《现代制造装备及控制》数控机床本体设计课件

7.1支承件设计7.1.1支承件的功用支承件是数控机床的基本构件，主要是指床身、立柱、横梁、工作台、箱体、升降台等大件。作用：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；

基准作用：即保证机床在使用中或长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。第7章数控机床本体设计7.1支承件设计7.1.1支承件的功用第7章数控机床本17.1.2支承件的基本要求

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。支承件的结构设计、尺寸及布局具应满足下列要求。刚度：支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力；抗振性：支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力；热变形：影响机床的工作精度和几何精度（隔热、散热，均衡温度场、对称温度场）；内应力：支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，并应在焊接、铸造等工序后进行时效处理；其它：支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，加工及装配工艺性好等。第7章数控机床本体设计7.1.2支承件的基本要求第7章数控机床本体设计27.1.3支承件的静刚度

支承件变形包括三部分：自身变形，局部变形和接触变形。一、提高支承件自身刚度

支承件抵抗自身变形的能力称为支承件的自身刚度，它主要决定于支承件的材料、形状、尺寸和筋板的布置等。(1)正确选择支承件的截面和尺寸

支承件所受的载荷，主要由拉压、弯曲和扭转。其中弯曲和扭转是主要的载荷。因此，支承件的自身刚度，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有关。第7章数控机床本体设计7.1.3支承件的静刚度第7章数控机床本体设计3(2)合理布置隔板图a为床身前后壁用"T"形隔板连接，主要提高水平面刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。但这种床身结构简单，铸造工艺好。图b为“H”形隔板，“H”形隔板具有一定的宽度B和高度H，垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能也很好，在大型车床上应用较多。第7章数控机床本体设计(2)合理布置隔板第7章数控机床本体设计4图c为W形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯、抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著。图d床身刚度最高，排屑容易。(3)合理开窗和加盖为了安装机件或清砂，支承件壁上往往需要开窗孔。窗孔对刚度有影响，因而开窗孔后加盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度。第7章数控机床本体设计图c为W形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯、5二、提高支承件连接刚度和局部刚度

支承件在连接处抵抗变形的能力，称为支承件的连接刚度。连接刚度与连接处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法有关。

支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件的局部刚度。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。

合理设置加强筋是提高局部刚度的有效途径，下面示出了4种加强筋结构。第7章数控机床本体设计二、提高支承件连接刚度和局部刚度第7章数控机床本体设计6加筋的布置第7章数控机床本体设计(a)：直线筋，结构简单，刚性差、可用于窄壁或受载较小的床身上；(b)：纵横筋板直角相交，制造简单、易产生内应力，用于箱型截面上；(c)：筋板在壁上呈三角形分布，能保证刚度，用于矩形截面床身的宽壁处；(d)：米字型筋板，抗弯、抗扭刚度较高，结构复杂，多用于焊接床身上。加筋的布置第7章数控机床本体设计(a)：直线筋，结构简单，77.1.4支承件形状和尺寸的确定一、卧式床身：床身截面形状主要取决于刚度要求，导轨位置，内部需安装的零部件和排屑等。图a为前后壁之间加隔板的形式，用于中小型车床，刚度较低。图ｂ为双重壁结构，刚度比图a高些。图c所示的床身截面形状是通过后壁的孔排屑，这样床身的主要部分可做成封闭的箱形，刚度较高。第7章数控机床本体设计7.1.4支承件形状和尺寸的确定第7章数控机床本体设计8图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床，龙门刨床，插床和镗床床身。为了便于冷却液和润滑液流动，顶面有一定斜度。图e床身内部可安装尺寸较大的机构，也可兼作油箱。床身的前后壁之间无隔板连接，刚度较低，常作为轻型机床床身，如磨床。图f是重型机床的床身，导轨可达4-5个。第7章数控机床本体设计图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床，龙门刨床，插床和镗床9二、立柱：

可看做立式床身，其截面有圆形、方形和矩形。立柱所承受的载荷有两类：弯曲载荷，载荷作用于立柱的对称面，如立式钻床的立柱；弯曲和扭转载荷，如铣床，镗床的立柱。图a为圆形截面，抗弯刚度较差，主要用于运动部件绕其轴心旋转以及载荷不大的场合，如摇臂钻床。第7章数控机床本体设计二、立柱：第7章数控机床本体设计10图b为对称矩形截面，用于以弯曲载荷为主，载荷作用于立柱对称面且较大的场合。图c为对称方形截面，用于有两个方向的弯曲和扭转载荷的立柱。图d用于龙门框架式立柱。第7章数控机床本体设计图b为对称矩形截面，用于以弯曲载荷为主，载荷作用于立柱对称面11三、横梁和底座横梁用于龙门式机床上，进行受力分析时，可看作两支点的简支梁，工作时承受复杂的空间载荷，因此横梁的刚度对机床性能影响很大，其截面一般做成封闭形，见图a-e。

图f为底座的截面形状，底座是某些机床不可缺少的支承件，因此必须要有足够的刚度。横梁和底座截面形状第7章数控机床本体设计三、横梁和底座横梁和底座截面形状第7章数控机床本体设计127.1.5支承件材料的选择及时效处理一、铸铁灰铁铸造性能较好，容易获得复杂结构的支承件，内摩擦力大，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低。但周期较长，易产生缩孔，气泡等缺陷。HT196为Ⅰ级铸铁，用于外形简单和弯曲应力、压应力较大的支承件；HT147为Ⅱ级铸铁，铸造性能好而力学性能差，适用于精密机床，形状复杂及载荷不大的座身，底座也多采用Ⅱ级铸铁；HT98为Ⅲ级铸铁，其力学性能较差，一般多用于镶嵌导轨的支承件。第7章数控机床本体设计二、钢钢强度比铸铁高，弹性模量约为铸铁的1.5-2倍。支承件用钢材焊接而成，质量可减轻20~50%，且可使固有频率提高。生产周期短，又不易出现废品。7.1.5支承件材料的选择及时效处理第7章数控机床本体设13三、失效处理在铸造及焊接后因冷却收缩而产生内应力，且很不均匀。时效处理方法有3种：即自然时效，人工时效和振动时效。自然时效：将铸铁毛坯或粗加工后的半成品在露天存放3个月到几年，逐渐消除其内应力，使内部材料性能逐渐趋于稳定，然后进行加工。人工时效：将工件放在200℃以下的退火炉中，以不超过80℃/h的速度缓慢冷却，以免产生新的内应力，冷却到400℃以下方可从炉中取出。振动时效：将激振器的激振频率调到等于零件一次弯曲振动的固有频率，使零件发生共振，弯曲应力加上内应力将有一部分材料的总应力超过屈服极限，使材料产生塑性变形而消除内应力。第7章数控机床本体设计三、失效处理第7章数控机床本体设计147.2机床导轨设计7.2.1概述一、导轨的功用和分类导轨副的主要功用是导向和承载，为此，导轨副只允许具有一个自由度。导轨副按下列性质分类：

