數(shù)控機床本體設(shè)計

數(shù)控機床本體設(shè)計第1頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1支承件設(shè)計7.1.1支承件的功用和要求

（1）功用支承件是機床的基礎(chǔ)件，包括床身、底座、立柱、橫梁、工作臺、箱體和升降臺等大件。1）支承作用：支承機床各零部件，在機床切削時，承受著一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力；2）基準作用：保證機床在使用中或長期使用后，仍能保證各部件之間正確的相互位置關(guān)系和相對運動軌跡；3）其他作用：有時還利用其空間兼作它用，如利用床身的內(nèi)部空間放置冷卻液、液壓油箱、電機、電氣箱。第2頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）要求

1）剛度指支承件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力。前者稱為靜剛度，后者稱為動剛度。如果機床支承件剛度不足，不僅會產(chǎn)生變形，還會產(chǎn)生振動和爬行，從而影響機床的定位精度及其它性能。一般所說的剛度往往指靜剛度，它包括：

結(jié)構(gòu)剛度：與材料性質(zhì)、形狀及尺寸有關(guān)；

接觸剛度：不僅與接觸材料、幾何尺寸、硬度有關(guān)、而且還與接觸面的粗糙度、幾何精度、加工方法等有關(guān)。第5頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)抗振性是指支承件抵抗受迫振動和自激振動的能力。抵抗受迫振動的能力是指受迫振動的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。抵抗自激振動的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩(wěn)定性。

3)熱變形

熱源：機床工作時，電動機、傳動系統(tǒng)的機械摩擦及切削過程等都會發(fā)熱，機床周圍環(huán)境溫度的變化也會引起支承件溫度變化，產(chǎn)生熱變形。

措施：一般通過控制發(fā)熱或使熱量均勻分布及改善支承件散熱條件等措施來減小熱變形及其對精度的影響。

第6頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4)內(nèi)應(yīng)力

支承件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導致變形。因此應(yīng)在焊、鑄、粗加工等工序后進行時效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。5)其它排屑通暢，操作方便，吊運安全，良好的工藝性。支承件的重量約為機床總重的80％以上，減輕重量對節(jié)約金屬特別有效。

第7頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）分類1）一個方向的尺寸比另兩個方向大得多的零件如：床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等----梁件2）兩個方向的尺寸比第三個方向大得多的零件如：底座、工作臺、刀架-----板件3）三個方向的尺寸都差不多的零件如：箱體、升降臺等-----箱形件第8頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.2支承件的靜剛度

7.1.2.1受力和變形分析

（1）各類機床外載的簡化

1）中小型普通機床：外載荷以切削力為主，工件重量、移動件重量可忽略不計；

2）精密和高精度機床：載荷以移動件重力和熱應(yīng)力為主，切削力可忽略不計；

3）大型機床：載荷應(yīng)同時考慮工件重力、切削力和移動件重力。第9頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）車床床身受力分析機床工作時，工件被支承在主軸箱與尾架之間，圖7-1(a)所示為作用在工件上的力，切削力分解成三個分力Px、Py和Pz。它們通過刀架作用于床身上。

車床床身變形的主要形式是垂直面和水平面內(nèi)的彎曲，以及由MnZ

和MnY聯(lián)合作用下的扭轉(zhuǎn)。結(jié)論：

1）彎曲變形中，水平面內(nèi)的彎曲對加工精度的影響比垂直面內(nèi)的彎曲要大。

2）較長床身，扭轉(zhuǎn)變形造成刀尖與工件的位移相當大。長床身應(yīng)注意提高其扭轉(zhuǎn)剛度。

3）床身兩端特別是主軸箱一端，需特別提高其剛度。第10頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)(b)(c)圖7-1車床床身的受力分析第11頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）床身變形對加工精度的影響

1）扭矩引起的扭轉(zhuǎn)變形它作用在橫截面內(nèi)，使床身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，造成前后導軌不平行，使工件產(chǎn)生加工誤差。

2）PZ產(chǎn)生彎矩使床身在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形床身在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形引起的加工誤差可忽略不計。

