《机械制造工程学》课件第三章

第三章金属切削机床3.1概述3.2金属切削机床的主要部件

3.1概述

机械制造装备的组成包括四部分:①金属切削机床;②工艺装备，常简称为工装，包括各种刀具、模具、夹具、量具等工具；③仓储物料传送装置；④辅助装备，包括清洗机和排屑等设备。

3.1.1金属切削机床简介

金属切削机床是进行切削加工的主要设备,是指用切削刀具对金属毛坯进行切削加工,以获得一定尺寸和表面质量的机械零件的机器,简称机床。3.1.2机床发展的新趋势

1.超高速加工机床

1)超高速切削技术的背景与内涵

超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具,利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备,以提高切削速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。

2)超高速切削机床的系统

(1)超高速切削机床的主轴系统。

在超高速运转条件下,传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能适应要求,代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速,从而使机床主传动的机械结构大为简化,形成了一种新型的功能部件——主轴单元。

(2)超高速切削机床的进给系统。超高速切削机床的进给系统是评价超高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产效率有重要的意义,而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案,由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制,进给速

度和加速度一般比较小。目前,快速进给速度很难超过

60m/min,进给速度通常低于40m/min,最高加速度很难突破1g。进给运动只有采用直线电机直接驱动，才能获得更高的进给速度。这种驱动形式具有以下特点：运动速度高，最大进给速度高达100～180m/min；加速度高，由于结构简单，质量轻，因此最大加速度高达2g～10g；具有无限运动长度；定位精度和跟踪精度高，如以光栅尺为定位测量元件，

采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.1～

0.01μm；启动推力大，最高可达12000N；运动平稳，由于无传动环节，因而无往返程空隙。

3)超高速切削机床的刀具夹持系统。

为了适应超高速铣削主轴与刀具连接的要求,一些研究机构和刀具企业开发了一种可在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式——两面定位刀柄系统。其中，最具代表性的是日本的BIG-PLUS刀柄系统和德国的HSK刀柄系统。目前,两面定位刀柄系统在安装时重复定位精度高(轴向重复定位精度可达1μm),在高度转动产生的离心力的作用下,刀柄会牢固锁紧,其径向跳动不会超过5μm,在较大转速范围内可保持高的静态和动态刚度。图3-1德国HSK刀柄系统示意图

HSK刀柄系统是由德国阿亨工业大学及40余家机床厂家、刀具厂商和用户共同开发的,于1992年列入德国工业标准DIN6983。HSK刀柄系统如图3-1所示。这种刀柄以锥度1∶10代替传统的7∶24,楔作用较强,用锥面和法兰端面进行双定位，转速高时,锥体向外扩张,增加了压紧力。力膨胀夹头的原理如图3-2所示。刀柄孔呈三棱形,在装夹刀具时,先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的作用力,使刀柄孔变形成圆形,然后把刀具插入刀柄,再除去变形外力,刀柄孔弹性恢复,刀具就被夹持在孔内。这种夹头的优点是装夹精度高,操作简单,结构紧凑,造价较低;缺点是必须备有一个辅助的加力装置。图3-2力膨胀夹头的原理

2.并联运动机床

1)并联运动机床的工作原理

图3-3所示为一台比较典型的并联运动机床的外观图。图中，工件安装在工作台上,工作台固定不动,与刀具相连的主轴的位置(动平台)受六根可改变长度的杆控制,每根杆

由一个独立的伺服电机驱动,其长度通过精密滚珠丝杠传动来改变。图3-3并联运动机床的外观图图3-4是普通的并联运动机床坐标系。图中，静坐标系Oxyz建立在固定平台上,固定平台与机床的床身和框架相连，动坐标系O′x′y′z′建立在动平台上,动平台与刀具相连,通过坐标变换的方法可建立两种坐标系的联系。图3-4并联运动机床坐标系

2)与并联运动机床配套的新型功能部件

(1)专用的球面支承。

(2)六轴精密定位系统。

这种系统由伺服电动机、滚珠丝杠传动组成。其重复定位精度在x、y、z轴为±2μm。

3.复合机床

图3-5所示是瑞士一家企业的产品。具有代表性的还有奥地利WFLMillTunTechnologies公司的M65和M60-G，日本MAZAK公司的100Ⅲ、200Ⅲ、300Ⅲ系列及QTN100MS、250MSY、350M系列，德国INDEX公司的TRAUBTNX65和DMG公司的TWIN65等多种卧式车铣复合加工机床。图3-5瑞士WILLEMIN公司的W-518MT结构示意图3.2金属切削机床的主要部件

3.2.1主轴、电主轴和轴承

1.主轴部件的基本结构要求

1)旋转精度

主轴的旋转精度是指装配后,在无载荷、低速转动条件下,安装工件或刀具的主轴部位的径向和端面圆跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。

2)刚度

主轴部件的刚度是指其在外加载荷的作用下抵抗变形的能力,通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时,在位移方向所施加的作用力来定义。主轴部件的刚度是综合刚度,

它是主轴系统中各零部件刚度的综合反映。

3)抗振性

主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在加工过程中,振动会使工件和刀具之间产生相对位移,严重地破坏工件和刀具之间正常的运动轨迹。振动还会恶化加工表面的质量，缩短刀具和机床的寿命,严重时会使加工无法进行。

4)温度与热变形

主轴部件工作时,轴承的摩擦形成热源,切削热和齿轮啮合热的传递会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,导致轴心位置发生偏移,定位基面的形状尺寸和位置发生变化。润滑油温度升高后会使黏度降低,阻尼产生变化。例如，高精度机床在室温为20℃,连续运转的情况下允许的温升为8～10℃,精密机床为15～20℃,普通机床为30～40℃;室温不是20℃时,温升Tt的许用值可按下式计算:

Tt=T20+Kt(t－20)

式中,Kt为润滑剂修正系数。润滑油牌号为32、46时,Kt分别为0.6、0.5;脂润滑时,Kt为0.9。

5)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,所以精度保持性又称为耐磨性。磨损的速度不仅与摩擦的种类有关,而且与结构特点、表面粗糙度、材料的热处理方式、润滑以及使用条件等许多因素都有关系。

2.主轴部件结构

1)主轴的结构形状

主轴的结构形状比较复杂,应满足使用要求、结构要求及加工和装配工艺性要求等。主轴端部是安装刀具、夹具的部位,其结构形状取决于机床类型。安装方式应保证刀具或夹具定心准确,连接可靠,装卸方便,悬伸量短,并能够传递足够的转矩等。通用机床的主轴端部结构已标准化,设计时可查相应的机床标准。有些机床(如卧式车床、转塔车床、自动车床、

铣床等)的主轴必须是空心的,用来通过棒料、拉杆以及取出顶尖等。对于主轴上需安装气动、电动和液压式工件自动夹紧装置的机床,如卧式车床,主轴尾部应有安装基面及相应的连接部位。主轴上要安装各种传动件、轴承、紧固件及密封件等,其结构形状应考虑这些零件的类型、数量、安装定位及紧固方式。

