數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求

數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體部分。來(lái)自于數(shù)控裝置的各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作指令，都必須由機(jī)床本體轉(zhuǎn)換成真實(shí)的、準(zhǔn)確的機(jī)

械運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能，并保證數(shù)控機(jī)床的性能要求。數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體由下列各部分組成：主傳動(dòng)系統(tǒng)，其功用是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給系統(tǒng)，其功用是實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床基礎(chǔ)件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作臺(tái)等。其功用是支承機(jī)床本體的零、部件，并保證這些零、部件在切削加工過(guò)程中占有的準(zhǔn)確位置。實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和某些輔助功能的裝置，如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻以及防護(hù)、排屑等裝置。實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、分度定位的裝置和附件，如回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。(6)刀庫(kù)、刀架和自動(dòng)換刀裝置(ATC)。(7)自動(dòng)托盤(pán)交換裝置(APC)。(8)特殊功能裝置，如刀具破損檢測(cè)、精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置等。其中，機(jī)床基礎(chǔ)件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)以及液壓、潤(rùn)滑、冷卻等輔助裝置是構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體的基本部件，其他部件則按數(shù)控機(jī)床的功能和需要選用。盡管數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體的基本構(gòu)成與傳統(tǒng)的機(jī)床十分相似，但由于數(shù)控機(jī)床在功能和性能上的要求與傳統(tǒng)機(jī)床存在著巨大的差距，所以數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體在總體布局、結(jié)構(gòu)、性能上與傳統(tǒng)機(jī)床有許多明顯的差異，出現(xiàn)了許多適應(yīng)數(shù)控機(jī)床功能特點(diǎn)的完全新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化加工設(shè)備。盡管數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，但仍然為機(jī)械制造廠家所普遍采用并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，其原因在于數(shù)控機(jī)床能自動(dòng)化地，高精度、高質(zhì)量、高效率地解決中、小批量的加工問(wèn)題。數(shù)控技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)床上的應(yīng)用，為數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化、高精度、高效率提供了可能性，但要將可能性變成現(xiàn)實(shí)，則必須要求數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性才能保證。這些特性包括結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦特性、幾何精度、傳動(dòng)精度等。一、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度是指在切削力和其他力的作用下，機(jī)床抵抗變形的能力。機(jī)床在加工過(guò)程中，受多種外力的作用，包括運(yùn)動(dòng)部件和工件的自重、切削力、驅(qū)動(dòng)力、加減速時(shí)的慣性力、摩擦阻力等。機(jī)床的各部件在這些力的作用下將產(chǎn)生變形，如各基礎(chǔ)件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，支承構(gòu)件的局部變形，固定連接面和運(yùn)動(dòng)嚙合面的接觸變形等。這些變形都會(huì)直接或間接地引起刀具與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，破壞刀具和工件原來(lái)所占有的正確位置，從而影響機(jī)床的加工精度和切削過(guò)程的特性，所以，提高機(jī)床的靜剛度是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的普遍要求。數(shù)控機(jī)床為獲得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各種外力負(fù)載更加惡劣，而且加工過(guò)程的自動(dòng)化也使得加工誤差無(wú)法由人工干預(yù)來(lái)修正和補(bǔ)償，所以，數(shù)控機(jī)床的變形對(duì)加工精度的影響會(huì)更為嚴(yán)重。為了保證數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)化、高效率的切削條件下獲得穩(wěn)定的高精度，其機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更高的靜剛度，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類(lèi)似的普通機(jī)床高50%。.合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件的截面形狀和尺寸，采用合理的筋板結(jié)構(gòu)機(jī)床在外力的作用下，各基礎(chǔ)件將承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，其彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的大小則取決于基礎(chǔ)件的截面抗彎和抗扭慣性矩，抗彎、抗扭慣性矩大，變形則小，剛度就高。表5-1列出了在截面積相同（即重量相同）時(shí)，不同截面形狀和尺寸的慣性矩。由表中數(shù)據(jù)可知：在形狀和截面積相同時(shí)，減小壁厚，加大截面輪廓尺寸，可大大增加剛度；封閉截面的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不封閉截面的剛度；圓形截面的抗扭剛度高于方形截面，抗彎剛度則低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度。因此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)截面形狀和尺寸，可大大提高基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)靜剛度。.采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善機(jī)床的受力狀態(tài)，提高機(jī)床的靜剛度在切削力、自重等外力相同的情況下，如果能改善機(jī)床的受力狀態(tài)，減小變形，則能達(dá)到提高剛度的目的。以機(jī)床主軸為例，在其他條件不變的情況下，縮短主軸前端的懸伸長(zhǎng)度，可以減小主軸承受的彎矩，從而減小主軸前端的撓度，提高主軸的剛度。采用合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局，可以顯著地改善機(jī)床的受力狀況，提高機(jī)床的剛度。.補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形在外力的作用下，機(jī)床的變形是不可避免的，如果能采取措施使變形對(duì)加工精度的影響減小，其結(jié)果相當(dāng)于提高了