3）PY產(chǎn)生彎矩使床身在水平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形變形近似以1：1的比例關(guān)系反映為工件的加工誤差。第12頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.2.2提高支承件靜剛度的途徑支承件的變形：自身變形、局部變形、接觸變形(1)提高支承件的自身剛度支承件抵抗自身變形的能力稱為支承件的自身剛度，它主要決定于支承件的材料、形狀、尺寸和肋板的布置等。應(yīng)從以下幾個方面考慮提高支承件的自身剛度。第13頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月①

正確選擇截面的形狀和尺寸

a.空心截面的慣性矩比實心的大。（剛度）

b.圓形截面的抗扭剛度比方形的大，而抗彎剛度比方形的?。煌瑯?，環(huán)形的抗扭剛度比方框形與長框形的大，而抗彎剛度小于后者。

抗彎

抗扭

第14頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

c.封閉截面比不封閉的截面剛度大。

d.方形斷面與矩形斷面相比，矩形斷面抗彎剛度高，方形斷面抗扭剛度高。

e.工字形截面抗彎剛度最好，抗扭剛度最差。第15頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月②

合理布置肋板和肋條肋板又稱隔板，肋條又稱加強肋。當支承件截面形狀或尺寸受到結(jié)構(gòu)上限制的情況下，則在支承件上采用肋板或肋條來提高剛度，其效果比增加壁厚更為顯著。

a肋板:指在支承件兩外壁之間起連接作用的內(nèi)壁。

縱向肋板:提高抗彎剛度,應(yīng)布置在彎曲平面內(nèi)，見圖7-2

橫向肋板:主要提高抗扭剛度。圖7-3

斜向肋板:兼有提高抗彎和抗扭剛度的效果。

第16頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-2縱向肋板對剛度影響

Fbxx繞x軸慣性矩為(a)bxx繞x軸慣性矩為(b)FF

x

x

b圖7-2縱向肋板對剛度影響

第17頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月N0.0N0.1N0.2N0.3N0.0N0.1N0.2N0.3l=L=2.62hl=0.5L=1.31hl=0.33L=0.865h

hlllLf/f0

0.75

0.5

0.25

0.0圖7-3橫向肋板對剛度影響

第18頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-4中小型車床床身的幾種肋板形式abccd第19頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月斜向拉筋，床身剛度最高，排屑容易第20頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-5立柱的加肋方式第21頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月b肋條

一般布置在支承件的內(nèi)壁上，主要減少局部變形和薄壁振動。肋條有縱向、橫向和斜向之分。如圖7-6(a)直字形

(b)方格形

(c)三角形

(d)交叉形

(e)蜂窩形

(f)米字形第22頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-6肋條的形式第23頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月C合理開窗和加蓋

在支承件上開孔，將降低剛度，特別是抗扭剛度。窗口最好開在零件中心線上或沿中心線附近交錯排列。開窗口后加蓋并擰緊螺釘，可將抗彎剛度恢復到接近未開孔時的程度，用嵌入蓋比面覆蓋要好。

第24頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-7開孔和加蓋對剛度的影響

第25頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)提高支承件接觸剛度接觸剛度與連接處的材料、幾何形狀與尺寸、接觸面硬度及表面粗糙度、幾何精度和加工方法等有關(guān)。

1）表面粗糙度；

2）擰緊固定螺栓，使接觸表面有一定的預壓力；

3）合理布置聯(lián)接螺栓的位置

第26頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)提高支承件局部剛度局部變形主要發(fā)生在載荷較集中的局部結(jié)構(gòu)處，它與局部變形處的結(jié)構(gòu)和尺寸等有關(guān)。例如床身與導軌相聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)形式對局部剛度影響很大。床身的基本部分較薄而導軌部分較厚，所以要通過過渡壁與導軌連接。

第27頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-10床身與導軌的連接形式

第28頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.3支承件的動態(tài)特性

7.1.3.1動態(tài)分析

動態(tài)分析一般是在已知系統(tǒng)的動力學模型、外部激振力和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上進行的。它包括三方面問題：(1)固有特性問題：主要指系統(tǒng)的固有頻率(2)動力響應(yīng)問題：外部激振力的作用下產(chǎn)生受迫振動(3)動力穩(wěn)定性問題：切削顫振、爬行是一種自激振動，是由系統(tǒng)本身的動力特性及系統(tǒng)工作過程所決定的振動。產(chǎn)生自激振動的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。