主轴的主要结构参数有主轴前轴颈直径D1、主轴后轴颈直径D2、主轴内孔直径d、主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L,如图3-6所示。图3-6主轴结构简图

2)主轴的技术要求

图3-7所示为机床主轴简图。图中,轴颈A和B是主轴旋转精度的基础,其公共轴心线A－B即为设计基准。为保证主轴的旋转精度,应严格控制轴颈的精度和表面粗糙度。轴颈A和B的公共轴心线又是前锥孔的工艺基准及各重要表面的检验基准。可以控制A、B表面的圆度和同轴度,也可控制这两个表面的径向圆跳动。普通精度机床的主轴轴颈尺寸常取IT5,形状公差值一般为尺寸公差的1/4～1/3。图3-7机床主轴简图主轴前端短锥面是卡盘定心面,其表面的径向圆跳动以及法兰的端面圆跳动、安装齿轮表面的径向圆跳动均以公共轴心线A－B为基准进行测量,其数值参见机床精度标准的相关规定。其中，齿轮表面的径向圆跳动可略小于直径公差一半。主轴安装滚动轴承处轴颈表面粗糙度Ra＝0.4μm,安装滑动轴承处轴颈表面粗糙度Ra＝0.2μm。

3)主轴滚动支承

主轴支承是主轴组件的重要组成部分,它是主轴轴承、支承座及其相关零件的组合体,其中核心元件是轴承。因此,采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承;采用滑动轴承的支承称为主轴滑动支承。滚动轴承的主要优点是：适应转速和载荷变动的范围大;能在零间隙或负间隙(一定的过盈量)条件下稳定转动,具有较高的刚度和旋转精度;轴承润滑容易,维修、供应方便,摩擦系数小。其缺点是：滚动轴承的滚动体数目有限,刚度是变化的,阻尼也较小,容易引起振动和噪声;径向尺寸较大。滑动轴承具有抗振性好、运转平稳、旋转精度高、刚度大及径向尺寸小等优点,但制造、维修比较困难,并受使用场合的限制,如立式主轴漏油问题较难解决等。为提高刚度和抗振性,有的机床主轴采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承,中间支承为辅助支承，也可以前、中支承为主要支承,后支承为辅助支承。图3-8所示为一加工中心的主轴箱展开图。三支承方式对支承孔的同心度要求较高,制造装配比较复杂。对于主支承部位,一般要消除间隙或者预紧；对于辅助支承，则保留一定的径向间隙或选用较大的轴承。由于三处轴颈和箱体上的三个孔不可能绝对同轴,因此三个轴承不能都预紧,以免相互产生干涉,从而导致主轴工作状况恶化,使空载功率大幅度上升和轴承温升过高。在三支承中,采用前、中支承为主要支承的较多。

(1)圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3000K型,原3182100型)。双列圆柱滚子轴承中,滚子直径小,数量多(为50～60个),具有较高的刚度;两列滚子交错布置,减少了刚度的变化量;外圈无挡边,加工方便;主轴内孔为锥孔,锥度为1∶12,轴向移动内圈使之径向变形,可调整径向间隙和预紧;采用黄铜实体保持架,利于轴承散热;滚道槽可开在内圈或外圈上。

图3-8所示的后支承，内圈锥孔与主轴的锥形轴颈相配合,当二者产生相对轴向位移时,可把较薄的内圈胀大,达到改变径向间隙或预紧的目的。

这种轴承结构紧凑,能承受较大的径向载荷及较高转速,滚子数量多且交叉排列,抗振性好,但不能承受轴向载荷,适用于载荷较大、高速及精密机床主轴部件。图3-8主轴箱展开图

(2)双向推力角接触球轴承(234000B型,原2268100型)。

这种轴承的接触角为60°,滚动体直径小,极限转速高;外圈和箱体孔为间隙配合,安装方便,且不承受径向载荷;与圆锥孔双列圆柱滚子轴承配合使用。如图3-8中前支承所示,这种轴承由一个外圈、两个内圈、中间隔套及两列钢球组成。修磨中间隔套的厚度可调整轴承间隙或预紧。此类轴承主要用于承受两个方向的轴向载荷。轴承外圈开有油槽和油孔,以利于润滑油进入轴承。这种轴承的主要优点是承载能力大,刚度高,允许转速高,温升较低,抗振性较好,适用于较大的高速、精密机床主轴组件。图3-9是一种常见的CNC车床主轴组件。和图3-8不同，图3-9所示的轴端和内孔结构适用于车削夹具的安装。图3-9CNC车床主轴组件

(3)圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承有单列和双列两类,每类又有空心和实心两种,如图3-10所示。单列圆锥滚子轴承可以承受径向载荷和一个方向的轴向载荷。双列圆锥滚子轴承能承受径向载荷和两个方向的轴向载荷。双列圆锥滚子轴承有一个公用外圈、两个内圈,且内圈小端无挡边,可取出内圈,修磨中间隔套,调整预紧量。图3-10圆锥滚子轴承

(4)推力轴承。推力轴承只能承受轴向载荷,它的轴向承载能力和刚度较大。推力轴承在转动时滚动体会产生较大的离心力,挤压在滚道的外侧。由于滚道深度较小,因此为防止滚道的剧烈磨损,推力轴承允许的极限转速较低。

(5)陶瓷滚动轴承。陶瓷滚动轴承是近年来发展迅速的一种新型滚动轴承,其安装尺寸与钢制轴承相同,可以互换。

现已制成角接触和双列短圆柱两种形式。陶瓷滚动轴承采用的陶瓷材料为Si3N4,由于此材料的密度和线胀系数小,弹性模量大,因此这种轴承重量轻,离心力小,可减小压力和滑动摩擦。常用的陶瓷滚动轴承有三种类型:

①滚动体用陶瓷材料制成,而内、外圈仍用轴承钢制造。②滚动体和内圈用陶瓷材料制成,外圈用轴承钢制造。③全陶瓷轴承,即滚动体及内、外圈都用陶瓷材料制成。

(6)磁悬浮轴承。

磁悬浮轴承的工作原理如图3-11所示。它由转子、定子两部分组成。转子由电磁铁材料制成,压入回转轴承回转筒中;定子也由相同材料制成。定子绕组产生磁场,将转子悬浮起来,通过4个位置传感器不断检测转子的位置。图3-11磁悬浮轴承的工作原理图如果转子位置不在中心位置,则位置传感器测得其偏差

信号,并将信号放大后传送给控制装置,控制装置调整4个定子绕组的励磁功率,使转子精确地回到要求的中心位置。图3-12所示为采用磁悬浮轴承的主轴结构图。图3-12采用磁悬浮轴承的主轴结构图