运动轨迹可分为直线运动导轨和圆周运动导轨。摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。

工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨、移置导轨和卸荷导轨。第7章数控机床本体设计7.2机床导轨设计7.2.1概述第7章数控机床本体设计15二、导轨应满足的基本要求

导向精度：指导轨运动轨迹的精确度。影响因素有：导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨及其支承件的刚度和热变形，静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。精度保持性：主要由导轨的耐磨性决定，耐磨性与导轨的材料、导轨副的摩擦性质，导轨上的压强及其分布规律等因素有关。刚度：包括导轨自身刚度和接触刚度。主要取决于导轨的形状、尺寸与支承件的连接方式及受力状况等因素。低速运动平稳性：动导轨作低速运动或微量位移时，易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度值。第7章数控机床本体设计二、导轨应满足的基本要求第7章数控机床本体设计16三、导轨的主要失效形式磨损：分为磨粒磨损和咬合磨损。

疲劳和压溃：表面疲劳是因为表层受接触应力而产生弹性变形，脱离接触时则弹性恢复，这种过程达到一定循环次数后，表层形成龟裂而产生剥落片。压溃是由于接触应力过大而使表层产生塑性变形而形成坑。第7章数控机床本体设计三、导轨的主要失效形式第7章数控机床本体设计17四、导轨的材料及导轨副匹配①

导轨材料的基本要求a.良好的耐磨性

导轨的磨损不但影响机床的稳定性，而且在许多情况下还影响与导轨相联系的摩擦副(例如丝杠螺母、蜗杆-蜗轮等)的工作性能。b.良好的摩擦特性

良好的摩擦特性包括较小的静摩擦系数和它受静接触延续时间的影响小；较小的动摩擦系数和它在低速进给范围内受滑动速度的影响小等。还希望静、动摩擦系数差小。c.加工与使用中由于残留内应力产生的变形小。d.工作环境与自身温升的尺寸稳定，强度不变。

第7章数控机床本体设计四、导轨的材料及导轨副匹配第7章数控机床本体设计18②导轨副材料的匹配

铸铁-铸铁：动导轨常用灰铸铁。支承导轨采用孕育铸铁，高磷铸铁和合金铸铁，其耐磨性比普通铸铁高2-4倍。铸铁-淬硬铸铁：动导轨常用普通灰铸铁，并经刮配加工。支承导轨常用HT200铸铁并进行表面淬火提高共硬度及耐磨性。铸铁-淬硬钢板：动导轨常用铸铁。支承导轨为淬硬钢导轨，分段镶装在铸铁床身上，用碳素钢(T108A，T8A等)、合金钢(40Cr，CrWMn等)。塑料-铸铁：在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带，与铸铁导轨组成摩擦副时，摩擦系数仅为0.02-0.03，是铸铁-铸铁副的1/3左右。有色金属-铸铁：在动导轨基体上镶装有色金属板，主要有ZQSn6-6-3，ZQA1-9-2等。第7章数控机床本体设计②导轨副材料的匹配第7197.2.2滑动导轨7.2.2.1滑动导轨的结构一、直线运动导轨(1)直线运动导轨的截面形状导轨面由若干个平面组成，从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少。

图a是矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，制造，检验和维修方便。但是导轨不可避免地存在侧向间隙，因而导向精度较差。第7章数控机床本体设计7.2.2滑动导轨第7章数控机床本体设计20

图b是三角形导轨，顶角α越小导向性越好，但α减小时导轨面当量摩擦系数加大；α角加大承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存有较大积屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。图c是燕尾形导轨，高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。图d是圆柱形导轨，易制造，不易积存较大积屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙，用于轴向载荷场合。第7章数控机床本体设计图b是三角形导轨，顶角α越小导向性越好，但α减21(2)直线运动滑动导轨常用组合形式

图a为双三角形组合，导向精度高，磨损后相对位置不变。用于龙门刨床、丝杆车床等。图b为双矩形组合，承载能力大，刚度高，制造、调整简单。用于数控机床、拉床、镗床等。第7章数控机床本体设计(2)直线运动滑动导轨常用组合形式第7章数控机床本体设计22

图c为三角形和矩形组合，兼有导向性好、制造方便等优点，广泛用于车床、磨床、精密镗床、滚齿机等机床上。图d为矩形与燕尾形组合，兼有承受较大力矩，调整方便等优点。用于横梁和立柱上。图e为双圆柱导轨组合，常用于拉床、机械手等。第7章数控机床本体设计图c为三角形和矩形组合，兼有导向性好、制造方237.2.2.2塑料滑动导轨

在金属导轨基体的表面上覆盖一层塑料或塑料/金属混合物，称为塑料滑动导轨。优点：耐磨性好、抗咬合能力强，具有自润滑功能；摩擦系数小，动静摩擦系数接近且稳定、低速不爬行；吸振性好，具有良好的阻尼性；加工性好，工艺简单，化学性稳定性高、耐腐蚀(耐水、耐油)，维修方便，成本低等。缺点：耐热性差、热导率低、线胀系数大、机械强度低、刚性差、易蠕变。数控机床采用的塑料滑动导轨有铸铁-塑料滑动导轨和镶钢-塑料滑动导轨。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。第7章数控机床本体设计7.2.2.2塑料滑动导轨第7章数控机床本体设计24(1)注塑导轨

导轨注塑或环氧涂层材料(抗磨涂层的材料)是以环氧树脂和二硫化硫为基体，加入增塑剂，混合成膏状为一组分，固化剂为另一组分的双组分塑料。这种涂料附着力强，具有良好的可加工性，良好的摩擦特性和耐磨性，尺寸稳定。注塑导轨1-滑座；2-胶条；3-注塑层第7章数控机床本体设计(1)注塑导轨注塑导轨第7章数控机床本体设计25(2)贴塑导轨

在导轨滑动面上贴一层抗磨的塑料软带，与之相配的导轨滑动面经淬火和磨削加工。软带以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物制成。塑料软带可切成任意大小和形状，用胶粘剂粘接在导轨基面上。由于这类导轨软带用粘接方法，故称为贴塑导轨。贴塑导轨的粘接第7章数控机床本体设计(2)贴塑导轨贴塑导轨的粘接第7章数控机床本体设计267.2.2.3静压导轨