機(jī)床的剛度。依照這一思路，產(chǎn)生了許多補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形的方法，這種方法普遍用于補(bǔ)償因自重而引起的

靜力變形。.提高機(jī)床各部件的接觸剛度在機(jī)床各部件的固定連接面和運(yùn)動(dòng)副的結(jié)合面之間，總會(huì)存在宏觀和微觀不平，兩個(gè)面之間真正接觸的只是一些高點(diǎn)，實(shí)際接觸面積小于兩接觸表面的面積（名義接觸面積），因此，在承載時(shí)，作用于這些接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)要比平均壓強(qiáng)大得多，從而產(chǎn)生接觸變形。平均壓強(qiáng)p與變形＜5之比稱(chēng)為接觸剛度，即。由于機(jī)床總有為數(shù)較多的靜、動(dòng)連接面，如果不注意提高接觸剛度，各連接面的接觸變形就會(huì)大大降低機(jī)床的整體剛度，對(duì)加工精度產(chǎn)生非常不利的影響。影響接觸剛度的根本因素是實(shí)際接觸面積的大小，任何增大實(shí)際接觸面積的方法都能有效地提高接觸剛度。如機(jī)床的導(dǎo)軌常采用人工鏟刮工藝作為最終的精加工工序，通過(guò)刮研，可以增加單位面積上的接觸點(diǎn)，并使接觸點(diǎn)分布均勻，從而增加導(dǎo)軌副結(jié)合面的實(shí)際接觸面積，提高接觸剛度。又如采用滾動(dòng)軸承作為支承的主軸部件，都要設(shè)計(jì)預(yù)緊結(jié)構(gòu)調(diào)整軸承間隙，使軸承在有預(yù)加載荷的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，以提高主軸的支承剛度。預(yù)加載荷增大了實(shí)際接觸點(diǎn)的面積，從而達(dá)到提高接觸剛度的目的。采用螺紋緊固的固定連接面，合理布置一定數(shù)量的螺栓，并對(duì)螺栓的擰緊力矩提出嚴(yán)格要求以保證適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，也是為提高接觸剛度而常采用的措施。.采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)床基礎(chǔ)件主要采用鑄鐵件。近年來(lái)，以鋼板焊接結(jié)構(gòu)代替鑄鐵件的趨勢(shì)不斷擴(kuò)大，從開(kāi)始在單件和小批量的重型和超重型機(jī)床上的應(yīng)用，逐步發(fā)展到有一定批量的中型機(jī)床。二、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性機(jī)床的振動(dòng)會(huì)在被加工工件表面留下振紋，影響工件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)則使加工過(guò)程難以進(jìn)行下去。機(jī)床加工時(shí)可能產(chǎn)生兩種形式的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。機(jī)床的抗振性指的是抵抗這兩種振動(dòng)的能力。強(qiáng)迫振動(dòng)是在各種動(dòng)態(tài)力（如高速回轉(zhuǎn)零件的不平衡力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的換向沖擊力、周期變化的切削力等）作用下被迫產(chǎn)生的振動(dòng)。如果動(dòng)態(tài)力的頻率與機(jī)床某部件的固有頻率重合，則將發(fā)生共振。機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)的能力可以用動(dòng)剛度大小來(lái)表示。自激振動(dòng)是在投有外加動(dòng)態(tài)力的情況下，由切削過(guò)程自身所激發(fā)的振動(dòng)。自激振動(dòng)的頻率接近或略高于機(jī)床主振型的低階固有頻率，振幅較大，對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生極為不利的影響。當(dāng)機(jī)床的剛度、刀具切削角度、工件與刀具材料、切削速度和進(jìn)給量都一定時(shí)，影響自激振動(dòng)的主要因素就是切削寬度b，因此，可以把不產(chǎn)生自激振動(dòng)的最大切削寬度，稱(chēng)為臨界切削寬度，作為判斷機(jī)床切削穩(wěn)定性（抵抗自激振動(dòng)的能力）的指標(biāo)。高速切削是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力的直接因素，強(qiáng)力切削也意味著切削寬度大。數(shù)控機(jī)床在追求高速度、高切削效率的同時(shí)，也埋下了容易產(chǎn)生受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的根源。切削過(guò)程的自動(dòng)化又使得振動(dòng)難以由人工來(lái)控制和消除，數(shù)控機(jī)床只有靠自身機(jī)床結(jié)構(gòu)的高抗振性來(lái)減小和克服振動(dòng)對(duì)加工精度、加工過(guò)程的影響。提高機(jī)床的抗振性，可以從提高靜剛度、固有頻率和增加阻尼幾個(gè)方面著手。提高靜剛度的措施已在前面有詳細(xì)的介紹。因?yàn)楣逃蓄l率（其中，K為靜剛度，m為結(jié)構(gòu)質(zhì)量），所以在提高靜剛度時(shí)，能相對(duì)減小結(jié)構(gòu)件的重量，即提高單位重量的剛度，則能提高固有頻率。前面介紹的合理布置筋板，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等提高靜剛度的措施，同樣能達(dá)到提高固有頻率的目的。1、基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料在基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土，振動(dòng)時(shí)可利用相對(duì)摩擦來(lái)耗散振動(dòng)能量，從而提高結(jié)構(gòu)的阻尼特性。2、表面采用阻尼涂層對(duì)于彎曲振動(dòng)結(jié)構(gòu)件，在其表面噴涂一層具有較高內(nèi)阻尼和較高彈性的粘滯材料（如瀝青基制成的膠泥減振劑、高分