4)主轴滚动轴承的配置形式

(1)径向轴承配置。

主轴部件无论是两端支承还是三支承,各支承处均需配置径向轴承。一般前支承对主轴部件性能影响较大,应优先选定合适的轴承,其他支承轴承的性能可略低于前支承。三支承主轴部件的松支承应配置间隙较大的轴承。

(2)推力轴承配置。

在使用过程中,主轴通常承受两个方向的轴向力作用,至少需要两个相应的推力轴承,要注意轴向力的传递。主轴部件必须在两个方向上都进行轴向定位,否则,在轴向力的作用下会发生轴向窜动,破坏主轴精度和正常的工作性能。主轴部件的轴向定位依据推力轴承的布置方式而决定，通常有以下三种情况:①前端定位。图3-13(a)所示为推力轴承布置于前端支承。采用此结构,主轴受热伸长并不影响前端的轴向精度;主轴在轴向切削力的作用下受压段较短,纵向稳定性较好,有利于提高主轴部件的刚度及抗振性。其缺点是前支承结构复杂,温升较高。这种结构适用于高速精密机床主轴以及对抗振性要求较高的普通机床主轴。图3-13主轴部件的轴向定位方式②后端定位。图3-13(b)所示为两个推力轴承均布置在后支承。其特点是前支承结构简单,发热小,但主轴受热后会向前伸长,影响主轴的轴向精度,刚度和抗振性较差。这种结构适用于对刚度要求较低、转速不高、普通精度的机床。③两端定位。图3-13(c)所示为主轴推力轴承分别布置在前、后支承处,用来分别承受两个方向的轴向力。其优点是结构简单;间隙调整方便,只需要在一端调整两个轴承的间隙。其缺点是主轴部件受热伸长会改变轴承间隙,影响旋转精度和轴承寿命,刚度和抗振性变差。这种结构适用于间

歇变化不影响主轴部件正常工作的主轴,或长度较短的主轴,如钻床、电主轴组合机床等。图3-14所示为坐标镗床主轴部件。图3-14T4163B型坐标镗床主轴部件

(3)三支承配置。

机床主轴通常采用两端支承,结构简单,制造、装配方便,容易保证精度,可满足使用要求，但一些大型、重型机床设备多采用三支承结构,其刚度和抗振性较高，对于三支承座孔同心度要求高,增加了制造、装配的难度和结构的复杂程度。通常为了保证其刚度和旋转精度,需将其中的两个支承预紧,这两个支承称为紧支承或主要支承;另一个支承必须具有较大的间隙,称为松支承或辅助支承。对于一般精度机床,应选前、中支承为主要支承,后支承为辅助支承,主要起平稳定心的作用;对于精密机床,应采用前、后支承为主要支承,中间支承为辅助支承,主要起增加阻尼的作用。

5)主轴滚动轴承间隙调整

主轴滚动轴承的间隙量大小对主轴部件的工作性能及轴承的寿命有重要影响。轴承在较大间隙下工作时,会造成主轴位置(径向或轴向)的偏移而直接影响加工精度。由于轴承的承载区域较小,因此载荷集中作用于受力方向的一个或几个滚动体上,会造成较大的应力集中,使轴承发热和磨损加剧,进而降低寿命,主轴部件的刚度和抗振性也大为削弱。当轴承调整为零间隙时,滚动体受力均匀,主轴旋转精度得到提高；当轴承调整为适当的负间隙时,滚动体产生弹性变形,与滚道的接触面积加大,则主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性都得到显著提高。轴承预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙,使其产生一定的过盈量。轴承预紧分为径向预紧和轴向预紧两种方式。

(1)径向预紧方式。

径向预紧是利用轴承内圈膨胀,以消除径向间隙的方法。拧动轴承内侧的调整螺母推动内圈,使之与轴颈间产生相对轴向位移,即可达到顶紧的目的。位移调整量的控制方式有以下三种:①无控制装置：位移调整量的控制凭操作者的经验,结构简单,但不易准确控制。

②控制螺母：在轴承前侧放置一个控制螺母用以控制调整量,但需在主轴上切削螺纹。

③控制环：在轴承前侧放置两个对开的半环,可取下并修磨其厚度以控制调整量，后轴承通过修磨前侧的控制环厚度来控制其调整量。

(2)轴向预紧方式。

这种方式是通过轴承内、外圈之间的相对轴向位移进行预紧的。

图3-15所示为角接触球轴承的几种预紧控制方式。图3-15角接触球轴承的预紧方式①修磨轴承圈。图3-15(a)中，通过将内圈(背靠背组配)或外圈(面对面组配)相靠的端面各磨去一定量,安装时再把它们压紧来实现预紧。其特点是：需要修磨轴承,工艺较复杂,使用中不能调整。

②内外隔套。图3-15(b)中，在两个轴承的内、外圈之间,分别安装两个厚度差为a的内、外隔套。其特点是：隔套加工精度容易保证,使用效果较好,但使用中不能调整。③无控制装置。图3-15(c)中,两个内圈的位移量靠操作者的经验控制。其特点是：可在使用中调整,但难于准确掌握。

④弹簧预紧。图3-15(d)中靠数个均布弹簧来控制预加载荷基本不变,轴承磨损后能自动补偿间隙,效果较好。

6)主轴滚动轴承的润滑

(1)脂润滑。润滑脂是由基油、稠化剂或添加剂在高温下混合成的脂状润滑剂。普通润滑脂的摩擦阻力比润滑油略大,但高级润滑脂(如锂基润滑脂)的摩擦阻力比润滑油略小。一般润滑脂适用于轴承的速度、温度较低且不需要冷却的场合。对于立式主轴以及装于套筒内的主轴轴承(如钻床、坐标镗床、立铣、龙门铣床、内圈磨床等),宜用脂润滑。数控加工中心主轴轴承也常用高级润滑脂润滑。

(2)油润滑。油润滑适用于速度、温度较高的轴承,因为润滑油黏度低，摩擦系数小,润滑及冷却效果都较好。适量的润滑油可使润滑充分,同时因搅油发热小,使得轴承的温升及功率损耗都较低。

主轴滚动轴承常用的润滑方式与轴承的转速、负荷、容许温升及轴承类型有关,一般可按轴承的Dn值选择。①滴油润滑。滴油润滑是指通过针阀式轴承注油杯向轴承间断滴油。滴油润滑简单方便,搅油发热较小，用于需定量供油、高速运转的小型主轴。据瑞典SKF公司测定,主轴前支承采用NN3015K型和2344.15E型轴承匹配使用时,供油量每分钟1～5滴为宜。②飞溅润滑。飞溅润滑是指利用浸入油池内的齿轮或甩油环的旋转使油飞溅进行润滑。飞溅润滑结构简单,但

在机床启动后才能供油,油不能过滤，且搅油发热及噪声较大，用于要求不高的主轴轴承。

溅油元件的速度一般为0.8～6m/s,浸油高度可为1～3h,h为齿高。油面高度一般不能高于箱体外露最低位置的孔。③循环润滑。循环润滑是指出油泵供油对轴承进行润滑。回油经冷却、过滤后可循环使用,能够保证对轴承的充分润滑,并带走部分热量,但搅油发热较大,需调节供油量。循环润滑适用于高速、重载机床的主轴轴承。

