点，损等。磨损的速度与摩擦性质，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，以摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度，以

8、及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用及润滑方式等有关。如普通机床主轴，一般采用4545或或 6060号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基号优质结构钢，主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基 面，面，G50G5055HRC55HRC。 二、主轴轴承 （一）、滚动轴承 1 1轴承的选择轴承的选择 机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为：机床主轴最常用的轴承是滚动轴承。这是因为：适度适度 预紧后，滚动轴承有足够的刚度，有较高的旋转精度，能满预紧后，滚动轴承有足够的刚度，有较高的旋转精度，能满 足机床主轴的性能要求，能在转速和载荷变化幅度很大的条足机床主轴的性能要求，能在转速和载荷变化幅度很大

9、的条 件下稳定工作；件下稳定工作；由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成由专门生产厂大批量生产，质量稳定，成 本低，经济性好。特别是轴承行业针对机床主轴的工作性质，本低，经济性好。特别是轴承行业针对机床主轴的工作性质， 研制生产了研制生产了NN3000KNN3000K、234400234400及及GametGamet（加梅）轴承，更使滚（加梅）轴承，更使滚 动轴承占稳主轴轴承的主导地位；动轴承占稳主轴轴承的主导地位；滚动轴承容易润滑。滚动轴承容易润滑。 滚动轴承与滑动轴承相比，缺点为：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滚动体的数量有限，因此滚动轴承旋转中的

10、径 向刚度是变化的；向刚度是变化的；滚动轴承摩擦力大，摩擦系数滚动轴承摩擦力大，摩擦系数 为为 ，阻尼比小，阻尼比小， ； 滚动轴承的径向尺寸较大。因此，在动刚度性能高滚动轴承的径向尺寸较大。因此，在动刚度性能高 的卧式精密机床（如：外圆磨床、卧轴平面磨床、精的卧式精密机床（如：外圆磨床、卧轴平面磨床、精 密车床）中，滑动轴承仍有一定应用领域。密车床）中，滑动轴承仍有一定应用领域。 f 00020008. . 002004. . 主轴组件的抗振性主要取决于前轴承，因而，有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。的机床前支承采用滑动轴承，后支承采

11、用滚动轴承。 2 2主轴滚动轴承的类型选择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，机床主轴较粗，主轴轴承的直径较大，轴承所承轴承所承 受的载荷远小于其额定动载荷，约为受的载荷远小于其额定动载荷，约为1/101/10。 因此，一般情况下，因此，一般情况下，承载能力和疲劳寿命不承载能力和疲劳寿命不 是选择主轴轴承的主要依据。是选择主轴轴承的主要依据。 主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转 速来选择。速来选择。 轴承的刚度与轴承的类型有关，线接触的滚子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，双列轴承比单列的轴承比

12、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。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，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，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。极限转速越高。 轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱

13、依次为：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、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；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、推触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推 力球轴承。力球轴承。 3 3轴承的精度选择轴承的精度选择 轴承的精度，应采用轴承的精度，应采用P2P2、P4P4、P5P5级和级和SPSP、UPUP级。级。 SPSP、UPUP级轴承的旋转精度相当于级轴承的旋转精度相当于P4P4、P2P2，内外圈的，内

14、外圈的 尺寸精度比旋转精度低一级，相当于尺寸精度比旋转精度低一级，相当于P5P5、P4P4级。这级。这 是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度，主轴是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度，主轴 支承轴颈和箱体轴承孔可按一定配合要求配作，适支承轴颈和箱体轴承孔可按一定配合要求配作，适 当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本。当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本。 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

15、精度的是轴承的内圈径向圆跳动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。 切削力方向随主轴的旋转同步变化的主轴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，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； 2 a l b 1 1 a l a 前轴承的精度对主轴的影响较大。故前轴承的精前轴承的精度对