第29頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.3.2固有頻率和主振型固有頻率和主振型是支承件的固有特性，由支承件的動態(tài)參數(shù)，即質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)等所決定。支承件是一個多自由度的振動系統(tǒng)，一般來說，有幾個自由度，就有幾個固有頻率和幾階振型。（1）單自由度振動系統(tǒng)

m—集中質(zhì)量K----剛度，無質(zhì)量的彈性桿mK第30頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）兩自由度振動系統(tǒng)第一階振型：m1和m2同時向上或向下，即相位相同第二階振型：m1和m2的相位相差180°

設(shè)計支承件，應(yīng)著重分析低階固有頻率和主振型，一方面，低階振動的振幅較大，另一方面，機床上激振力的頻率一般都不太高，因而只有最低階固有頻率才有可能與激振頻率重合或接近，容易引起支承件按低階頻率的共振。k1k2m1m2n低節(jié)點n高m1m2k1k2第31頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.3.3車床床身低階振型（1）第一階振型：整機搖晃振動床身作為一個剛體在彈性基礎(chǔ)上作搖晃振動。

特點：床身各點振動方向一致，同一水平線上各點振幅相差不大，離接合面越遠的點振幅越大。第32頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）第二階振型垂直彎曲振動特點：各點振動方向一致，上下振幅相差不大，縱向越近中部，振幅越大。第33頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）第三階振型扭轉(zhuǎn)振動特點：兩端振動方向相反，振幅為兩端大，中減小，靠近中部有一條節(jié)線，節(jié)線上的振幅為零，節(jié)線兩側(cè)振動方向相反。第34頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）第四階振型水平彎曲振型特點：有兩條節(jié)線，節(jié)線上振幅為零，兩端振動方向相同，與兩節(jié)線間的振動方向相反。第35頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）薄壁振動特點：n較高，振幅不大，對加工精度影響不大，但卻是重要的噪聲源。上述四種振型對加工精度的影響并不相同。整機搖晃振型引起工件與刀具間的相對振動很小，其危害不大。垂直方向的彎曲振型，雖然可能引起工件與刀具之間的相對振動，但振動在垂直方向?qū)庸ぞ取⒈砻娲植诙扔绊懸草^小。水平彎曲振型和扭轉(zhuǎn)振型都會在刀具與工件間引起有危害的相對振動，而使加工工件表面留下振紋。特別是扭轉(zhuǎn)振型的頻率較低，很容易落到車床加工時主軸工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)而引起共振，故危害更大。

第36頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.3.4.改善支承件動態(tài)特性的措施單自由度系統(tǒng)受簡諧力激振時的動剛度，可用下式表示：Kd(ω)=式中：F——激振力的幅值；

A——振幅；

K——系統(tǒng)靜剛度；

ω——激振角頻率；

ωn——系統(tǒng)固有角頻率；

ζ——系統(tǒng)阻尼比；

=ω/ωn

。對于不同的激振頻率段，在提高動剛度時，應(yīng)采取不同的措施。

第40頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）準靜態(tài)區(qū)：0<<0.6~0.7提高靜剛度近似?。?-2≈1ζ=0.01~0.12ζ≈0Kd(ω)≈K（2）共振區(qū)：0.6-0.7≤ω/ωn≤1.3-1.4增加阻尼近似取：≈11-2≈0Kd(ω)≈2Kζ（3）慣性區(qū)：ω/ωn≥1.3-1.4加大質(zhì)量

近似?。?-2≈-2

（2ζ)2相對于（1-2)2很小，可以不計，則Kd(ω)≈K2=K(ω/ωn)2=Kω2m/k=mω2第41頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2導軌設(shè)計

功用：導向、承載

導軌付：動導軌支承導軌導軌付需限制運動部件的其他五個自由度

導向原理：以直線運動的V—平導軌為例長V型導軌：yz；yz（轉(zhuǎn)動）平導軌與V型：x（轉(zhuǎn)動）可沿X移動，保證單一方向的導向性第42頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.1導軌的分類(1)按運動軌跡分①