静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体摩擦下，因而工作时摩擦系数极低(f=0.0005~0.001)；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好、摩擦发热小，导轨温升小。但静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统，成本高；油膜厚度难以保持恒定不变。故静压导轨主要用于大型、重型数控机床及加工中心上。第7章数控机床本体设计7.2.2.3静压导轨第7章数控机床本体设计27一、静压导轨的结构①开式静压导轨

指不能限制工作台从导轨上分离的静压导轨。这种导轨的载荷总是指向导轨，不能承受相反方向的载荷，并且不易达到很高的刚性。这种静压导轨用于运动速度比较低的重型机床。开式液体静压导轨1-液压泵；2-溢流阀；3-过滤器；4-节流器；5-运动导轨；6-床身导轨第7章数控机床本体设计一、静压导轨的结构开式液体静压导轨第7章数控机床本体设计28②闭式静压导轨导轨设置在机座的几个面上，能够限制工作台从导轨上分离的静压导轨。各个方向导轨面上均开有油腔，具有承受各方向载荷的能力，导轨平衡性较好，常于要求承受倾覆力矩的场合。闭式静压导轨结构闭式液体静压导轨1-固定节流阀；2、3-可调节流阀；4-过滤器；5-液压泵；6-溢流阀；7-过滤器第7章数控机床本体设计②闭式静压导轨闭式静压导轨结构闭式液体静压导轨第7章数29二、油腔结构导轨油腔形状一般有矩形油腔和油槽形油腔，其中油槽形油腔包括：直油槽形油腔、二字形油槽腔和三字形油槽腔。不管油腔的形状如何，只要支座的长L、宽B和油腔长t、宽b相等，各种形状的油腔具有相同的承载面积。第7章数控机床本体设计二、油腔结构第7章数控机床本体设计30三、导轨间隙静压导轨的间隙代表了润滑油膜的厚度，间隙越大，流量越大，则刚性减少，且导轨容易出现漂移。导轨的间隙小，流量也小，刚性增大，但是导轨间隙受到导轨几何精度、零部件刚性以及最小节流器最小尺寸的限制，所以导轨间隙不能取得太小。中小型机床，空载时的导轨间隙一般取h0=0.01-0.025mm。大型机床，空载时的导轨间隙一般取h0=0.03-0.08mm。第7章数控机床本体设计三、导轨间隙第7章数控机床本体设计31四、节流形式

分定压式供油系统和定量式供油系统两种。

在大型机床中采用定量式供油(即单腔单泵)可获得大的刚性，且载荷越大，刚性也越大，导轨油腔与泵之间直接连接无需再串节流器。

液体静压导轨常用的定压式供油系统的节流器有两种：

毛细管节流器薄膜反馈节流器

第7章数控机床本体设计四、节流形式第7章数控机床本体设计32(1)毛细管节流器

毛细管节流器多采用节流长度可调整的螺旋槽结构。这是因为导轨各油腔压力往往大小不一，而进油压力p又要求一样，这就要使毛细管的节流长度能够在一定范围内调整，以适应各油腔的不同需要。可调毛细管节流器第7章数控机床本体设计(1)毛细管节流器可调毛细管节流器第7章数控机床本体33为了结构紧凑，静压导轨常将多个毛细管组合。毛细管节流开式和闭式静压导轨，多用于载荷变化范围不大的机床。组合式毛细管节流器1-螺旋槽毛细管；2-进油管接头；3-油腔压力表座；4-节流阀；5-分配阀；6-供油压力表阀第7章数控机床本体设计为了结构紧凑，静压导轨常将多个毛细管组合。毛34(2)薄膜反馈节流器薄膜反馈节流器的结构有单面和双面两种。双面薄膜反馈节流器结构同静压轴承完全一样。单面薄膜反馈节流器，有节流间隙不可调整(图a)和节流间隙可调整两种。在节流间隙可调整的结构中，又有弹簧压紧薄膜和阀芯移动调整间隙两种(图b)。节流间隙不可调整的单面薄膜反馈节流器节流间隙可调整单面薄膜反馈节流器第7章数控机床本体设计(2)薄膜反馈节流器节流间隙不可调整的单面薄膜反馈节流器35单面薄膜反馈节流器多用于开式静压导轨。双面薄膜反馈节流器多用于闭式静压导轨。导轨的每个油腔都应该有节流器控制。对于开式V形导轨两侧相对应的油腔，应各自有节流器控制，才能承受正方向垂直载荷和水平方向载荷，见下图。节流器的布置第7章数控机床本体设计单面薄膜反馈节流器多用于开式静压导轨。双面薄36二、圆周运动导轨图a是平面圆环导轨。承载能力大，制造方便，只能承受轴向载荷，须与主轴联用，由主轴来承受径向载荷。用于立式车床，圆工作台磨床等。图b是锥面圆环导轨。其母线倾角常取30°，导向性比平面导轨好，可承受轴向和径向载荷，但是较难保持锥面和轴心线的同轴度。图c是Ｖ形圆环导轨。它可承受较大轴向力、径向力和颠覆力矩，较难保证锥面和轴心线的同轴度。第7章数控机床本体设计二、圆周运动导轨第7章数控机床本体设计377.2.3滚动导轨

在两导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质，这种导轨称为滚动导轨。第7章数控机床本体设计7.2.3滚动导轨第7章数控机床本体设计38与普通滑动导轨相比，滚动导轨有下列优点:①

运动灵敏度高，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，远小于滑动导轨(静摩擦系数为0.4-0.2，动摩擦系数为0.2-0.1)。静、动摩擦力相差甚微，低速移动时，没有爬行现象。②

定位精度高，滚动导轨重复定位误差为0.1-0.2μm。普通滑动导轨一般为10-20μm，在采用防爬措施后(如液压卸载)可达2-5μm。③

牵引力小，移动轻便。④

钢制淬硬导轨具有较高的耐磨性，精度保持性好。⑤

润滑系统简单，维修方便(只需更换滚动体)。第7章数控机床本体设计与普通滑动导轨相比，滚动导轨有下列优点:第7章数控机床本体39缺点:

滚动导轨的抗振性较差，对防护要求也较高。由于导轨间无油膜存在，滚动体与导轨是点接触或线接触，接触应力较大，故一般滚动体和导轨需用淬火钢制成。另外，滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使运动部件倾斜或高度发生变化，影响导向精度，因此对滚动体的精度和导轨平面度要求高。与普通滑动导轨相比，滚动导轨的结构复杂，制造困难，成本较高。第7章数控机床本体设计缺点:第7章数控机床本体设计40一、滚动导轨类型