16、主轴的影响较大。故前轴承的精 度应比后轴承高一级。度应比后轴承高一级。 切削力方向固定不变的机床，主轴轴承精度切削力方向固定不变的机床，主轴轴承精度选择选择 机床精度等级机床精度等级前轴承前轴承后轴承后轴承 普通精度级普通精度级P5或或P4 （SP）P5或或P4 （SP） 精密级机床精密级机床 P4（SP）或）或P2 （UP） P4（SP） 高精度机床高精度机床P2（UP）P2（UP） 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。 4 4轴承刚度轴承刚度 轴承存在间隙时，只有切

17、削力方向上的少数几轴承存在间隙时，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，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体受力最大，其载荷是滚动体平均载荷的5 5倍，滚动倍，滚动 体的载荷随着与外载作用线距离的增大而减小；轴体的载荷随着与外载作用线距离的增大而减小；轴 承受轴向载荷时，各滚动体承受的轴向力相等。滚承受轴向载荷时，各滚动体承受的轴向力相等

18、。滚 动体受力方向在接触线上。动体受力方向在接触线上。 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 r F a F r Q a Q Q F iz r r 5 cos Q F z a a sin 球轴承的钢球直径为 ，在外载作用下轴承的变形 为 b d 3 2 cos 436.0 b r r d Q a a b Q d 0 436 2 3 . sin r r a Q l 0 077 0 9 0 8 . cos . . a a a Q l 0 077 0 9 0 8 . sin . . 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

19、变形为 a l 滚子轴承的刚度为 9 .1 9 .0 8 .01 .0 )(cos39.3 izlF d dF K ar r r r 9 . 19 . 08 . 01 . 0 )(sin43.14 zlF d dF K aa a a a 3 5 2 )(cos18.1 izdF d dF K br r r r 3 52 )(sin44.3 zdF d dF K ba a a a 零间隙时球轴承的刚度为 cot 0arer FFFFFF aaea 0 0a F 计算轴承刚度时，若载荷无法确定，可取该轴承 额定动载荷的1/10代替外载。 线接触轴承，载荷的0.1次幂与刚度成正比，对 刚度的影响较小

20、。计算刚度时，可忽略预紧载荷。点 接触轴承，载荷的1/3次幂与刚度成正比，预紧力对 轴承刚度影响较大，计算刚度时应考虑预紧力。有预 紧力 时，径向和轴向载荷分别是 图3-7 NN3000K轴承预紧示意图 l 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 m （二）、滑动轴承（二）、滑动轴承 滑动轴承滑动轴承应有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳 等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数 控机床中。主轴滑动轴承按产生油膜的方式，按产生油膜的方式，可分为 动压轴承和静压轴承两类。按照流体介质按照流体介质不同可分为 液体滑动轴承和气体滑动轴

21、承。 （一）动压轴承（一）动压轴承 动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。多油楔轴承 的轴心位置稳定性好，抗振动和冲击性能好。故多采 用多油楔轴承。 多油楔轴承有固定多油楔固定多油楔/74和活动多油楔活动多油楔/75两类。 （二）液体静压轴承（二）液体静压轴承 液体静压轴承系统：液体静压轴承系统：一套专用供油系统、节流器和轴承。 静压轴承与动压轴承相比具有的优点：静压轴承与动压轴承相比具有的优点：承载能力高；旋 转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度； 抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速 下工作；摩擦小，轴承寿命长。缺点缺点是需要一套专用供 油设备，轴承制造工艺复杂、成本高

22、。 定压式静压轴承定压式静压轴承/76 节流器有两类节流器有两类：固定节流器和可变节流器。 （三）气体静压轴承（三）气体静压轴承 用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为 气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。 具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种：具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种： （1）具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件 （2）采用双半球形气体静压轴承 （3）前端为球形，后端为圆柱形或半球形 三、 主轴主轴 1主轴的结构 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

23、。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。 2、主轴的材料和热处理、主轴的材料和热处理 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。 MPaE 5 1006. 2 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