子聚合物和油漆膩?zhàn)拥龋繉雍穸扔?，阻尼愈大。采用阻尼涂層，既可不改變?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和剛度，又能獲得較

高的阻尼比，其阻尼比g值可達(dá)0.05~0.1。這種措施常用于鋼板焊接的結(jié)構(gòu)。3、采用新材料制造基礎(chǔ)件最近10年來(lái)，德國(guó)和瑞士在應(yīng)用聚合物混凝土制造基礎(chǔ)件的研究中取得了進(jìn)展。德國(guó)布格哈特一韋貝爾（BURKHAR

UT&WEBER）公司為HYOP80NCW型加工中心制成了丙烯酸樹(shù)脂混凝土床身，其動(dòng)剛度比鑄鐵件的高6倍。瑞

士的精密磨床生產(chǎn)廠家斯圖德（STUDER）公司制成了S40和S50系列數(shù)控外圓磨床的樹(shù)脂混凝土床身，具有剛

度高、抗振性好、耐化學(xué)腐蝕和耐熱的特點(diǎn)。4、充分利用接合面間的阻尼在焊接結(jié)構(gòu)上，壁板和筋板之間采用間斷焊接（即焊一段，空一段，再焊一段），空的那一段振動(dòng)時(shí)互相摩擦，可