按运动轨迹，分为直线运动导轨、圆周运动导轨；

按行程，分为行程有限导轨及行程元限导轨；

按滚动体形式，分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等。第7章数控机床本体设计一、滚动导轨类型第7章数控机床本体设计41(1)滚珠导轨结构特点为：点接触，摩擦阻力小，承载能力较差，刚度低，结构紧凑，制造容易，成本较低。通过合理设计滚道圆弧可大幅度降低接触应力，提高承载能力。滚珠导轨一般适用于运动部件重量小于2000N，切削力矩和颠覆力矩都较小的机床。滚珠导轨第7章数控机床本体设计(1)滚珠导轨滚珠导轨第7章数控机床本体设计42(2)滚柱导轨

滚动体与导轨之间是线接触，承载能力较同规格滚珠导轨高一个数量级，刚度高，对导轨面的平面度敏感，制造精度要求比滚珠导轨高适用于载荷较大的机床。滚柱导轨(3)滚针导轨滚针尺寸小，结构紧凑，承载能力大，刚度高。对导轨面的平面度更敏感，对制造精度的要求更高。摩擦系数较大，适用于导轨尺寸受限制的机床。第7章数控机床本体设计(2)滚柱导轨滚柱导轨(3)滚针导轨第7章数控机床本体43二、滚动导轨的结构形式①直线滚动导轨副

导轨条l是支承导轨，滑块7装在移动件上，滑块7中装有4组滚珠，在导轨条和滑块的直线滚道内滚动。当滚珠4滚到滑块的端点，经端面挡板6和回珠孔返回另一端，再次进入循环。4组滚珠和各自的滚道相当于4个直线运动角接触球轴承。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷作用下接触区为椭圆。可以从油嘴8注入润滑脂。密封垫5用来防止灰尘迸入轨道。直线滚动导轨的结构1-导轨体；2-侧面密封垫；3-保持器；4-液珠；5-端部密封垫；6-端丽挡板；7-滑块；8-润滑油嘴第7章数控机床本体设计二、滚动导轨的结构形式直线滚动导轨的结构第7章数控机床本体44二、滚动导轨的结构形式第7章数控机床本体设计二、滚动导轨的结构形式第7章数控机床本体设计45②滚动导轨块采用循环式圆柱滚子，与机床床身导轨配合使用，不受行程长度的限制，刚度高。滚动导轨块用螺钉固定在动导轨体上，滚动体3在导轨块6与支承5之间滚动，并经挡板2及上面的返回槽做循环运动。滚动导轨块1-防护板；2-端面销板；3-滚柱；4-导向片；5-保持器；6-导轨块第7章数控机床本体设计②滚动导轨块滚动导轨块第7章数控机床本体设计46二、材料及热处理

滚动体材料一般用滚动轴承钢，洋火后硬度可达60HRC以上。

滚动导轨可用淬硬钢或铸铁制造。钢导轨具有承载能力大和耐磨性较高等优点。常用的材料有低碳合金钢，如20Cr，经渗碳洋火，硬度可达60~63HRC；合金结构钢，如40Cr，热处理硬度可达45~50HRC。加工性能较好；合金工具钢，淬火后低温回火，材料硬度较高，性能稳定，适用于变形小、耐磨位高的导轨。铸铁导轨适用于中、小载荷，不需要预紧且不承受动载荷的导轨上，常用材料为HT200，硬度为200~220HB。第7章数控机床本体设计二、材料及热处理第7章数控机床本体设计47三、滚动导轨的预紧滚动导轨有预加载荷时，刚度会增加，但牵引力也增加。预盈量和牵引力的关系1-矩形滚柱导轨；2-滚珠导轨第7章数控机床本体设计三、滚动导轨的预紧预盈量和牵引力的关系第7章数控机床本体设48预紧方法过盈配合：装配前，滚动体母线间的距离为A，压板与溜板间的尺寸为A-δ。装配后，由此而产生的上下滚动体与导轨面之间的预紧力各为Q。当载荷P

作用于溜板时，上面滚子受力为Q-P。而当P=Q时，下面滚子的弹性变形为零，因此，预紧力应大于载荷。调整元件预紧：靠螺钉、弹簧或斜块移动导轨来实现预紧。滚动导轨的预紧1,2-支承块；3-螺钉第7章数控机床本体设计预紧方法滚动导轨的预紧第7章数控机床本体设计49四、滚动导轨的设计计算

①

受力分析

中、小型机床的载荷以切削力为主，可忽略工件和动导轨部件的重力。对大型机床进行受力分析时，必须同时考虑切削力和重力。第7章数控机床本体设计四、滚动导轨的设计计算第7章数控机床本体设计50Fc、Fr和Fp分别为切削力、进给力和背向力，FQ为牵引力，Rl、R2、R3、R4和RlT、R2T、R3T、R4T为反力。

首先考虑Ff的作用。对O点取矩可得第7章数控机床本体设计Fc、Fr和Fp分别为切削力、进给力和背向力51②滚动导轨的计算以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据，这个载荷称为额定动载荷，行走的距离称为额定寿命。滚动导轨的预期寿命除了与额定动载荷和导轨的实际工作载荷有关外，还与导轨的硬度、滑块部分的工作温度和每根导轨上的滑块数目有关。对于直线滚动导轨副：

对于滚动导轨块:第7章数控机床本体设计②滚动导轨的计算第7章数控机床本体设计52同理，对O1点取矩可得

采用同样的方法，求出切削力Fc和背向力对每个滑块的作用力，列表。将每个滑块的受力相加，可得计算载荷。

Fc、Ff和Fp对滑块的作用力第7章数控机床本体设计同理，对O1点取矩可得采用同样的方法，求出切53式中，L—滚动导轨的预期寿命(km)；C—额定动载荷(N)，由样本查得；F—导轨块上的工作载荷(N)；fH—硬度系数，当导轨面硬度为58-64HRC时fH=1.0，为55HRC时fH=0.8，为50HRC时fH=0.53；fT—温度系数，工作温度为100℃时fT=1.0,150℃时fT=0.92,200℃时fT=0.73；fc—接触系数，装2个滚动导轨块时fc=0.81，装3个时fc=0.72，装4个时fc=0.66；fw—载荷系数，无冲击振动，v≤5m/min时，fw=1-1.5；v=15-60m/min时，fw=1.5-2；有冲击振动，v>60m/min时，fw=2.0-3.5。第7章数控机床本体设计式中，L—滚动导轨的预期寿命(km)；第7章数控机床本体设54实际工作中，工作载荷F是变动的，变动形式可分为图示的3种。其中图a表示载荷按阶段式变化的线图，平均载荷如载荷按图b所示的单调式变化，则有载荷按正弦曲线变化(图c)，载荷按正弦曲线变化(图d)，第7章数控机床本体设计实际工作中，工作载荷F是变动的，变动形式可分55