24、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 3. 主轴参数 （1）主轴前支承轴颈的确定 主轴前支承轴颈可按主传动功率选择。 车床和铣床，主轴为阶梯形， ，磨 床主轴， 。 DD 21 0709. . DD 21 主传动功率主传动功率 5.5 kW7.5 kW11 kW15 kW 车床车床 60907511090120100160 升降台铣床升降台铣床 6090751009011010012

25、0 外圆磨床外圆磨床 55707080759075100 44 64 dDI k I I Dd D d D k s 44 4 4 4 11 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d D 0.50.60.70.750.8 刚度损刚度损 失失% 6.25 12.96 24.01 31.64 40.96 从表中可看出，从表中可看出，0.70.7，刚度衰减加快。，刚度衰减加快。 因此机床上规定因此机床上规定0.70.7。 （3 3）主轴前端部悬伸量的确定）主轴前端部悬伸量的确定 主轴前端部悬伸量主轴前端部悬伸量 是指

26、主轴定位基面至前支是指主轴定位基面至前支 承径向支反力作用点之间的距离。承径向支反力作用点之间的距离。 悬伸量悬伸量 一般取决于主轴端部的结构形式和尺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。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，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。初步确定时可取提高主轴的刚度。初步确定时可取 。 a a aD 1 为缩短悬伸量，主轴前端部可采用短锥结构；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推力轴承放在前支承内侧，采用角接触轴承取代径 向轴

27、承，接触线与主轴轴线的交点在前支承前面。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，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。使传动件距前支承略远一些。 （4 4）主轴支承跨距的确定）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。主轴的支承刚度。 主轴自身的刚度与支承跨距成反比，即在主轴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

28、端部轴颈、悬伸量等参数一定时，跨距越大，主轴端部 变形越大；变形越大； 主轴轴承弹性变形引起的主轴端部变形，则随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。端部的影响越小。 F 图3-10 主轴组件刚度分解简图 F F l a RB RB RA RA 21 22 1 a) b) c) a) 主轴自身刚度对主轴端部的影响 b) 前支承刚度对主轴端部的影响 c) 后支承刚度对主轴端部的影响 主轴端部变形主轴端部变形 为为 1 1 2 3 Fa EI la A A AA R K F K a l 1

29、 B B BB R K F K a l 前后支承的变形量前后支承的变形量 、 分别为分别为 A B 主轴组件的柔度 为H H F a EI la K a l K K a l A A B 2 2 22 3 1 1 4 2 34 2 61461 l a Kl a l a K H BA 柔度柔度 的二阶导数为的二阶导数为 H 柔度的二阶导数大于零，因此，主轴组件存在最小柔度柔度的二阶导数大于零，因此，主轴组件存在最小柔度 当柔度当柔度 一阶导数等于零时，主轴组件刚度为最大值，一阶导数等于零时，主轴组件刚度为最大值， 这时的跨距这时的跨距 应为最佳跨距应为最佳跨距 。即。即 H l 0 l 0 212

30、21 3 3 0 2 3 0 2 2 0 2 l a K l a l a KEI a H BA 整理后得整理后得 01 66 0 3 0 B A AA K K K EI l aK EI l 四、典型主轴部件四、典型主轴部件 1、车、镗、铣机床类主轴部件、车、镗、铣机床类主轴部件 2、钻床类主轴部件、钻床类主轴部件 第二节 支承件及导轨 机床的支承件包括床身、立柱、横梁、摇臂、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，并保证机床零部成机床基础，支承机床工作部件，并保证机床零部

31、件的相对位置和相对运动精度。因此，支承件决定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。环节之一。 一、支承件一、支承件 （一）、支承件应的功用及基本要求（一）、支承件应的功用及基本要求 1 1）支承件应有足够的静刚度和较高的固有频率。）支承件应有足够的静刚度和较高的固有频率。 支承件的静刚度包括整体刚度、局部刚度和接触刚度。支承件的静刚度包括整体刚度、局部刚度和接触刚度。 如卧式车床床身，载荷通过支承导轨面施加到床身上，如卧式车床床身，载荷通过支承导轨面施加到床身上， 使床身产生整体弯曲扭转