直線運動導軌②

圓周運動導軌(2)按工作性質(zhì)分①

主運動導軌②

進給運動導軌

③

調(diào)整導軌(3)按摩擦性質(zhì)分①滑動導軌a液體靜壓導軌b液體動壓導軌c混合摩擦導軌②滾動導軌第43頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)按受力情況分

①

開式導軌

②

閉式導軌

圖7-21開式導軌和閉式導軌1-壓板；2-上導軌(b)第44頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2對導軌的基本要求

(1)導向精度導向精度主要是指運動部件沿導軌運動軌跡的直線度（對直線運動導軌）或圓度（對圓周運動導軌）。導軌的幾何精度直接影響導向精度，因此在導軌檢驗標準中對縱向直線度及兩導軌面平行度(扭曲)都有規(guī)定。

(2)耐磨性

運動導軌面沿固定導軌面長期運行會引起導軌不均勻的磨損，破壞導軌的導向精度。必須提高導軌的耐磨性，盡可能減小導軌磨損的不均勻程度，并使磨損后能自動補償或調(diào)整。

第45頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)剛度

導軌受力后變形會影響部件之間的相對位置和導向精度，因此要求導軌有足夠高的剛度。

導軌變形包括導軌本身的變形以及由床身變形而引起的變形。

(4)低速運動平穩(wěn)性

保證導軌在低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行第46頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3滑動導軌

7.2.3.1滑動導軌的結(jié)構(gòu)

(1)直線滑動導軌的截面形狀

直線滑動導軌面一般由若干個平面組成，各個平面所起的作用有所不同。矩形導軌：M面起導向作用，即保證在垂直面內(nèi)的直線移動精度，M面又是承受載荷的主要支承面，J面是防止運動部件抬起的壓板面；N面是保證水平面內(nèi)直線移動精度的導向面。三角形導軌：M、N面兼起支承和導向作用。燕尾形導軌：M面起導向和壓板面作用，J面為支承面。第47頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

(a)(b)(c)(d)圖7-22直線滑動導軌的截面形狀(a)矩形；(b)三角形；(c)燕尾形；(d)圓柱形第48頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月①

矩形導軌

特點：制造簡便，剛度和承載能力大；安裝、調(diào)整方便。導向性差，磨損后不能自動補償。②三角形導軌特點：在垂直載荷作用下，導軌磨損后能自動補償，不會產(chǎn)生間隙，因此導向性好。承載能力不如矩形導軌。③燕尾形導軌特點：磨損后不能自動補償間隙，需用鑲條調(diào)整。兩燕尾面起壓板面作用，用一根鑲條就可調(diào)整水平、垂直方向的間隙。導軌制造、檢驗和修理較復雜，摩擦阻力大，可承受顛覆力矩。第49頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月④圓柱形導軌

特點：圓柱形導軌制造簡單，但磨損后調(diào)整間隙困難，不能承受大的轉(zhuǎn)矩，主要用于受軸向載荷的場合，適用于同時作直線運動和轉(zhuǎn)動的場合。如拉床、珩磨機及機械手等。(2)直線運動導軌的組合形式

①雙三角形組合圖7-23(a)，能自行補償垂直方向及水平方向的磨損。導向精度高，但要求四個表面的刮削或磨削后接觸，工藝性較差，床身與運動部件熱變形不一樣時，難保證四個面同時接觸。這種導軌用于龍門刨床與高精度車床。

第50頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月②雙矩形組合圖7-23(c)，這種導軌主要承受與主支承面相垂直的作用力，導軌制造、調(diào)整簡單，承載能力大，但導向性差。用壓板、鑲條調(diào)整間隙，用于普通精度機床，如升降臺銑床、龍門銑床等。③三角形—平導軌組合圖7-23(b)所示的V形—平導軌組合,不須用鑲條調(diào)整間隙，導向精度高，加工裝配也較方便。兩條導軌磨損不一樣，對位置精度有影響，通常用于磨床、精密鏜床上。第51頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月④三角形—矩形組合如圖7-23(d)所示，兼有導向性好，制造方便等優(yōu)點。三角形導軌作主要導向面，具有雙三角形的優(yōu)點，但比雙三角形制造方便，導向性比雙矩形好。常用于車床、磨床、精密鏜床、滾齒機等機床上。應(yīng)用最為廣泛。⑤平—平—三角形組合圖7-23（e）是用于重型龍門刨床工作臺導軌的一種形式，三角形導軌主要起導向作用，平導軌主要起承載作用，不需用鑲條調(diào)整間隙。工作臺用雙齒條傳動，使偏轉(zhuǎn)力矩較小。第52頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-23導軌的組合abcd第53頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-23導軌的組合第54頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月選用原則：①