在零件的制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，往往采用“工序集中”的原则。常见的带有自动换刀装置的机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等比较典型。这类多工序的加工中心，有些还采用自动上、下料和自动装卸工件系统，以便提高机床的自动化程度，完成零件的多工序加工。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在零件的制造过程中，大量的时间用于更换刀具、56第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3自动换刀装置

（自学）7.3.1自动换刀装置的基本要求和类型(1)自动换刀装置的基本要求①满足工艺要求

要求刀库能够布置足够的刀具，换刀时间短，刀库可以方便转位。②保证足够的重复定位精度

保证刀具和工件间准确的相对位置，精度保持性好，以便长期保持刀具的正确位置。③具有足够的刚度

使切削过程和换刀过程平稳。④

提高可靠性⑤

缩短换刀时间

利于提高生产率。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3自动换刀装置57第7章自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置换刀时间(2)自动换刀装置的形式自动换刀装置的类型第7章自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置换刀时间(58第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.2加工中心刀库类型与布局

刀库的作用是用来存放刀具，它是自动换刀装置中最主要的部件之一。目前最常见的刀库形式主要有鼓轮式刀库、链式刀库等几种，并根据不同的机床可以采用多种布局形式。(1)鼓轮式刀库

鼓轮式刀库又称为圆盘刀库，其中最常见的形式有刀具轴线与鼓轮轴线平行式布局和刀具轴线与鼓轮轴线倾斜式布局两种。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.2加工中59第7章自动换刀装置和工件自动交换系统鼓轮式刀库布局倾斜鼓轮式刀库第7章自动换刀装置和工件自动交换系统鼓轮式刀库布局倾斜鼓轮60第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(2)链式刀库结构紧凑、布局灵活、刀库容量大，可以实现刀具的“预选”，换刀时间短。刀库一般都需要独立安装于机床侧面或顶部；刀具轴线和主轴轴线垂直，换刀必须通过机械手进行，机械结构比鼓轮式刀库复杂。链式刀库图第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(2)链式刀库链61第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.3加工中心的自动换刀装置

具有钻、镗、铣功能的数控镗铣床，为了使工件能在一次安装中实现工序高度集中、加工最多的工件表面，且尽量节省辅助时间，一般在其上配置刀库，井由机械手进行自动换刀，形成带自动交换刀具装置的镗铣加工中心。(1)转塔式换刀转塔刀架第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.3加工中62第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(2)无机械手换刀无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，刀库中刀具的存放方向与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。换刀过程第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(2)无机械手换刀换63第7章自动换刀装置和工件自动交换系统刀库的驱动是由伺服电动机经齿轮、蜗杆、蜗轮转动刀库。为了消除齿侧间隙而采用双片齿轮。蜗杆、蜗轮采用单头双导程蜗杆消除蜗杆蜗轮啃合间隙，压盖5和轴承套6之间用螺纹连接。转动套6就可使蜗杆轴向移动以调整间隙，螺母7用于在调整后锁紧。刀库转位机构1-主动齿轮；2-消隙齿轮；3一蜗杆；4-蜗轮；5-压盖；6-轴承套；7-螺母第7章自动换刀装置和工件自动交换系统刀库64第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(3)机械手换刀有一个专做储存刀具用的刀库，当需用某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库移送至刀具主轴或刀架中；切削完毕后，又将用过的刀具自动地从刀具主轴或刀架移回刀库中。机械手双臂机械手常用结构第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(3)机械手换刀双65第7章自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀过程示意图1-机械手；2-刀库；3-主轴；4-刀套；5-刀具自动换刀过程第7章自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀过程示意图自动66第7章自动换刀装置和工件自动交换系统刀库结构与换刀机械手驱动机构下图为刀具存储方向与主轴方向相差90°的自动换刀系统。JCS-018刀库1-驱动电动机；2-浮动联轴器；3-蜗杆；4-气缸；5-拨叉；6-刀套；7-刀库体；8-蜗轮第7章自动换刀装置和工件自动交换系统刀库结构与换刀机械手驱67第7章自动换刀装置和工件自动交换系统换刀机械手驱动机构1-气缸；2，7-活塞齿条；3，6-齿轮；4-传动盘；5-杆左图为换刀机械手的驱动机构。换刀时主轴箱上升至换刀位置，机械手由油缸活塞齿条2、齿轮3、传动盘4、杆5带动回转75°。两手分别将主轴和刀套中的刀具拔出。在气缸活塞齿条7、齿轮6、传动盘4、杆5带动下手臂回转180°。气缸1使刀臂上升，将新刀具插入主轴，旧刀具插入刀套中。主轴内的夹紧机构自动夹紧刀具，在油缸活塞齿条2的作用下，手臂反方向回转75°回原位。整个换刀过程约为6至10s。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统换刀机械手驱动机构68第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.4刀具识别装置刀具(或刀套)识别装置是自动换刀装置中的重要组成部分。有了该装置就可以将所需刀具从刀库中准确地调出来，所以说刀具识别装置决定了选刀方式。目前绝大多数数控系统都具有刀具任选功能，因此多数数控机床都采用任选刀具的换刀方式。一、编码方式任选刀具的换刀方式有：刀具编码、刀套编码、记忆等方式。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.4刀具识别装69第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(1)

刀具编码方式对每把刀具进行编码。刀柄1后面的拉杆4上套装有等间隔的编码环2，由螺母3固定。编码环直径有大小两种，大直径为二进制的“1”，小直径为“0”。通过两种圆环的不同排列，可以得到一系列代码。刀具编码l-刀柄；2-编码环；3-螺母；4-拉杆第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(1)刀具编码方式刀70第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(2)刀套编码方式对每个刀套、刀具都进行编码，并将刀具放到与其号码相符的刀套中。换刀时刀库旋转，使各个刀套依次经过识刀器，直至找到规定的刀套，刀库便停止旋转。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。刀套编码1-刀套编码块；2-刀套识别装置第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(2)刀套编码方式刀套71第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(3)计算机记忆方式刀具号和存刀位置或刀座号(地址)对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器的存储器内，不论刀具存放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回。刀柄采用国际通用的形式，没有编码条，结构简单，通用性能好。刀座上也不编码，但刀库上必须设有一个机械原点(又称零位)，对于圆周运动选刀的刀库，每次选刀正转或反转都不超过180°的范围。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统(3)计算机记忆方式72第7章自动换刀装置和工件自动交换系统二、刀具(刀套)识别装置①接触式刀具识别装置

