数控机床本体设计

1、文怀兴,夏田.数控机床系统设计.北京：化学工业出版社，2005第7章：数控机床本体设计数控机床本体主要包括机床床身、机床支承件以及导轨等部分。1数控机床支承件的功用和应满足的要求机床中的支承件概述支承件是机床的基本构件，主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。这些大件的主要功能首先是支承作用，即支承其他零部件，在机床切削时，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力；其次是基准作用，即保证机床在使用中或长期使用后，仍能保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。机床中的支承件有的互相固联在一起，有的在导轨上作相对运动。导轨常与支承件制成一体，也有采用装配、镶嵌或粘结方法与支

2、承件相联接。支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义。支承件应满足的要求:（1）刚度支撑件的刚度是指支撑件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度，后者称为动刚度。在切削力、机床部件和工件质量等重力作用下，支承件本身、支撑件与其他部件的接触面就会产生变形，机床原有的几何精度就会被破坏，从而给加工带来误差；如果支撑件刚度不足，不仅会产生变形，还会会产生振动与爬行，从而影响机床的定位精度及其他性能。因此支撑件要有足够大的刚度，即在额定载荷作用下，变形不得超过允许值。（是否有标准）静刚度包括与材料性质、形状

3、及尺寸有关的结构刚度，以及与接触材料、几何尺寸、硬度、接触面的粗超度、几何精度、加工方法等有关的接触刚度。（2）抗振性（机床振动的性能指标描述）支承件的抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。抵抗自激振东的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。（4）内应力支撑件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。支撑件设计应从结构上和材料上保证其内应力要小。时效处理支撑件总体论述：支撑件的性能对整台机床的性能影响很大，其质量约为机床总质量的80%以上，同时支撑件的性能对机床的性能影响很大，所以应正

4、确地对支撑件进行结构设计，并对主要支撑件进行必要的验证和试验，使其能够满足基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。2支撑件的静刚度（1）受力和变形分析（2）支撑件的静刚度支撑件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和接触变形。对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应包括床身自身变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触变形。局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。例如车床的刀架和铣床的升降台，由于层次很多，联结变形就可能占相当大的比重。1）提高支撑件自身的刚度支撑件抵抗自身变形的能力称为支撑件的自身刚度，它主要决定于支撑件的材料、形状、尺寸和肋板的布置等。在进行支撑件设计时，应

5、从以下几个方面考虑提高支撑件的自身刚度。正确选择截面的形状和尺寸支撑件自身刚度应主要考虑弯曲刚度和扭转刚度。在其它条件相同时，抗弯抗扭刚度与截面惯性矩相关。同一材料截面积相等而形状不同时，截面惯性矩相差很大，合理选择截面形状可提高支撑件本身刚度。一般有以下规律：/空心截面惯性矩比实心的大无论圆形、方形或矩形，都是空心截面的刚度比实心的大，因此床身截面应做成中空形状。因此，在工艺条件许可的情况下，保持横截面不变，加大外廓尺寸，减小壁厚，可提高截面抗弯、抗扭刚度。（很重要）/圆形截面的抗扭刚度比方形的大，而抗弯刚度比方形的小；同样，环形的抗扭刚度比方框型与长框型的大，而抗弯刚度小于后者。工字型截面

6、梁的抗弯刚度最好，长框型次之，实心圆形最弱。所以承受弯矩为主的支撑件的截面应采用矩形。/封闭截面比不封闭的截面刚度大。（截面上开一个缺口，刚度便大为降低，而为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，床身壁上往往必须开孔，不能做成全封闭箱形。）合理布置肋板和肋条肋板的作用是将作用于支撑件的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支撑件承受载荷，达到提高支撑件整体刚度的目的。效果比增加厚度显著。合理的开窗和加盖：开窗的位置对刚度的影响是不同的。若开窗后加盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度，用嵌入盖比面覆盖要好。2）提高支撑件联结刚度和局部刚度支撑件连接刚度（螺栓连接）支撑件在联结处抵抗变形的

7、能力，成为支撑件的联结刚度。联结刚度与联结处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗超度、几何精度和加工方法等有关。若支撑件以凸缘联结是，联接刚度决定于螺钉刚度、凸缘刚度和接触刚度。（可用于接合部设计的资料）（螺栓固定接合部，提高刚度的办法）为了保证一定的接触刚度，结合面处的表面粗超度R应达到8mm，结合面上的压力应不小a于1.5-2Mpa。合理布置螺钉的位置和选择合适的螺钉尺寸可提高接触刚度。从抗弯刚度考虑，螺钉应均匀分布在四周，另外，在联结螺钉的轴线平面内布置肋条也能提高接触刚度。提高刚度比较好的办法是：在立柱侧壁上用2个、4个和6个加强筋加固凸缘，抗弯刚度和扭转刚度一个比一个高。光增加