32、变形，且使导轨产生局部变使床身产生整体弯曲扭转变形，且使导轨产生局部变 形和导轨面产生接触变形。形和导轨面产生接触变形。 支承件的整体刚度又称为自身刚度，与支承件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

33、度等。立柱处的刚度以及底座安装立柱部位的刚度等。 接触刚度是指支承件的结合面在外载作用下抵抗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接触变形的能力，接触刚度用结合面的平均压强p p （MPaMPa）与变形量）与变形量（mm）之比表示。由于结合面）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，当接触在加工中存在平面度误差和表面精度误差，当接触 压强很小时，结合面只有几个高点接触，实际接触压强很小时，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；接触压强较面积很小，接触变形大，接触刚度低；接触压强较 大时，结合面上的

34、高点产生变形，接触面积扩大，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，即接触刚度是压强的函数，随接触压强刚度较高，即接触刚度是压强的函数，随接触压强 的增加而增大。的增加而增大。 接触刚度还与结合面的结合形式有关，活动接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（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刚度。由此

35、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。的压强等因素。 支承件的固有频率是刚度与质量比值的平方根，支承件的固有频率是刚度与质量比值的平方根， 即即 ，固有频率的单位为，固有频率的单位为 ；当激振力；当激振力 （断续切削力、旋转零件的离心力等）的频率（断续切削力、旋转零件的离心力等）的频率接接 近固有频率时，支承件将产生共振。设计时应使固近固有频率时，支承件将产生共振。设计时应使固 有频率高于激振频率有频率高于激振频率30%30%，即，即 。由于激振力。由于激振力 多为低频，故支承件应有较高的固有

36、频率。在满足多为低频，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承件的质量往往占机床总质量的80%80%以上，固有频率以上，固有频率 在很大程度上反映了支承件的设计合理性。在很大程度上反映了支承件的设计合理性。 2 0 mK srad / 0 3 . 1 2 2）良好的动态特性。支承件应有较高静刚度、）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，切

37、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；薄壁面积应小于以抑制振动的振幅；薄壁面积应小于400mm400mm400mm400mm， 避免薄壁振动；避免薄壁振动； 3 3）支承件应结构合理，成形后进行时效处理，）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。对加工精度的影响较小。 4 4）支承件应排屑畅通；工艺性好，易于制造，）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。成本低；吊运安装方便。 （二）支承件的结构分析（二）支承件的结构分析 1.提

38、高支承件自身刚度和局部刚度提高支承件自身刚度和局部刚度 （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。 因此，承受一个方向弯矩为主的支承件，其截面因此，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，

39、截面形状应为方形；承受纯扭矩的合作用的支承件，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。支承件，其截面形状应为圆环形。 （3 3）. .不封闭截面的刚度远小于封闭的截面刚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，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。件应采取补偿刚度的措施。 （4 4）. .隔板和加强肋隔板和加强肋 连接外壁之间的内壁称为隔板，又称为肋板。连接外壁之间的内壁称为隔板，又称为肋板。 隔板的作用是

40、将局部载荷传递给其他壁板，从而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。加强支承件的刚度。 相对滑动的连接面和重要的固定结合面须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，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，提高其接触刚度。固定结合面精磨时， ；配刮削时，在；配刮削时，在25.4mm25.4mm25.4mm25.4mm平面内，平

41、面内， 高精度机床均布的刮研点数不少于高精度机床均布的刮研点数不少于1212点，精密机点，精密机 床为床为8 8点，普通机床应不少于点，普通机床应不少于6 6点。点。 a Rm6 . 1 2.2.提高接触刚度提高接触刚度 紧固螺栓应使结合面有不小于紧固螺栓应使结合面有不小于2MPa2MPa的接触压的接触压 强，以消除结合面的平面度误差，增大真实的结强，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；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