接触式刀具识别装置结构简单，特别适用于空间位置较小的编码。触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。刀具编码图识别图l-刀柄；2-刀具识别装置；3-触针；4-编码环第7章自动换刀装置和工件自动交换系统二、刀具(刀套)识别装73第7章自动换刀装置和工件自动交换系统②非接触式刀具识别装置

非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨损，无噪声，寿命长，反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作场合。磁性识别法：利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。磁性识别刀具编码1-非接触式识别装置；2-导磁材料编码环；3-刀柄；4-非导磁材料编码环；5-二次线圈；6-检测线圈；7-一次线圈第7章自动换刀装置和工件自动交换系统②非接触式刀具识别装74第7章自动换刀装置和工件自动交换系统光电识别法

通过光学系统将刀具的外形及编码环投影到由无数光敏元件组成的屏板上，形成刀具图样。经过处理将代表刀具的“信息图形”记入存储器。当某一把刀具在识别位置出现的“信息图形”与存储器内指定刀具的“信息图形“相一致时，便发出信号，使该刀具停在换刀位置。光电识别方法1-刀座；2-刀具；3-投光器;4-机械手；5-屏板第7章自动换刀装置和工件自动交换系统光电识别法光电识别方法75第7章自动换刀装置和工件自动交换系统利用PLC(可编程控制器)实现随机换刀

利用软件选刀，代替了传统的编码环和识刀器。消除了由于识刀装置的不稳定性、可靠性所带来的选刀失误。a.ATC(自动换刀)控制和刀号数据表

如图刀库有8个刀套，可存放8把刀具。刀套固定位置编号为方框内1-8号，0为主轴刀位置号，由于刀具本身不附带编码环，所以刀具编号可任意设定，如图中10-18的刀号。为了使用方便，刀号也采用BCD码。八刀位刀库第7章自动换刀装置和工件自动交换系统利用PLC(可编程控76第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在PLC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表，如图所示。数据表的表序号与刀库刀套编号相对应，每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号，图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号，TAB+1~+8存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀库中存放刀具位置的一种映射，所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致。模拟刀库刀号数据表第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在P77第7章自动换刀装置和工件自动交换系统b.刀具的识别

由于PLC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应，所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。

当PLC接到寻找新刀具的指令(TXX)后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检到了代码给定的刀具号，将该刀具号所在数据表中的表序号数存放在一个缓冲存储单元，这个表序号数就是新刀具库中的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致时，即识别了所要寻找的新刀具，刀库停转并定位，等待换刀。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统b.刀具的识别78第7章自动换刀装置和工件自动交换系统c.刀具的交换及刀号数据表的修改当前一工序加工结束后需要更换新刀加工时，NC系统发出自动换刀指令M06，控制机床主轴准停，机械手执行换刀动作，将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，应通过软件修改PLC内部的刀号数据表，使相应刀号表单元中的刀号与交换后的刀号相对应。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统c.刀具的交换及刀号79第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在采用自动换刀装置后，数控加工的辅助时间主要用于工件安装及调整，为了进一步提高生产率，就必须设法减少工件安装调整时间，因此，介绍几种常用的工件自动交换系统。7.4.1托盘交换装置

在柔性物流系统中，工件一般是用夹具定位夹紧的，而夹具被安装在托盘上，当工件在机床上加工时，托盘支撑着工件完成加工任务；当工件输送时，托盘又承载着工件和夹具在机床之间进行传送。托盘既是工件承载体，也是各加工单元间的硬件接口。7.4工件自动交换装置

（自学）第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在采用80第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在加工中心的基础上配置更多(5个以上)的托盘，可组成环形回转式托盘库(AutomaticPalletChanger，简称APC)，称为柔性制造单元(FMC)。托盘支撑在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。托盘的选定和停止位置由PLC控制，借助终端开关、光电识别器实现。精密托盘交换定位精度达到0.005mm。柔性制造单元1-加工中心机床；2-托盘；3-托盘座；4-环形工作台；5-托盘交换装置第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在加工81第7章自动换刀装置和工件自动交换系统更多的托盘交换系统是采用液压驱动，滚动导轨导向，接近开关或组合开关作为定位的信号。托盘系统一般都具有存储、运送功能，自动检测功能，工件、刀具归类功能，切削状态监视功能等。托盘的交换是由设在环形交换系统中的液压或电动推拉机构来实现。这种交换指的是在加工中心上加工的托盘与托盘系统中备用的托盘交换。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统更多82第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.4.2装卸料机器人下图是由工业机器人和CNC机床组成的FMC，它在小型零件加工中应用十分方便。工业机器人从工件台架上将待加工零件搬运到CNC机床上去，并将已加工完的工件运离CNC机床。Robot与MC构成的第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.4.2装卸料机器83第7章自动换刀装置和工件自动交换系统下图是由美国CincinnatiMilacron公司生产的3台数控机床与机器人组成的FMC3台机床分别是车削中心、立式加工中心、卧式加工中心。机器人安装在沿导轨移动的传输小车上，按固定轨道运行实现机床间工件的传送。3台加工中心与Robot组成的FMC第7章自动换刀装置和工件自动交换系统下图是84第7章自动换刀装置和工件自动交换系统左图为由2台磨床与机器人和工件传输系统组成的FMC，机器人安装在中央位置，它负责2台NC磨床与工件传输系统的上、下料工作。右图为采用龙门式机器人搬运工件的FMC，目前在数控车床或车削中心上用得较多。NC磨床与Robot组成的FMC采用龙门式机器人的FMC第7章自动换刀装置和工件自动交换系统左图为85第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.2.3有轨小车（RGV）下图是有轨式无人输送小车，机床和加工设备在直线导轨一侧，随行工作台或托盘在导轨另一侧。RGV适用于运送尺寸和质量都比较大的工件和托盘，而且行驶速度快，减速点和准停点一般均由诸如光电装置、接近开关或限位开关等传感器来识别。物流控制较简单，成本低廉，适用于运输路线固定不变的生产系统。有轨式物流系统第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.2.3有轨小车86第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.2.4无轨小车(AGV)

应用于机床的品种和台数较多、加工工序较复杂、要求系统柔性较大的场合。常见的无轨自动运输小车(AGV)的运行轨迹是通过电磁感应制导的。由AGV、小车控制装置和电池充电站组成AGV物料输送系统。具有两台AGV的生产系统第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.2.4无轨小车(87第7章自动换刀装置和工件自动交换系统数控机床是一种高效加工设备，零件装夹在工作台上后，为了尽可能完成较多工艺，除了机床有直线运动之外，还要求工作台在圆周方向有进给运动和分度运动，常用回转工作台实现。7.5.1数控回转工作台