要求較大的剛度和承載能力-------矩形導軌②

要求導向精度高---------三角形導軌③要求制造、檢驗方便--------矩形導軌和圓形導軌④

要求結(jié)構(gòu)緊湊、高度小、調(diào)整方便----燕尾形導軌。(3)圓周運動導軌①平面圓環(huán)導軌

見圖7-24，這種導軌容易制造，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，只能承受軸向力，不能承受徑向力，需與帶徑向滾動軸承的主軸相配合，來承受徑向力。目前用得較多，如用于滾齒機、立式車床等。

第55頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月②

錐形圓環(huán)導軌見圖7-24(b)，錐形接觸面能承受軸向力與較大的徑向力，但不能承受較大顛覆力矩，要保持錐面和主軸的同心度較困難，母線傾斜角一般為30度，常用于徑向力較大的機床。③

V形圓環(huán)導軌見圖7-24(c)，這種導軌能承受較大的軸向力、徑向力和顛覆力矩，能保持很好的潤滑，但制造較復雜，須保證兩個V形錐面和主軸同心。第56頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-24圓周運動導軌截面(a)平面圓環(huán)導軌(b)錐形圓環(huán)導軌(c)V形圓環(huán)導軌abc第57頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3.2導軌的間隙調(diào)整導軌面之間的間隙應(yīng)適當。間隙過小，工作運動的阻力大，會使導軌磨損加劇。間隙過大，運動失去準確性和平穩(wěn)性，失去導向精度。(1)壓板調(diào)整壓板用于調(diào)整垂直方向上的間隙，并承受顛覆力矩。壓板用螺釘固定在動導軌上。圖7-25(a)所示間隙過大時刮研或修磨m面，間隙過小則刮(磨)n面。圖7-25(b)是用改變墊片4的厚度的方法調(diào)整間隙量。圖7-25(c)，在壓板與導軌之間用鑲條5和螺釘6調(diào)整間隙。結(jié)構(gòu)復雜，剛度低。第58頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-25壓板結(jié)構(gòu)

1-壓板；2-動導軌；3-支承導軌；4-墊片；5-鑲條；6-螺釘?shù)?9頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)鑲條調(diào)整

鑲條用來調(diào)整矩形導軌和燕尾形導軌的側(cè)向間隙。常用有平鑲條或斜鑲條，如圖7-26。圖(a)、(b)中，靠調(diào)整螺釘1調(diào)整平鑲條3的位置，用螺母2鎖緊。1)平鑲條全長厚度相等，截面是平行四邊形或矩形，利用橫向位移來調(diào)整間隙。

平鑲條較薄，在螺釘?shù)闹c有撓曲變形，剛度較低。2）斜鑲條厚度在全長上變化，利用縱向位移來調(diào)整間隙。鑲條兩個面分別與動導軌和支承導軌均勻接觸。第60頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-26鑲條結(jié)構(gòu)

1、4、5-螺釘；2-螺母；3-鑲條

(a)(b)第61頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3.3鑲條的安放位置與導向面的選擇從提高剛度考慮，鑲條應(yīng)放在不受力或受力較小的一側(cè)，但調(diào)整鑲條后，運動部件有較大的側(cè)移，影響加工精度。對于精密機床因?qū)к壥芰π?，要求加工精度高，鑲條應(yīng)放在受力的一側(cè)，或兩邊都放鑲條；而對普通機床，鑲條應(yīng)放在不受力的一側(cè)。