④油雾润滑。油雾润滑是指压缩空气通过专门的雾化器,再经喷嘴将油雾喷射到轴承中。⑤喷射润滑。喷射润滑是指在轴承周围均布几个喷油嘴,周期性地将油喷射到轴承圈与保持架的间隙中,这样能够冲破轴承高速旋转时所形成的“气流隔层”,把油送到工作表面上。喷射润滑可准确地控制供油量,润滑效果好,但需一套专门润滑设备,成本高，适用于高速主轴轴承。⑥油气润滑。油气润滑是针对高速主轴而开发的新型润滑方式,用极微量的油(8～16min约0.03cm3)与压缩空气混合,经喷嘴送入轴承中。油气润滑与油雾润滑的区别在于：润滑油未被雾化,而是成滴状进入轴承,在轴承中容易沉积,不污染环境;由于使用大量空气冷却轴承,因此轴承温升更低。对于角接触滚动轴承,由于转动离心力的甩油作用,润滑油必须从小端进油,否则润滑油很难进入轴承中的工作表面。

7)主轴滚动轴承密封

轴承密封的作用是防止润滑油外流,以免增加耗油量,影响外观和污染工作环境,防止外界灰尘、金属屑末、冷却液等杂质进入而损坏轴承及恶化工作条件。脂润滑轴承的密封作用主要是防止外界杂质进入而引起磨损破坏作用，同时防止润滑油混入润滑脂,使之稀释后甩离轴承,失去润滑效果。主轴滚动轴承密封主要分为接触式和非接触式密封两类。选择密封形式应根据轴的转速、轴承润滑方式、轴承的工作温度、外界环境及轴端结构特点等因素综合考虑。接触式密封在旋转件与密封件间有摩擦,发热较大,不宜用于高速主轴。非接触式密封发热小,密封件寿命长,能适应各种转速,因此应用广泛。也可采用接触式和非接触式密封联合使用的方式。

8)主轴滑动轴承支承

(1)液体动压轴承。动压轴承依靠主轴以一定转速旋转时带着润滑油从间隙大处向间隙小处流动,形成压力油膜

而将主轴浮起,并承受载荷。轴承中只能产生一个压力油膜的叫单油楔动压轴承,在载荷、转速等工作条件变化时,其油膜厚度和位置也随着变化,使轴心线浮动，从而降低了旋转精度和运动平稳性。①阿基米德曲线多油楔滑动轴承。该轴承系整体式外锥内圆结构,如图3-16所示。在外圆上有三条锥度为1∶20的筋,与箱体衬套锥孔相配。在内圆上与筋对应开有三条均布的阿基米德曲线的油槽,以形成油楔并产生油膜压力,通过轴承左端相配的螺母,使外锥相对于轴承座锥孔轴向移动,则轴承产生弹性变形而调整间隙,一般径向间隙为1～5μm。在三条筋旁边有较低的三个凸面,其上开有进油孔和回油槽。润滑油用泵强迫供油,压力为100kPa左右,使轴承启动时不致发生干摩擦。图3-16固定多油楔滑动轴承这种整体动压轴承的优点是:内接触面积小,油液面积大,故刚度高,静刚度约为180N/μm,油膜刚度约为500N/μm;间隙小,旋转精度高;温升低,约为5℃。但它在装

配时前后轴承同轴度不能调整,加之轴承间隙小,因此对轴承以及箱体孔、衬套的同轴度要求很高,制造和装配工艺复杂,仅适用于高精度磨床。②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，如图3-17所示。这种轴承通常由三块或五块瓦组成,各由一球头螺钉支承,可以稍做摆动以适应转速或载荷的变化。轴瓦背面与箱体孔不接触,而是支承在球头螺钉上。球头螺钉的球面和轴瓦背面的凹球面经过配对研磨,装配时须对号入座,接触面积不少于80%,因而具有较高的支承刚度。图3-17活动多油楔滑动轴承借助三个螺钉可以精确调整轴承间隙,一般情况下轴瓦和轴颈之间的间隙可调整到5～15μm,而主轴的轴心飘移量可控制在1μm左右,因而具有较高的旋转精度。三个压力油楔能自动地适应外加载荷,使主轴保持在接近于轴承中心位置。这种轴承还具有径向和轴向的自动定位作用,可以

消除轴承边侧压力集中的有害现象。③整体多油楔轴承。图3-18所示为整体多油楔动压轴承,通常用在精密机床上。其内表面加工出三个偏心圆弧槽,

均布在圆周上,形成油楔的槽面完全靠机械加工而成,故轴承工作时的尺寸精度、接触状况和油楔参数等均较稳定,拆装后的变化也很小,维修较方便,但加工困难。图3-18整体多油楔动压轴承主轴正转或反转时都能形成三个油楔,轴承内孔锥度为1∶20,外圆与箱体孔配合为H6/h5。轴承间隙是按主轴高速情况进行调整的,低速时仅起普通滑动轴承的作用。为改善低速性能,可采用压力润滑,以保证主轴启动时不产生半干摩擦,并使轴承在高速或低速时都能正常工作。

(2)液体静压轴承。当动压轴承的转速低于一定值时,压力油膜就形成不了了,如果轴承停止旋转,压力油膜就会消失,

所以在主轴转速较低或启动、停止过程中,轴颈就会与轴承发生干摩擦。主轴转速变化后压力油膜厚度随之变化,则轴心位置也要改变。液体静压轴承则由外界供给一定的压力油于两个相对运动的表面间,不依赖于它们之间的相对运动速度就能建立压力油膜。液体静压轴承的优点如下:①具有良好的速度和方向适应性,既能在极低的转速下工作,又能在极高的转速下工作，在主轴正、反向旋转及换向瞬间均能保持液体的摩擦状态，因此广泛用于磨床、车床及其他需要经常换向的主运动主轴上。

②可获得较强的承载能力。只要增大油泵压力和承载面积,就可增大轴承的承载能力,故液体静态轴承可用于重型机床中。③摩擦力小,轴承寿命长。由于是完全液体摩擦,因此摩擦系数非常小,如用20号机油时摩擦系数约为0.0005,摩擦力很小。轴颈和轴承之间没有直接磨损,轴承能长期保持

精度。

④旋转精度高,抗振性好。在主轴轴颈与轴承之间有一层高压油膜,具有良好的吸振性能,使主轴运动平稳,它的油膜刚度高达800N/μm。

3.电主轴

1)概述

高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分,是高速机床和并联机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统,在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。它是一种机电一体化的功能部件,其电动机转子和主轴是一体的,无需任何机械连接。改变供电频率,就可实现主轴调速。高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴,这种结构基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节,其主轴由内装式电机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床主轴的“零传动”。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式,即采用无外壳电机,将其空心转子直接套装在机床的主轴上,带有冷却套的定