数控回转工作台的主要功能有两个：一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X、Y、Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。7.5回转工作台（自学）第7章自动换刀装置和工件自动交换系统数控机床88第7章自动换刀装置和工件自动交换系统下图为JCS-013型加工中心的数控回转工作台。该数控回转台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。数控回转工作台1-电液脉冲马达；2.4-齿轮；3-偏心环；5-模形拉紧销；6-压块；7-螺母；8-锁紧螺钉；9-蜗杆；10-蜗轮；11-调整套；12.13-夹紧瓦；14-夹紧液压缸；15-活塞；16-弹簧；17-钢球；18-光栅第7章自动换刀装置和工件自动交换系统下图为89第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.5.2分度工作台分度工作台只能完成分度运动，而不能实现圆周进给运动。通常分度工作台的分度运动只限于完成规定的角度(如45°、60°、90°等)，即按照数控系统的指令，将工作台及其工件回转规定的角度，以改变工件相对于主轴的位置，完成工件各个表面的加工。

分度工作台分为定位销式和鼠牙盘式两类。前者的定位分度主要靠工作台的定位销和定位孔来实现，分度的角度取决于定位孔在圆周上分布的数量。鼠齿盘式分度工作台是利用一对上下啃合的齿盘，通过上下齿盘的相对旋转来实现工作台的分度，分度的角度范围依据齿盘的齿数而定。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统7.5.2分度工作台90第7章自动换刀装置和工件自动交换系统定位销式分度工作台工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现。分度工作台嵌在长方工作台中。不单独使用分度工作台时，两个工作台可以作为整体使用。定位销式分度工作台的结构1-分度工作台;2-锥套;3-螺钉;4-支座;5-消隙液压缸;6-定位孔衬套;7-定位销;8-锁紧液压缸;9-齿轮;10-长方工作台;11-锁紧缸活塞;12-弹簧;13-油槽;14,19,20-轴承;15-螺栓;16-活塞;17-中央液压缸;18-油管;21-底座;22-挡块第7章自动换刀装置和工件自动交换系统定位销式分度工作台定位91第7章自动换刀装置和工件自动交换系统

在分度工作台1的底部均匀分布着八个圆柱定位销7，在底座21上有一个定位孔衬套6及供定位销移动的环形槽。其中只有一个定位销7进入定位孔衬套6中，其他7个定位销则都在环形槽中。因为定位销之间的分布角度为45°，故只能实现45°等分的分度运动。

定位销式分度工作台做分度运动时，工作过程分为：①

松开锁紧机构并拔出定位销②

工作台回转分度③

工作台下降并锁紧

定位销式分度工作台的定位精度最高可达土5"。定位销和定位孔衬套的制造和装配精度高，硬度高，耐磨性好。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统在分度92第7章自动换刀装置和工件自动交换系统鼠牙盘式分度工作台由工作台面、底座、夹紧油缸、分度油缸及鼠牙盘等组成。液压分度工作台结构原理1,2,15,16-推杆;3-下齿盘;4-上齿盘;5,13-推力轴承;6-活塞;7-工作台;8-齿条;9,10-油缸;11-齿轮;12-齿圈;14,17-挡块;18-分度油缸右腔;19-分度油缸左腔;20,21,22,23-回油管第7章自动换刀装置和工件自动交换系统鼠牙盘式分度工作台液压93第7章自动换刀装置和工件自动交换系统工作过程如下：①分度工作台抬起、松开②

分度工作台回转、分度③

分度工作台落下、夹紧④

分度油缸返回特点：

分度精度高，定位刚性好，结构简单。为了保证分度工作台动作的平稳、可靠，在液压系统中应通过节流阀进行运动速度调节；同时在控制系统中，对检测开关的信号都应进行延时处理。第7章自动换刀装置和工件自动交换系统工作过程如下：947.1支承件设计7.1.1支承件的功用支承件是数控机床的基本构件，主要是指床身、立柱、横梁、工作台、箱体、升降台等大件。作用：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；

基准作用：即保证机床在使用中或长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。第7章数控机床本体设计7.1支承件设计7.1.1支承件的功用第7章数控机床本957.1.2支承件的基本要求

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。支承件的结构设计、尺寸及布局具应满足下列要求。刚度：支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力；抗振性：支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力；热变形：影响机床的工作精度和几何精度（隔热、散热，均衡温度场、对称温度场）；内应力：支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，并应在焊接、铸造等工序后进行时效处理；其它：支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，加工及装配工艺性好等。第7章数控机床本体设计7.1.2支承件的基本要求第7章数控机床本体设计967.1.3支承件的静刚度

支承件变形包括三部分：自身变形，局部变形和接触变形。一、提高支承件自身刚度

支承件抵抗自身变形的能力称为支承件的自身刚度，它主要决定于支承件的材料、形状、尺寸和筋板的布置等。(1)正确选择支承件的截面和尺寸

支承件所受的载荷，主要由拉压、弯曲和扭转。其中弯曲和扭转是主要的载荷。因此，支承件的自身刚度，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有关。第7章数控机床本体设计7.1.3支承件的静刚度第7章数控机床本体设计97(2)合理布置隔板图a为床身前后壁用"T"形隔板连接，主要提高水平面刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。但这种床身结构简单，铸造工艺好。图b为“H”形隔板，“H”形隔板具有一定的宽度B和高度H，垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能也很好，在大型车床上应用较多。第7章数控机床本体设计(2)合理布置隔板第7章数控机床本体设计98图c为W形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯、抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著。图d床身刚度最高，排屑容易。(3)合理开窗和加盖为了安装机件或清砂，支承件壁上往往需要开窗孔。窗孔对刚度有影响，因而开窗孔后加盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度。第7章数控机床本体设计图c为W形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯、99二、提高支承件连接刚度和局部刚度

支承件在连接处抵抗变形的能力，称为支承件的连接刚度。连接刚度与连接处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法有关。

支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件的局部刚度。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。