（1）寬導向：兩條導軌各用一側(cè)面為導向面，導向面間距離為兩條導軌導向面之間的寬度，稱為寬導向，如圖(a)所示。（2）窄導向：用同一條導軌的兩側(cè)面為導向面，導向面間距離為同一條導軌的寬度，稱為窄導向，如圖(b)所示。第62頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-27窄導向與寬導向

第63頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3.4滑動導軌的設(shè)計計算

滑動導軌的設(shè)計計算主要是分析受力、計算壓力、驗算磨損量，確定合理尺寸。

（1）許用比壓值

p平均=P/F<[p]平均（2）導軌的受力分析對Ⅱ點取矩Fyh+FZ(B/2+d/2)=FⅠB∴FⅠ=FZ(B+d)/2B+Fyh/B對Ⅰ點取矩FⅡB=FZ(B/2-d/2)-Fyh∴FⅡ=FZ(B-d)/2B-Fyh/BFⅡ第64頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）導軌壓強的分布

因為導軌長度遠大于寬度，可以認為壓強在寬度方向均布，因此，導軌面的壓強計算可按一維問題處理。當導軌的自身變形遠小于接觸變形時，可以只考慮接觸變形對壓強分布的影響，沿導軌長度的接觸變形和壓強可視為按線性分布。力和力矩引起的壓強見圖7-29。每條導軌載荷可簡化為一個集中力和一力矩

第65頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-29導軌的壓強

F第66頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月討論（1）當6M/FL=0,即M=0時，壓強P=Pmax=Pmin,按矩形分布。（2）當6M/FL≠0,即M≠0時，由于顛覆力矩M的作用，使導軌的壓強不按矩形分布。（a）當6M/FL＜1，即M/FL＜1/6，Pmin＞0，壓強按梯形分布。（b）當6M/FL=1,即M/FL=1/6，Pmin=0，

Pmax=2P平均，壓強按三角形分布。（c）當6M/FL＞1,即M/FL＞1/6，導軌面上將出現(xiàn)有一段長度不接觸，即一端已出現(xiàn)間隙Pmax

＞2P平均，Pmin＜

0。第67頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-30導軌壓強的分布

第68頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.4滾動導軌

在兩導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌面之間的摩擦具有滾動摩擦性質(zhì)，這種導軌稱為滾動導軌。

7.2.4.1滾動導軌的特點

優(yōu)點：(1)運動靈敏度高

(2)定位精度高

(3)牽引力小，移動輕便

(4)磨損小，精度保持性好

(5)潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便缺點:（1）抗振性較差（2）對防護要求也較高（3）結(jié)構(gòu)復雜

第69頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.4.2滾動導軌類型

滾動導軌按運動軌跡，可分為直線運動導軌、圓周運動導軌；按行程，可分為行程有限導軌及行程無限導軌；按滾動體型式，可分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌等。

(1)

滾珠導軌

其結(jié)構(gòu)特點為：點接觸，摩擦阻力小，承載能力較差，剛度低。結(jié)構(gòu)緊湊、制造容易、成本較低。滾珠導軌一般適用于運動部件重量小于2000N，切削力矩和顛覆力矩都較小的機床。

第70頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-32滾珠導軌

第71頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）滾柱導軌如圖7-33所示。滾動體與導軌之間是線接觸，承載能力較同規(guī)格滾珠導軌高一個數(shù)量級，剛度高。對導軌面的平面度敏感，制造精度要求比滾珠導軌高適用于載荷較大的機床。

（3）滾針導軌

滾針尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。承載能力大，剛度高。對導軌面的平面度更敏感，對制造精度的要求更高。摩擦因數(shù)較大，適用于導軌尺寸受限制的機床。

第72頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖7-33滾柱導軌

第73頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.4.3滾動導軌的預緊

(1)牽引力和預緊力的關(guān)系滾動導軌有預緊力，即有預加載荷時，剛度增加，但牽引力也增加。實驗和計算表明，當預緊力達到一定值再繼續(xù)增加時，剛度不再顯著提高。而導軌的牽引力的變化正相反，當開始預加載荷時，牽引力變化不顯著，而當預加載荷達到某一值時，牽引力就顯著提高。因此要選擇合適的預緊力，使剛度提高而牽引力增加不大。圖7-36示出滾動導軌牽引力和預盈量的關(guān)系，曲線1為矩形滾柱導軌，曲線2為滾珠導軌。