消耗振動(dòng)能量，從而獲得良好的阻尼特性。三、減小機(jī)床的熱變形熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。機(jī)床在工作時(shí)，有許多部件和部位會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如電機(jī)、滾動(dòng)軸承、切屑及刀具與工件的切削部位、液壓系統(tǒng)等。這些產(chǎn)生熱量的部件和部位稱(chēng)為熱源。熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳遞給機(jī)床的各個(gè)部件，引起溫升，產(chǎn)生熱膨脹。由于熱源分布不均勻，各熱源產(chǎn)生的熱量不等，零部件各處質(zhì)量不均勻，形成機(jī)床各部位溫升不一致，從而產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)和不均勻的熱膨脹變形，以致破壞刀具與工件的正確相對(duì)位置，影響加工精度。數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)床，并且大切削用量產(chǎn)生的熾熱切屑也多，故發(fā)熱遠(yuǎn)較傳統(tǒng)機(jī)床嚴(yán)重，而熱變形對(duì)加工精度的影響往往難以由操作者修正，因此對(duì)如何減小機(jī)床的熱變形應(yīng)予以特別重視。1、改進(jìn)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)相對(duì)熱源是對(duì)稱(chēng)的。這樣在產(chǎn)生熱變形時(shí)，可保證工件或刀具回轉(zhuǎn)中心對(duì)稱(chēng)線的位置不變，從而減小熱變形對(duì)加工精度的影響。最典型的實(shí)例是許多臥式加工中心所采用的框式雙立柱結(jié)構(gòu)，主軸箱嵌入框式立柱內(nèi)，且以立柱左、右導(dǎo)軌兩內(nèi)側(cè)定位，在熱變形時(shí)，主軸中心在水平方向的位置保持不變，從而減小了熱變形的影響。采用預(yù)拉伸的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床中的滾珠絲杠是在預(yù)加載荷大、轉(zhuǎn)速高、散熱差的條件下工作的，容易發(fā)熱，滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。采用預(yù)拉伸的方法可以減小絲杠的熱變形。這種方法是在加工滾珠絲杠時(shí)，使螺距略小于名義值，裝配時(shí)對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，即使其螺距值達(dá)到名義值，當(dāng)絲杠工作受熱，絲杠中的拉應(yīng)力補(bǔ)償了熱應(yīng)力，從而減小熱伸長(zhǎng)。在機(jī)床布局時(shí)，盡量減少內(nèi)部熱源內(nèi)部熱源的發(fā)熱是造成熱變形的主要原因，因此，在機(jī)床布局設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量考慮將熱源從主機(jī)中分離出去，如將電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓泵站等置于機(jī)床主機(jī)以外。加工過(guò)程所產(chǎn)生的熾熱切屑是一個(gè)不可忽視的熱源。在機(jī)床布局時(shí)，應(yīng)考慮使排屑通暢，應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排屑裝置以隨時(shí)將切屑排到機(jī)床外，同時(shí)應(yīng)在工作臺(tái)或?qū)к壣显O(shè)置隔熱防護(hù)罩，使數(shù)控技術(shù)切屑的熱量隔離在機(jī)床外。2、控制溫升對(duì)機(jī)床發(fā)熱部位采取散熱、風(fēng)冷、液冷等控制溫升的辦法來(lái)吸收熱源發(fā)出的熱量，是在各類(lèi)數(shù)控機(jī)床上使用較多的一種減少熱變形影響的對(duì)策。其中，強(qiáng)制冷卻是比較有效的方法。所謂強(qiáng)制冷卻，就是利用冷卻裝置對(duì)潤(rùn)滑油或冷卻液進(jìn)行冷卻，然后將潤(rùn)滑油送至摩擦副潤(rùn)滑或?qū)⒗鋮s液送至切削部位冷卻。3、熱變形補(bǔ)償預(yù)測(cè)熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型并存人計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。四、改善運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦特性機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床基本結(jié)構(gòu)的要素之一。機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量，而對(duì)數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌則有更高的要求，如：高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行；有高的靈敏度，能在重載下長(zhǎng)期連續(xù)工作；耐磨性要高，精度保持性要好等。這些都與導(dǎo)軌副的摩擦特性有關(guān)，要求摩擦系數(shù)小，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差小。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用的導(dǎo)軌主要有塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。(一)塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌數(shù)控機(jī)床采用的塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌有鑄鐵-塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌和鑲鋼-塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，與之相配的金屬導(dǎo)軌為鑄鐵或鋼質(zhì)。鑄鐵牌號(hào)為HT300，表面淬硬至HRC45~50，表面粗糙度磨削至0.20~0.10；鑲鋼導(dǎo)軌常用50號(hào)鋼或其他合金鋼，淬硬至HRC58~62。導(dǎo)軌上的塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層兩類(lèi)。1、聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鑰和石墨等填充劑混合燒結(jié)，并做成軟帶狀。這種軟

帶有以下特點(diǎn)：(1)摩擦特性好耐磨性好減振性好工藝性好2、環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層是以環(huán)氧樹(shù)脂和二硫化鑰為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份，以固化劑為另一組份

的雙組份塑料涂層。它有良好的可加工性，可經(jīng)車(chē)、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工；也有良好的摩擦特性和耐磨性，而

且抗壓強(qiáng)度比聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶要高，固化時(shí)體積不收縮，尺寸穩(wěn)定。特別是可在調(diào)整好固定導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌間的相

關(guān)位置精度后注入涂料，這樣可節(jié)省許多加工工時(shí)，故它特別適用于重型機(jī)床和不能用導(dǎo)軌軟帶的復(fù)雜配合型面。滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小(一般在