子则安装在主轴单元的壳体内,形成内装式电机主轴,也称为高速电主轴。在高速运转下,主轴单元的振动问题是非常突出的,采用电主轴即是最佳的选择,这是因为:

(1)如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动,则在高速运转条件下,所产生的振动和噪声等问题难以解决,必会影响机床的加工精度、加工表面粗糙度。

(2)为了提高生产率,要求在最短时间内实现高的速度变化,即主轴回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减小，

而将电机内置,省掉齿轮、皮带等一系列中间环节。

(3)电机内置于主轴两支承之间,可提高主轴系统的刚度和固有频率,从而可提高其临界转速值。

2)电主轴的基本参数与结构

(1)电主轴的基本参数。电主轴的基本参数包括:套筒直径、最高转速、输出功率、计算转速、计算

转速转矩和刀具接口等。一般电主轴型号中含有套筒直径、最高转速和输出功率这三个参数。表3-1列出了德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴的型号和主要参数。

(2)结构和布局。典型的高速电主轴由前后两套滚珠轴承来支承。电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴上,处于前后轴承之间,由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。由于转子内孔与主轴配合面之间有很大的过盈量,因此,在装配时必须在油浴中将转子加热到200℃左右,并迅速进行热压装配。电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中,这样电动机的转子就是机床的主轴,电主轴的套筒就是电动机机座,形成一种新型主轴系统。在主轴的后部安装有齿盘,作为电感式编码器,以实现电动机的全闭环控制。主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定可换的刀柄。

3)电主轴的性能参数

(1)精度和静刚度。电主轴的精度包括径向跳动、轴向跳动和轴线的扭摆。它们直接决定了加工工件的精度。

静刚度是指主轴受力后的变形程度。静刚度越高，工件的精度越高。

(2)临界转速。掌握临界转速,对高速回转部件的安全运转至关重要。厂家在设计电主轴时,已进行了精细的计算,并确保高速回转部件的最高转速低于临界转速，然而厂家一般并不将这个数据及计算用的程序(含经验性的修正值)告诉用户,只是要求用户在使用时,刀具重量不能超出规定值,其长度直径比一般不应大于某一数值(例如4∶1),并要求使用经过动平衡的刀具。GMN公司还给出了在不同转速下允许刀具的不平衡量的曲线。

(3)残余动不平衡值及验收振动速度值。高速回转时,即使微小的动不平衡,也会产生很大的离心力(离心力与转速的平方成正比),而使电主轴系统产生振动。为此,电主轴厂必须对电主轴系统进行精确的动平衡。一般都执行ISO标准G014级,即在最高转速时,由于残余动不平衡而引起振动的速度的最大允许值为0.14mm/s。但每个厂家均有其内控的残余动不平衡值标准,在最高转速时,出厂验收的振动速度值一般为0.17mm/s左右。

(4)噪声与套筒温升值。电主轴在最高转速时,噪声一般应低于70～75dB。

尽管电主轴的电动机及前轴承外周处都采用循环水冷却,但一般仍会有一定的温升。通常在两个部位测量温升,一是在套筒前端处(其温升为T1),另一是在套筒前轴承外周处(其温升为T2)。当电主轴在最高转速运转至热平衡状态时,一般T1应小

于20℃,T2应小于25℃。这个实测数值连同测量时的室温值一般填写在出厂的验收单上。值得注意的是,T1、T2并非愈小愈好，这是因为内置电动机的转子无法冷却,总有一定的温升,故希望定子温升值与转子温升值尽量接近。

(5)拉紧刀具的拉力值以及松开刀具所需液(气)压力的最小值和最大值。

用于加工中心或其他具有刀具拉紧机构的电主轴,一般都在说明书上标明了静态拉紧刀具的力的大小，单位为N,并用成组的碟形弹簧来实现刀具的拉紧。松开刀具一般采用液压或气压活塞和缸。厂家会注明所需的最大和最小压力值,以MPa为单位。德国GMN公司对具有刀具拉紧机构的每一种规格的电主轴都提供这个数据。套筒直径为230mm、最高转速为24000r／min、功率为40kW的HC23024000/40型电主轴,

其静态拉紧力为18000N(在高速回转时,由于离心力对拉钩的作用,拉紧力还会进一步增加),刀具松开所需液压力最小值和最大值分别为6MPa和15MPa。

(6)使用寿命值。

由于高速运转,采用滚动轴承的电主轴工况一般比较恶劣,因此,其使用寿命总是有限的。虽然这个寿命数据对用户至关重要,但是电主轴制造厂一般不以书面形式提供。这是因为:

①对机床而言,轴承失效形式主要不是材料表面疲劳,而是精度丧失。疲劳失效的寿命较长,可作相对较为精确的计算;精度丧失失效的寿命相对较短,很难精确计算。②精度寿命与使用的工况条件和用户维护的水平关系很大,而且精度丧失以后,难以分清是用户的责任还是制造厂的责任。尽管这样,在正常使用和维护的前提下,制造厂商一般应保证使用寿命在5000～10000h左右。一般电主轴在失效后,是完全可以通过检修恢复到新的程度的。

(7)电主轴与刀具的接口。

此项虽不是基本参数,但关系到电主轴的使用性能。

4)电主轴的支持技术和装置

(1)电动机驱动器。无论是普通变频器还是矢量控制驱动器,它们都含有功率电子器件、微电子器件和计算机的硬件(单片机或DSP),也含有各类控制策略的软件等当前最为活跃且仍在迅速发展的高新技术。其技术含量和价格均高于只含定子和转子的电动机,而且功率、转速、转矩等性能

指标对价格的影响也较大。

(2)轴承润滑部件。如果采用永久性油脂润滑,就不需要任何润滑部件。除油脂润滑外,油气润滑部件几乎是唯一的选择。油气润滑介质一般从轴承的一侧供应给轴承(见图3-19)。FISCHER公司开发了一种直接润滑系统(DirectLubricationSystem,DLS),见图3-20，使油-气直接从径向送达接触应力最高之处。它可作为选件供给对电主轴要求极高的用户。图3-19油气润滑部件图3-20FISCHER公司的直接润滑系统

(3)压缩空气密封。具有足够压力和流量的压缩空气从迷宫密封中送出,以防止空气中的微粒进入电主轴。当然,

密封的压缩空气自身必须是经过精细过滤的。

(4)电动机及前轴承外周的冷却部件,包含泵、水箱、热交换器和流量计等。冷却剂以前用油水乳化液,现一般用含防锈蚀添加剂的水。用油水热交换器或根据需要采用半导体致冷器来冷却已升温的水。GMN公司提供的冷却部件水温控制为(23±0.7)℃(室温为20～35℃)。当对主轴轴向位移要求更高时,水温控制精度应提高至±0.3℃。