8、凸缘的厚度，因螺栓增长，身长变形量增加，反而降低接触刚度，所以凸缘厚度不宜过大支撑件局部刚度（床身-导轨）支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件局部刚度。这种变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，它与局部变形处的结构和尺寸等有关。例如床身与导轨相联结的结构形式对局部刚度影响很大。床身的基本部分较薄而导轨部分较厚，所以要通过过渡臂与导轨联结。床身肋板的布置数控机床床身通常为箱体结构，合理设计床身的截面形状及尺寸，采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。床身肋板一般根据床身结构和载荷分布情况进行设计，满足床身刚度和抗振性要求。V型肋有助于加强导轨支承部分的刚度、斜方肋

9、和对角肋结构可明显增强床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。此外，纵向肋板和横向肋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有显著的效果；米字形肋板和井字形肋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形肋板。床身导轨的倾斜布置可有效地改善排屑条件。截面形状采用封闭式箱体结构，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。这种倾斜布置的结构在数控车床上得到了普遍的应用。3）支承件的动态特性（学习重点！）研究机床动力学研究什么？很好的回答动态分析：为了获得经济合理的结构形式，应使支承件的动态特性满足预定的要求。动态分析一般是在已知系统的动力学模型、外部激振力和系统工作条件的基础上进行的，它包括

10、三方面问题：固有特性问题：如将支承件作为简单的振动系统，其固有特性主要指系统的固有频率如果作为复杂的系统，其固有特性包括各阶固有频率、阻尼和模态振型等。对其研究的目的，一方面是为了避免系统在工作时发生共振，另一方面是为了对系统进一步的动态分析。动力响应问题：支承件在外部激振力的作用下受迫产生振动，就是支承件的动力响应。支承件的受迫振动使结构受到动态应力，导致构件的疲劳损坏。对支承件来说，更重要的是振动响应可能引起过大的动态位移，影响机床的加工质量和正常工作，产生过大的噪音。因此必须将其控制在一定的范围之内。动力稳定性问题：机床在一定的切削条件下，可能会产生切削颤振；低速相对运动的导轨副在一定的

11、运行条件下，也可能产生爬行。切削颤振、爬行都是一种自激振动，自激振动是一种不以外部激振为必要条件，而主要由系统本身的动力特性及系统工作过程所决定的振动。产生自激振动的系统称为不稳定系统。切削、摩擦工作系统的不稳定限制了机床的加工质量和生产率。对系统进行动力稳定性分析的目的，就是要确定发生切削颤振和爬行的临界条件，以使机床能在期望的工作规范内不出现这种振动。对系统动力稳定性分析中，也包括了对支承件的动力稳定性分析。由于机床上激振力的频率一般都不太高，只有最低几阶的固有频率才有可能与激振频率重合或接近。高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振力的频率，一般不会发生共振。因此只需对最低几阶模态进行研

12、究。机床的振型主要有整机摇晃震动、弯曲振动、扭转振动、结合面之间的平移或扭转最低几阶振动及薄壁振动。理论上，各个振型都是互相影响的。但实际上，机床部件的阻尼较小（0.1）,共振峰较陡，当各个振型的固有频率相差超过20%时，可以认为这些振型互不影响，可分别予以考虑。分析振型，要从其对加工精度的影响去考虑，书中的车床例子较好）改善支撑件动态特性的措施改善支撑件的动态特性，提高其抗振性，其关键是提高动刚度。以单自由度系统受简谐力激振使得动刚度为例，该式同样适用于对多自由度系统的分析TOC o 1-5 h zFI2K(1)2(2)2 HYPERLINK l bookmark2A2nnF激振力的幅值；A

13、振幅：K系统静刚度因此，提高结构的动刚度，可以采用以下一些办法：提高系统的静刚度K,增大系统中的阻尼比；提高系统的固有频率或改变激振角频率，以使两者远离n需要注意的是，对于不同的激振频率段，在提高动刚度时，采取的措施应有所不同，如激振频率落在“准静态区”，即0/0.60.7时，关键是提高结构的静刚度。如落在“共n振区”，即0.60.7/1.31.4时，关键是增加阻尼。如落在“惯性区”即n/1.31.4时，可加大质量。n提高静刚度措施：提高静刚度的途径主要有，合理地设计结构的截面形状和尺寸、合理地布置肋板和肋条、注意结构的整体刚度、局部刚度和联结刚度的匹配等。增加阻尼措施：增加阻尼是提高结构动刚度的有力措施增，大阻尼可提高动刚度和自激振动的稳定性。它的效果比增加静刚度要显著。铸造支撑件增加阻尼的方法，主要有附加减振材料、砂芯不清楚等。材料的选用与提高结构的动刚度关系也很大，铸铁的阻尼为钢的2-4倍，常用作支撑件材料。如保留铸铁中的砂芯，在机床构件内腔填充混凝土等阻尼材料，当工件受到振动时，内部产生相对摩擦来耗散振动能量，从而提高结构的阻尼特性，抑制振动。对于弯曲振动结构，尤其是薄壁结构，在其表面喷一层具有高内阻尼的黏滞性材料，能使阻尼比达到0.05-0.1此外，采用粗糙加工表面或