42、转中心，均匀结合面承受扭矩时，螺栓应远离扭转中心，均匀 地分布于四周。地分布于四周。 3. 提高支承件的抗震性提高支承件的抗震性 （1）改善阻尼特性）改善阻尼特性：对于铸件铸件支承件，铸件 内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂 或混凝土等阻尼材料，可以起到减振作 用。对焊接焊接支承件，除了可以在内腔中 填充混凝土减振外，还可以充分利用结 合面间的摩擦阻尼来减小振动。（即分 段焊缝可增大阻尼）。或者采用阻尼涂层采用阻尼涂层。 封砂结构床身封砂结构床身/93、悬梁的阻尼 （2）采用新材料制造支承件：）采用新材料制造支承件：刚性高、抗振性 好，热变形小、耐化学腐蚀 4、 减少支承件的热变形减少支承件的

43、热变形 主要方法有：主要方法有： （1）控制温升：）控制温升：采用分离或隔绝热源方法 （2）采用热对称结构：）采用热对称结构：所谓热对称结构是指在 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。 （3）采用热补偿装置：）采用热补偿装置：采用热补偿装置的基本 方法是在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 响互相抵消，减少综合热变形。 5.合理选择支承件材料及热处理方式 一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加入少量一般支承件用灰铸铁制成，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。合金元素如铬、硅、稀土元素等可提

44、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，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，阻尼比。铸件因壁厚不匀导致有良好的抗振性能，阻尼比。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。时效处理，并尽量采用自然时效。 自然时效是将铸件放在露天，任其日晒雨淋，少自然时效是将铸件放在露天，任其日晒雨淋，少 则则1 1年多则年多则3 35 5年；精密机床支承件，除粗加工前进年；精密机床支承件，除粗加工前进 行自然时效外，粗加工后应进行人工时效处理，充行自然时效外，粗加工

45、后应进行人工时效处理，充 分消除铸造应力。分消除铸造应力。 人工时效是将工件放在人工时效是将工件放在200200以下的退火炉中，以下的退火炉中， 以以606080/h80/h的加热速度缓慢加温到的加热速度缓慢加温到530530550550， 铸件壁厚铸件壁厚20mm20mm时保温时保温4 4h h，壁厚每增加，壁厚每增加25mm25mm保温时间保温时间 增加增加2 2 h h，然后以，然后以30/h30/h的冷却速度炉冷至的冷却速度炉冷至200200以以 下出炉。下出炉。 梁类支承件如床身、立柱、横梁等，也可利用梁类支承件如床身、立柱、横梁等，也可利用 共振原理进行振动时效，消除内应力。共振原

46、理进行振动时效，消除内应力。 振动时效时，支承件放在弹性支承（如废轮胎）振动时效时，支承件放在弹性支承（如废轮胎） 上，激振器安装在支承件中部。激振器的频率为一上，激振器安装在支承件中部。激振器的频率为一 次横向弯曲振动的共振频率。激振器可视为质量偏次横向弯曲振动的共振频率。激振器可视为质量偏 心的、偏心矩可调的无级变速电动机。这种方法时心的、偏心矩可调的无级变速电动机。这种方法时 效时间短；较人工时效节能。缺点是按照一次弯曲效时间短；较人工时效节能。缺点是按照一次弯曲 共振频率时效，中间部分振幅大，消除应力效果好，共振频率时效，中间部分振幅大，消除应力效果好， 两端振幅小，效果较差。两端振幅

47、小，效果较差。 镶装导轨的支承件，如床身、立柱、横梁、镶装导轨的支承件，如床身、立柱、横梁、 底座、工作台等，常用的灰铸铁牌号为底座、工作台等，常用的灰铸铁牌号为HT150HT150； 与导轨制作在一起的支承件，常采用与导轨制作在一起的支承件，常采用HT200HT200； 齿轮箱体常采用齿轮箱体常采用HT250HT250；主轴箱箱体常采用；主轴箱箱体常采用 HT300HT300、HT350HT350。 用钢板和型钢焊接支承件，制造周期短，不用制作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木模，特别适合于生产数量少、品种多的大中型机床品种多的大中型机床 床身的制造床