(5)锥孔吹净装置及其控制。如果电主轴含换刀机构,则在每一次取出刀具后,需自动控制压缩空气将锥孔吹净一次,以迎接新刀具的插入。

(6)安全报警及其他装置。

①必备的部件。

a.电动机温升报警装置。在电动机定子三相绕组的每一绕组内,均含PTC测温元件,温升超过允许值时报警,且电动机停止回转。

b.电动机冷却用水流量报警及水箱水位的监控装置。

c.油气润滑系统故障报警装置。

d.显示刀具夹紧状况的装置。例如,电主轴含刀具夹紧机构,一般显示接近开关指示的三个位置:已夹紧刀具,已夹紧但无刀具,刀具已松开。

e.电主轴启动前,确保油气润滑已进行一次润滑的互锁装置。

f.显示电主轴实际转速和负载大小的装置。②供用户选用的部件。

a.通过主轴孔的切削冷却润滑液管道(应和吹净锥孔的管道互不干涉)。

b.测振装置(GMN公司、FISCHER公司可提供)。当振动过大时,报警并停车(应注意将机床其他部件产生的振动信号筛出,以免由于伪信号造成电主轴不必要的停车)。

c.松开刀具用的气压或液压装置。

d.主轴受热伸长的补偿装置(GMN公司和FISCHER公司可提供)。FISCHER公司采用精密位移传感器测出主轴伸长量。GMN公司通过测量前轴承外环的温度,间接推算主轴伸长量,然后通知机床数控系统,由数控系统对z轴尺寸进行补偿。

e.在线自动动平衡装置(FISCHER公司可提供)。每更换一把刀,电主轴的动不平衡量就会有变化。FISCHER公司的在线自动平衡装置可自动测出不平衡量,并自动使两个平衡

圆盘相对转动到一个动不平衡量最小的位置。例如,有一用户使用长达310mm、不平衡量为70g的刀具,在转速为10000r/min时,振动达4mm/s,使用在线自动平衡装置后,在

1s内振动即降至小于0.5mm/s的水平,从而保证了加工精度、表面质量,减小了刀具磨损,延长了电主轴寿命。

f.电主轴安装座。电主轴一般有两种安装方式:一种为靠外径夹紧,此时夹紧力和夹紧面积至关重要,一般电主轴制造厂可以提出建议值;另一种为靠法兰固定。对于大套筒电主轴,电主轴制造厂一般建议采用法兰固定,因为它可承受

较大的转矩。如果用户需要,有些电主轴制造厂还可提供安装座。

g.电主轴与数控系统的接口。一方面,如同一般数控机床的主轴电动机一样,电主轴要与数控系统连上,以接收数控系统的转速、定向停止等指令;另一方面,轴承润滑、电动机冷却、刀具夹紧或松开等的自动控制,多数为开关量的指令,也要与数控系统的PLC连接。一些特殊性能,如z轴尺寸的补偿等,针对不同厂家的数控系统要有不同的接口。

h.一套多用装置。当一台机床具有多个电主轴时,有些电主轴制造厂可供应单一的电动机驱动器、润滑、电动机冷却等装置,以降低总的费用和节省占地面积。

5)电主轴的选用

选用电主轴时应注意:

(1)从最终用户的实际需要出发,切忌盲目地“贪高(高转速)求大(大功率)”,以免造成性能冗余,资金浪费,维护费事,以致后患无穷。

(2)根据实际可行的切削规范,对多个典型工件的多个典型工序多做计算,少“拍脑袋”,或只是粗略地估算。

(3)不要单纯依靠样本来选用,而应多与供应商的销售服务专家深入交谈,向他们交实际应用的“底”,多听取他们有根据的有益建议。经常有这样的情况:在详尽了解用户需求后,他们会对其标准产品略加修改,即可提出能满足用户一些特殊需求的最佳方案。

(4)注意正确选择轴承类型与润滑方式。在满足需求条件下,应尽量选用陶瓷球混合轴承与永久性油润滑的组合,这样可省去润滑部件并简化维护。

GMN公司提出的选用电主轴的流程如图3-21所示。图3-21GMN公司选用电主轴的流程图3.2.2机床的支承件

1.支承件的功能和应满足的基本要求

1)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,它们相互固定并连接成机床的基础架。机床上其他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。以车床为例,支承件是床身,固定并连接着床头箱、进给箱和三杠(丝杠、光杠、开关杠);大刀架与溜板箱沿着床身导轨运动。床身不仅要承受这些部件的重力,而且还要承受切削力、传动力和摩擦力等,在这些力的作用下,不应产生过大的变形和振动;应保证大刀架沿床身导轨运动的直线度和相对主轴轴线的平行度;受热后产生的热变形不应破坏机床的原始精度;床身导轨应有一定的耐用度等。

2)支承件应满足的基本要求

支承件的种类很多,它们的形状、尺寸和材料是多种多样的,但是支承件都应满足下列基本要求:

(1)刚度。

支承件刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力。由静力和变形的关系所决定的刚度称为静刚度。由交变力和变形(即振幅)的关系所决定的刚度称为动刚度。动刚度是衡量抗振性的主要指标之一。

(2)抗振性。支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。由于支承件上安装着主轴箱、刀架等工作部件,因此,支承件的振动将影响其上的工作部件,从而影响被加工表面质量和机床生产率。此外,支承件上常有大面积的薄壁结构存在,当薄壁面积超过400mm×400mm时,可能产生薄壁振动,此振动带来的噪声常常成为机床噪声的主要原因之一。

(3)热变形。机床工作时,其中的传动件、轴承与导轨等相对运动件的摩擦热、切削热、液压系统和冷却系统散发的热、周围环境温度的变化等都会引起支承件温度的变化,从而产生热变形,破坏部件之间的相互位置和相对运动关系,影响机床的工作精度和几何精度,因此支承件的热变形是影响机床加工精度的主要因素之一。精密机床、自动机床及尺寸大的重型机床中支承件的热变形对加工精度的影响较大,这是因为精密机床的加工精度要求高,自动机床在加工中不易调整，重型机床较小的温差也能引起较大的误差。一般可通过控制发热、使热量均匀分布、改善支承件散热条件等措施来减小热变形及其对精度的影响。

(4)内应力。支承件在焊接、铸造和粗加工的过程中,在材料内部形成内应力,会导致支承件变形。在使用中,由于内应力重新分布和逐渐消失可能使变形增大,超出机床允许的误差范围,因此设计支承件时应从结构上保证其内应力足够小。例如,对于铸造的床身、立柱等大件,在结构设计上应使床身各部分的金属分布均匀,尽可能避免较薄部分向较厚部分突然转换的过渡面,这就是本书后面介绍的结构工艺性问题。又如，在铸铁中加镍和铬，以提高床身的耐磨性,并使内应力减小。在制造支承件时,还须进行时效处理。人工时效依靠加热炉加热铸件,并按照一定的工艺过程冷却来消除内应力,这种方法效率高,但效果不如自然时效。