第74頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-36預盈量和牽引力的關(guān)系

1-矩形滾柱導軌；2-滾珠導軌

第75頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）選用原則

最小預緊力須保證加在每個滾動體上的預載大于外載荷，一般預緊力產(chǎn)生的預盈量為2-3μm。最大預緊力是根據(jù)牽引力、移動均勻性和滾動體表面強度而定。

沒有預加載荷時，導軌面的接觸是靠運動部件本身的重量。有預加載荷的導軌沒有間隙，剛度高，但結(jié)構(gòu)較復雜，成本高。一般除精密機床和垂直配置導軌外，在顛覆力矩不致使導軌滾動體脫離接觸的情況下，也可用無預加載荷的導軌。

第76頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)預加載荷的方法

預加載荷的方法可分兩類:

一類是利用尺寸差進行預緊。如圖7-37(a)所示采用過盈配合。裝配前，滾動體母線間的距離為A，壓板與溜板間的尺寸為A－δ。裝配后，由此而產(chǎn)生的上下滾動體與導軌面之間的預緊力各為Q。當載荷P作用于溜板時，上面滾子受力增加為Q+P，下面滾子受力減少為Q-P。而當P=Q時，下面滾子的彈性變形為零，因此，預緊力應(yīng)大于載荷。

另一類是靠螺釘、彈簧或斜塊移動導軌來實現(xiàn)預緊，見圖7-37(b)，調(diào)整原理和方法與滑動導軌調(diào)整間隙的方法相同。第77頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-37滾動導軌的預緊

1、2-支承塊；3-螺釘

第78頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.5靜壓導軌

靜壓導軌由于其導軌的工作面完全處于純液體摩擦下，因而工作時摩擦系數(shù)極低(f＝0.0005-0.001)；導軌的運動不受負載和速度的限制，且低速時移動均勻，無爬行現(xiàn)象；由于液體具有吸振作用，因而導軌的抗振性好；承載能力大、剛性好；摩擦發(fā)熱小，導軌溫升小。但靜壓導軌的結(jié)構(gòu)復雜，多了一套液壓系統(tǒng)；成本高；油膜厚度難以保持恒定不變。故靜壓導軌主要用于大型、重型數(shù)控機床上。

靜壓導軌的結(jié)構(gòu)型式可分為開式和閉式兩種。第79頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）開式靜壓導軌圖7-42為開式靜壓導軌工作原理。來自液壓泵的壓力油，其壓力為P0，經(jīng)節(jié)流器4，壓力降至P1，進入導軌面，借助壓力將動導軌浮起，使導軌面間以一層厚度為h0的油膜隔開，油腔中的油不斷地穿過各封油間隙流回油箱，壓力降為零。當動導軌受到外負荷W作用時，使動導軌向下產(chǎn)生一個位移，導軌間隙由h0降至h，使油腔回油阻力增大，油壓增大，以平衡負載，使導軌仍在純液體摩擦下工作。

第80頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-42開式液體靜壓導軌1-液壓泵；2-溢流閥；3-過濾器；

4-節(jié)流器；5-運動導軌；6-床身導軌

第81頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）閉式液體靜壓導軌圖7-43為閉式液體靜壓導軌的工作原理。閉式靜壓導軌各個方向?qū)к壝嫔暇_有油腔，所以閉式導軌具有承受各方向載荷的能力，且其導軌保持平衡性較好。另外，還有以空氣為介質(zhì)的空氣靜壓導軌，也稱為氣浮導軌?？諝忪o壓導軌摩擦低，具有良好的冷卻作用，可減小熱變形。

第82頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7-43閉式液體靜壓導軌1-固定節(jié)流閥；2，3-可調(diào)節(jié)流閥；4-過濾器；5-液壓泵；6-溢流閥；7-過濾器

第83頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.6提高導軌耐磨性的措施從設(shè)計角度提高耐磨性的基本思路：爭取無磨損，在無法避免磨損時爭取少磨損，均勻磨損以及磨損后能補償。1.爭取無磨損