48、身的制造。钢的弹性模量钢的弹性模量 ，铸铁的铸铁的 弹性模量弹性模量 ，钢的弹性模量约为铸铁的，钢的弹性模量约为铸铁的 1.71.7倍，所以钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的倍，所以钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的 1.451.45倍倍。 刚度要求相同时，刚度要求相同时，钢板钢板焊接床身的壁厚比铸铁床身焊接床身的壁厚比铸铁床身 减少减少1/21/2，质量减，质量减小小20%20%30%30%。 EMPa206105. EMPa122105. 焊接床身可做成封闭的结构焊接床身可做成封闭的结构。钢板。钢板焊接床身的缺焊接床身的缺 点是阻尼约为铸铁的点是阻尼约为铸铁的1/31/3，抗振性能差。

49、为提高，抗振性能差。为提高其其抗抗 振性能，可采用阻尼焊接结构或在空腔内充入振性能，可采用阻尼焊接结构或在空腔内充入混凝土混凝土 等措施。等措施。 焊接床身壁厚焊接床身壁厚 （单位：（单位：mm） 机床规格机床规格外壁、隔板外壁、隔板 厚度厚度 加强加强肋肋厚度厚度导轨支承壁导轨支承壁 厚度厚度 大型机床大型机床202515203040 中型机床中型机床8156121825 焊接床身常用钢材型号为Q235A，20号钢 预应力钢筋混凝土预应力钢筋混凝土 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床身、底座

50、、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，且预应力皆为设置钢筋，且预应力皆为120120150kN150kN时，预应力钢筋时，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，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。抗振性能优于铸铁；制造工艺简单，成本低。 预应力钢筋混凝土缺点是：脆性大，耐腐预应力钢筋混凝土缺点是：脆性大，耐腐 蚀性差，油渗入后会导致材质疏松，所以表面蚀性差，油渗入后会导致材质疏松，所以表面 应进行喷漆或喷涂塑料，或将钢

51、筋混凝土周边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，或二件的连接，可采用预埋加工后的金属件，或二 次浇注。次浇注。 树脂混凝土树脂混凝土 树脂混凝土是制造机床床身的新型材料，又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。称为人造花岗岩。 之所以称为树脂混凝土，是因为以树脂和稀之所以称为树脂混凝土，是因为以树脂和稀 释剂代替混凝土中的水泥和水，与各种尺寸规格释剂代替混凝土中的水泥和水，与各种尺寸规格 的花岗岩块或大理石块等骨料均匀混合、捣实固的花岗岩块或大理石块等骨

52、料均匀混合、捣实固 化而形成的。化而形成的。 树脂为粘接剂，相当于水泥，常用不饱和聚树脂为粘接剂，相当于水泥，常用不饱和聚 酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等合成树脂。酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等合成树脂。 稀释剂的作用是降低树脂粘度，浇注时有较好稀释剂的作用是降低树脂粘度，浇注时有较好 的渗透力，防止固化时产生气泡。有时还要加入固的渗透力，防止固化时产生气泡。有时还要加入固 化剂，改变树脂分子链结构，使原有的线型或支链化剂，改变树脂分子链结构，使原有的线型或支链 型结构转化成体型分子链结构，有时还要加入增韧型结构转化成体型分子链结构，有时还要加入增韧 剂，提高树脂混凝土的抗冲击性能和抗弯强度。

53、剂，提高树脂混凝土的抗冲击性能和抗弯强度。 树脂混凝土的力学特性及其与铸铁的对比 性 能 树脂混 凝 土 铸 铁性 能 树脂混 凝 土 铸 铁 密 度2.47.0 对数衰 减率 0.04 弹性模 量/GPa 38122 线膨胀 系数 1610-61110-6 抗压强 度/MPa 145 热导率 /W/(mK) 1.554 抗拉强 度/MPa 14250 比热容 /J/(kgK) 1250544 树脂混凝土的阻尼比为灰铸铁的树脂混凝土的阻尼比为灰铸铁的8 81010倍，因而倍，因而 抗振性能好；对切削液、润滑剂等有极好的耐腐蚀性；抗振性能好；对切削液、润滑剂等有极好的耐腐蚀性； 与金属粘接力强，