2.支承件的材料

1)铸铁

一般支承件用灰口铸铁制成,在铸铁中加入少量合金元素如铬、硅、稀土元素等可提高耐磨性。铸铁铸造性能好,容易得到复杂的形状,且结构阻尼大,有良好的抗振性能,阻尼比ξ＝(0.5～3)×10－3。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,充分消除铸造和粗加工应力。采用振动时效时,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。这种方法时效时间短,较人工时效节能。其缺点是:按照一次弯曲共振频率进行时效,中间部分振幅大,消除应力效果好,两端振幅小,效果较差。常用的铸件牌号有HT200、HT150、HT100。HT200称为Ⅰ级铸铁,抗压抗弯性能较好,可制成带导轨的支承件,不适宜制作结构太复杂的支承件。HT150称为Ⅱ级铸铁,流动性好,铸造性能好,但机械性能较差,适用于形状复杂的铸件、重型机床床身、受力不大的床身和底座。HT100称为Ⅲ级铸铁,机械性能差,一般用作镶装导轨的支承件。

2)钢板焊接结构

用钢板和型钢等焊接支承件,其特点是制造周期短,省去了木模制作和铸造工艺;支承件可制成封闭结构,刚性好;便于产品更新和结构改进;钢板焊接支承件的固有频率比铸铁高,在刚度要求相同的情况下,采用钢板焊接支承件其壁厚是采用铸铁支承件的一半,质量是后者的80%。随着计算技术的应用,可以对焊接件结构负载和刚度进行优化处理,即通过有限元法进行分析,根据受力情况合理布置肋板,选择合适厚度的材料,以提高大件的动静刚度。因

此,近20年来国外用钢板焊接支承件代替铸件的范围不断扩大,从一开始在单件和小批生产的重型机床和超重型机床上应用,到后来逐步发展到一定批量的中型机床中。

3)预应力钢筋混凝土

预应力钢筋混凝土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。预应力钢筋混凝土支承件

的刚度和阻尼比铸铁大几倍,抗振性较好,成本较低。用钢筋混凝土制成支承件时,钢筋的配置对支承件的影响较大。一般三个方向都要配置钢筋,总预拉力为120～150kN。其缺点是脆性大,耐腐蚀性差,油渗入会导致材质疏松,所以表面应喷漆或喷涂塑料。图3-22数控车床的底座和床身示意图图3-22是数控车床的底座和床身。底座1为钢筋混凝土,混凝土的内摩擦阻尼很高,所以机床的振抗性很高;床身2为内封砂芯的铸铁床身,也可提高床身的阻尼。

4)天然花岗岩

天然花岗岩性能稳定,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5～6倍,导热系数和线胀系数小,热稳定性好,抗氧化性强,不导电,抗磁,与金属不黏合,加工方便,通过研磨和抛光容易得到很高的精度和很低的表面粗糙度值。

5)树脂混凝土

树脂混凝土是制造机床床身的一种新型材料,出现于20世纪70年代。树脂混凝土与普通混凝土不同,它采用树脂和稀释剂代替水泥和水,将骨料固结成为树脂混凝土,也称人

造花岗岩。树脂混凝土是以合成树脂(不饱和聚酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂)为黏结剂,加入固化剂、稀释剂、增韧剂等,通过聚合反应，将骨料振动、搅拌、浇注、固化而生成的一种复合材料。稀释剂的作用是降低树脂的粘度,使浇铸时有较好的渗透力,防止固化时产生气泡。增韧剂用来提高韧性,提高抗冲击强度和抗弯强度。骨料可分为细骨料(河砂、硅砂)和粗骨料(卵石、花岗岩、石灰石等碎石)。有时还要添加一些粉末填料,以便改善树脂混凝土的物理机械性能,如提高耐磨性、抗拉压强度。树脂混凝土的特点是:刚度高;具有良好的阻尼性能,阻尼比为灰铸铁的8～10倍,抗振性好;热容量大,热传导率低,导热系数只为铸铁的1／25～1／40,热稳定性高,其构件热变形小;密度为铸铁的1／3,质量小;可获得良好的几何形状精度,表面粗糙度值也较低:对切削油、润滑剂、切削液有极好的耐腐蚀性;与金属粘接力强,可根据不同的结构要求预埋金属件,使机械加工量减少,成本降低;浇注时无大气污染;生产周期短,工艺流程短;浇注出的床身其静刚度比铸铁床身提高了16％～40％。

3.铸造床身结构

支承件的尺寸大小、结构形状首先要满足工作要求。机床的类型、用途、规格不同,支承件的形状和大小也不同。床身、立柱、底座、横梁均属支承件,由于其安装部位和作用不同,所以截面形状也不同。图3-23为床身和立柱常见的截面形状。图3-23床身及立柱常见的截面形状图3-23(a)为前、后、顶三面封闭的卧式机床的箱形床身。为了排除切屑,在导轨间开有倾斜窗口,此种截面容易铸造,但刚度较低。图3-23(b)为前、后、底三面封闭的床身,床身内的空间可用于储存润滑油和切削液,安装驱动机构。在切屑不易落入导轨之间的情况下,小载荷卧式床身常采用这种形式,如磨床。图3-23(c)为两面封闭的床身,刚度较低,但便于切屑的排除和冷却液的流通,主要用于对刚度要求不高的机床,如小型车床。图3-23(d)是重型机床的床身,

导轨可多达4～5个。立柱可看做立式床身,其截面有圆形和方形两种,如图3-23(e)、(f)、(g)、(h)所示。

3.2.3导轨

1.导轨的功用和基本要求

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,如立车花盘、龙门铣刨床、普通刨插床、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。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、动压滑动导轨和普通滑动导轨。静压导轨是液体摩擦,导轨副之间有一层压力油膜,多用于高精度机床进给导轨。动压导轨也是液体摩擦,与静压导轨的区别仅在于油膜的形成不同：静压导轨靠液压系统提供压力油膜，动压导轨利用滑移速度带动润滑油从大间隙处向狭窄处流动,形成动压油膜，因而动压导轨适用于运动速度较高的主运动导轨。导轨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,使部件能在导轨副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。如图3-24所示,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。

例如，图3-25中压板和床身导轨的下底面a组成辅助导轨副,从而形成闭式导轨。也可以说,闭式导轨去掉辅助导轨副就是开式导轨。图3-24开式导轨简图图3-25闭式导轨简图

(1)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)。导轨的几何精度直接影响导向精度,因此在国家标准中对导轨纵向直线度及横向直线度的检验都有明确规定。接触精度指导轨副摩擦面实际接触面积占理论面积的百分比。磨削和刮研的导轨面其接触精度按JB2278的规定,用着色法检验,以25.4mm×25.4mm面积内的接触点数来衡量。

(2)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、黏着磨损(或咬焊)和疲劳磨损。磨料磨损常发生在边界摩擦和混合摩擦状态,磨粒夹在导轨面间随之相对运动,形成对导轨表面的“切削”,使导轨面划伤。磨料的来源是润滑油中的杂质和切屑微粒。磨料的硬度越高,相对运动速度越高,压强越大,对导轨副的危害就越大。磨料磨损是不可避免的,因而减少磨料磨损是导轨保护的重点。黏着磨损又称为分子机械磨损。在载荷作用下,实际接触点上的接触应力很大,以致产生塑性变形,形成小平面接触,在没有油膜的情况下,裸露的金属材料分子之间相互吸引和渗透,将使接触面形成黏结而发生咬焊,即黏着磨损。当存在薄而不匀的油膜时,导轨副相对运动,油膜就会被压碎破裂,造成新生表面直接接触,产生咬焊黏着。导轨副的相对运动将是摩擦面形成黏结咬焊、撕脱、再黏着的循环过程。由此可知,黏着磨损与润滑状态有关,在干摩擦和半干摩擦状态时,极易产生黏着磨损。机床导轨应避免黏着磨损。疲劳磨损发生在滚动导轨中。滚动导轨在反复接触应力的作用下,材料表层疲劳,将产生点蚀。

(3)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。

(4)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、动静摩擦系数之差、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。

(5)结构简单,工艺性好。

2.导轨的摩擦和磨损

1)导轨的摩擦形式

导轨的摩擦形式是由结构、速度、比压及润滑等因素决定的,按摩擦性质可分为滑动摩擦和滚动摩擦。滑动摩擦由于摩擦面间润滑及比压等情况不同又可分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦。（1）干摩擦。干摩擦指两表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。在工程实际中，并不存在真正的干摩擦，因为任何零件的表面不仅会因氧化而形成氧化膜，而且多少会被润滑油所湿润或受到“油污”。通常都把人们无意加以润滑而又不会出现明显润滑现象的摩擦当作“干”摩擦处理。由于干摩擦会使接触表面之间发生剧烈磨损，因此一般在机床导轨使用中不允许干摩擦发生。

(2)液体摩擦。液体摩擦指两摩擦表面被一层润滑剂隔开而完全不接触时的摩擦。一般情况下，它不会导致磨损,摩擦系数很小,发热量也很少。液体静压导轨内的摩擦就是液体摩擦，多用于进给运动导轨中,在主运动导轨中也有应用。液体动压导轨内的摩擦也是液体摩擦,当导轨表面的相对滑动速度较高(1.5～10m/s)时,在油囊处形成油楔,因而形成有动压效应的液体摩擦,多用于主运动导轨,如龙门刨床工作台导轨、立式车床工作台圆周运动导轨等。

(3)边界摩擦。在运动速度较低时,导轨面间不能形成动压液体摩擦,摩擦表面形成极薄的油膜,油分子像绒毛那样吸附在接触表面上,其厚度小于表面粗糙度的高度,因此在摩

擦面间形成部分直接接触和部分被油膜隔开的状态。

(4)混合摩擦。在一定的运动速度条件下,导轨面间除了边界摩擦外,还有动压效应存在,动压力用以平衡一部分载荷。边界摩擦与动压润滑所占百分比与运动速度、比压有关。大部分机床进给运动导轨的速度较低,属于混合摩擦,存在摩擦面直接接触的状态，一般导轨狭长,其长度与宽度的比值大,不能很好地封闭,因而润滑系统不完善,易泄漏,较

难形成动压润滑,工作中又经常停机、启动和反向,容易被切屑、磨粒等污物侵入。设计中对这些不利因素必须妥善考虑。根本性的措施是把滑动摩擦改为滚动摩擦(滚动导轨)和液体摩擦(静压导轨)。

2)导轨的磨损形式

(1)磨粒磨损。这里的磨粒是指导轨面间存在着的坚硬的微粒,可能是由外界或润滑油中带入的切屑、磨粒,也可能是导轨面上的硬点或导轨本身磨损的产物,它们起着切刮或刻划导轨面的作用。另外,导轨中较硬一面的表面凸起对较软一面的搓削作用所引起的磨损,也称为磨粒磨损或研磨磨损。这种磨损在机床开始运转过程中磨损较快,经过一段时间的运转后,由于接触面加大和配合质量得到提高,磨损则较缓慢。导轨磨粒磨损的速度r和磨损量μ与相对滑动速度v、比压p成正比,即

r=kpv,μ=r·t=kpvt=kps

式中:k为一定条件下的磨损速度系数;s为摩擦路程;t为摩擦时间。磨粒磨损会逐渐磨掉薄层金属,如果是均匀磨损,则对精度的影响并不严重。实际上由于导轨面上各处比压与使用情况不同,因此各处磨损也不一样,将使部件在移动时产生倾斜,影响机床加工精度。

(2)咬合磨损。咬合磨损就是相对滑动的两个表面互相咬啮。导轨表面有明显的咬裂痕迹叫做擦伤。擦伤会加快导轨面的磨损,严重的咬合磨损会使两个导轨面无法运动。

3)滚动导轨的疲劳和压溃

滚动导轨失效的主要原因是表面疲劳和压溃。表面受局部应力而产生弹性变形,当滚动体离开时弹性恢复,这种现象反复发生,达到一定循环次数后,表面会形成龟裂而产生剥落碎片,这种现象就是表面疲劳。压溃是指由于局部应力过大而使表层产生塑性变形,压出凹坑。这种现象虽不属磨损,但也会影响滚动体寿命。为避免压溃现象发生,应控制滚动件上的最大载荷。

3.滑动导轨

滑动导轨是基本导轨,其他类型的导轨都是以它为基础发展起来的。普通滑动导轨的滑动面之间呈混合摩擦。与液体摩擦和滚动摩擦导轨相比,滑动导轨虽有摩擦系数大、磨损快、使用寿命短、低速、易产生爬行等缺点，但由于结构简单,工艺性好,便于保证精度、刚度,故广泛应用于对低速均匀性及定位精度要求不高的机床中。

1)滑动导轨的结构

(1)直线滑动导轨的截面形状。直线滑动导轨面一般由若干个平面组成,从制造、装配和检验角度来说,平面的数量应尽可能少,常用的有矩形、三角形、燕尾形及圆柱形截面,如图3-26所示。图3-26直线滑动导轨的截面形状这些导轨分别由三至四个平面组成,各个平面所起的作用也有所不同。例如，矩形导轨的M、J面起导向作用,即保证在垂直面内的直线移动精度,M面是承受载荷的主要支承面,J面是防止运动部件抬起的压板面,N面是保证水平面内直线移动精度的导向面;在三角形导轨中,M、N面兼起支承和导向作用;在燕尾形导轨中,M面起导向和压板面作用,

J面为支承面。根据床身或固定件上导轨的凸凹状态,直线滑动导轨又可分为凸形导轨(见图3-26上排)和凹形导轨(见图3-26下排)。其中,凸三角形又称山形,凹三角形又称V形。当导轨水平布置时,凸形导轨不易积存切屑和脏物,但也不易存油,多用在移动速度小的部件上;相反,