54、可根据不同的结构要求，预埋金属与金属粘接力强，可根据不同的结构要求，预埋金属 件，减少金属加工量；生产周期短，浇注时无大气污件，减少金属加工量；生产周期短，浇注时无大气污 染，浇注出的床身静刚度比铸铁床身的静刚度高染，浇注出的床身静刚度比铸铁床身的静刚度高 16%16%40%40%。 树脂混凝土的缺点是某些力学性能，如抗拉强树脂混凝土的缺点是某些力学性能，如抗拉强 度较低。它可用增加预应力钢筋或加强纤维来提高度较低。它可用增加预应力钢筋或加强纤维来提高 抗弯刚度；抗弯刚度； 用钢板焊接出支承件的周边框架，在空腔中充用钢板焊接出支承件的周边框架，在空腔中充 入树脂混凝土而形成的结构，适合于大中型

55、机床结入树脂混凝土而形成的结构，适合于大中型机床结 构较简单的支承件。构较简单的支承件。 6.支承件焊接结构 不同焊缝尺寸对构件刚度的影响 焊接方式焊接方式单单 面面 焊焊 缝缝 双侧焊缝双侧焊缝 焊角高焊角高h/mm4.04.04.04.05.55.5 焊缝长焊缝长a/mm220270320 1500 15001500 焊缝间距焊缝间距/mm20314073000 焊接率焊接率(%)58.77285.3100100100 固有频率固有频率0/Hz175183190196201210 静刚度静刚度K/(N/m)28.430.8 32.6 33.035.035.8 阻尼比阻尼比2.30.34 0

56、.33 0.320.290.25 动刚度动刚度K/(N/m)132.12.152.12.01.8 注：阻尼比为表中值乘以注：阻尼比为表中值乘以0.001。 增加结合面阻尼的焊接结构，它是通过预加载增加结合面阻尼的焊接结构，它是通过预加载 荷使焊接部位宽度为荷使焊接部位宽度为B B的平面紧密接触，振动时具有的平面紧密接触，振动时具有 一定接触应力的平面相对微小滑移，利用材料结合一定接触应力的平面相对微小滑移，利用材料结合 面的摩擦阻尼提高抗振性能。面的摩擦阻尼提高抗振性能。 焊接结构和铸件，都可在空腔内充注水泥或高焊接结构和铸件，都可在空腔内充注水泥或高 阻尼材料，可进一步提高阻尼比。阻尼材料，

57、可进一步提高阻尼比。 二、导二、导 轨轨 导轨的功用是支承并引导运动部件沿一定的轨迹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。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。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；机等的主运动导轨； (一一)、导、

58、导 轨的功用、分类和基本要求轨的功用、分类和基本要求 1.导轨分类导轨分类 进给运动导轨副之间的相对运动速度较低，机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。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。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、动压滑动导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。轨和普通滑

59、动导轨。 按受力状态可分按受力状态可分 为开式导轨和闭式导为开式导轨和闭式导 轨。开式导轨利用部轨。开式导轨利用部 件质量和载荷，使导件质量和载荷，使导 轨副在全长上始终保轨副在全长上始终保 持接触；开式导轨不持接触；开式导轨不 能承受较大的倾覆力能承受较大的倾覆力 矩，适用于大型机床的水平导轨。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，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需增加辅助导轨副（由压块和床身导轨的下底面a a组组 成），从而形成闭式导轨。成），从而形成闭式导轨。 图3-27 闭式导轨简图 压块压块 aa

60、2.导轨应满足如下要求：导轨应满足如下要求： （1 1）. .导向精度导向精度 导向精度主要是指导轨副相对运动时的直线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（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；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。对于动压导轨和静压导轨，还与油膜刚度有关。 （2 2） 精度保持性精度保持性 精度保持性是导