合理设置加强筋是提高局部刚度的有效途径，下面示出了4种加强筋结构。第7章数控机床本体设计二、提高支承件连接刚度和局部刚度第7章数控机床本体设计100加筋的布置第7章数控机床本体设计(a)：直线筋，结构简单，刚性差、可用于窄壁或受载较小的床身上；(b)：纵横筋板直角相交，制造简单、易产生内应力，用于箱型截面上；(c)：筋板在壁上呈三角形分布，能保证刚度，用于矩形截面床身的宽壁处；(d)：米字型筋板，抗弯、抗扭刚度较高，结构复杂，多用于焊接床身上。加筋的布置第7章数控机床本体设计(a)：直线筋，结构简单，1017.1.4支承件形状和尺寸的确定一、卧式床身：床身截面形状主要取决于刚度要求，导轨位置，内部需安装的零部件和排屑等。图a为前后壁之间加隔板的形式，用于中小型车床，刚度较低。图ｂ为双重壁结构，刚度比图a高些。图c所示的床身截面形状是通过后壁的孔排屑，这样床身的主要部分可做成封闭的箱形，刚度较高。第7章数控机床本体设计7.1.4支承件形状和尺寸的确定第7章数控机床本体设计102图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床，龙门刨床，插床和镗床床身。为了便于冷却液和润滑液流动，顶面有一定斜度。图e床身内部可安装尺寸较大的机构，也可兼作油箱。床身的前后壁之间无隔板连接，刚度较低，常作为轻型机床床身，如磨床。图f是重型机床的床身，导轨可达4-5个。第7章数控机床本体设计图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床，龙门刨床，插床和镗床103二、立柱：

可看做立式床身，其截面有圆形、方形和矩形。立柱所承受的载荷有两类：弯曲载荷，载荷作用于立柱的对称面，如立式钻床的立柱；弯曲和扭转载荷，如铣床，镗床的立柱。图a为圆形截面，抗弯刚度较差，主要用于运动部件绕其轴心旋转以及载荷不大的场合，如摇臂钻床。第7章数控机床本体设计二、立柱：第7章数控机床本体设计104图b为对称矩形截面，用于以弯曲载荷为主，载荷作用于立柱对称面且较大的场合。图c为对称方形截面，用于有两个方向的弯曲和扭转载荷的立柱。图d用于龙门框架式立柱。第7章数控机床本体设计图b为对称矩形截面，用于以弯曲载荷为主，载荷作用于立柱对称面105三、横梁和底座横梁用于龙门式机床上，进行受力分析时，可看作两支点的简支梁，工作时承受复杂的空间载荷，因此横梁的刚度对机床性能影响很大，其截面一般做成封闭形，见图a-e。

图f为底座的截面形状，底座是某些机床不可缺少的支承件，因此必须要有足够的刚度。横梁和底座截面形状第7章数控机床本体设计三、横梁和底座横梁和底座截面形状第7章数控机床本体设计1067.1.5支承件材料的选择及时效处理一、铸铁灰铁铸造性能较好，容易获得复杂结构的支承件，内摩擦力大，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低。但周期较长，易产生缩孔，气泡等缺陷。HT196为Ⅰ级铸铁，用于外形简单和弯曲应力、压应力较大的支承件；HT147为Ⅱ级铸铁，铸造性能好而力学性能差，适用于精密机床，形状复杂及载荷不大的座身，底座也多采用Ⅱ级铸铁；HT98为Ⅲ级铸铁，其力学性能较差，一般多用于镶嵌导轨的支承件。第7章数控机床本体设计二、钢钢强度比铸铁高，弹性模量约为铸铁的1.5-2倍。支承件用钢材焊接而成，质量可减轻20~50%，且可使固有频率提高。生产周期短，又不易出现废品。7.1.5支承件材料的选择及时效处理第7章数控机床本体设107三、失效处理在铸造及焊接后因冷却收缩而产生内应力，且很不均匀。时效处理方法有3种：即自然时效，人工时效和振动时效。自然时效：将铸铁毛坯或粗加工后的半成品在露天存放3个月到几年，逐渐消除其内应力，使内部材料性能逐渐趋于稳定，然后进行加工。人工时效：将工件放在200℃以下的退火炉中，以不超过80℃/h的速度缓慢冷却，以免产生新的内应力，冷却到400℃以下方可从炉中取出。振动时效：将激振器的激振频率调到等于零件一次弯曲振动的固有频率，使零件发生共振，弯曲应力加上内应力将有一部分材料的总应力超过屈服极限，使材料产生塑性变形而消除内应力。第7章数控机床本体设计三、失效处理第7章数控机床本体设计1087.2机床导轨设计7.2.1概述一、导轨的功用和分类导轨副的主要功用是导向和承载，为此，导轨副只允许具有一个自由度。导轨副按下列性质分类：

运动轨迹可分为直线运动导轨和圆周运动导轨。摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。

工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨、移置导轨和卸荷导轨。第7章数控机床本体设计7.2机床导轨设计7.2.1概述第7章数控机床本体设计109二、导轨应满足的基本要求

导向精度：指导轨运动轨迹的精确度。影响因素有：导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨及其支承件的刚度和热变形，静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。精度保持性：主要由导轨的耐磨性决定，耐磨性与导轨的材料、导轨副的摩擦性质，导轨上的压强及其分布规律等因素有关。刚度：包括导轨自身刚度和接触刚度。主要取决于导轨的形状、尺寸与支承件的连接方式及受力状况等因素。低速运动平稳性：动导轨作低速运动或微量位移时，易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度值。第7章数控机床本体设计二、导轨应满足的基本要求第7章数控机床本体设计110三、导轨的主要失效形式磨损：分为磨粒磨损和咬合磨损。

疲劳和压溃：表面疲劳是因为表层受接触应力而产生弹性变形，脱离接触时则弹性恢复，这种过程达到一定循环次数后，表层形成龟裂而产生剥落片。压溃是由于接触应力过大而使表层产生塑性变形而形成坑。第7章数控机床本体设计三、导轨的主要失效形式第7章数控机床本体设计111四、导轨的材料及导轨副匹配①

导轨材料的基本要求a.良好的耐磨性

导轨的磨损不但影响机床的稳定性，而且在许多情况下还影响与导轨相联系的摩擦副(例如丝杠螺母、蜗杆-蜗轮等)的工作性能。b.良好的摩擦特性

良好的摩擦特性包括较小的静摩擦系数和它受静接触延续时间的影响小；较小的动摩擦系数和它在低速进给范围内受滑动速度的影响小等。还希望静、动摩擦系数差小。c.加工与使用中由于残留内应力产生的变形小。d.工作环境与自身温升的尺寸稳定，强度不变。

第7章数控机床本体设计四、导轨的材料及导轨副匹配第7章数控机床本体设计112②导轨副材料的匹配

铸铁-铸铁：动导轨常用灰铸铁。支承导轨采用孕育铸铁，高磷铸铁和合金铸铁，其耐磨性比普通铸铁高2-4倍。铸铁-淬硬铸铁：动导轨常用普通灰铸铁，并经刮配加工。支承导轨常用HT200铸铁并进行表面淬火提高共硬度及耐磨性。铸铁-淬硬钢板：动导轨常用铸铁。支承导轨为淬硬钢导轨，分段镶装在铸铁床身上，用碳素钢(T108A，T8A等)、合金钢(40Cr，CrWMn等)。塑料-铸铁：在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带，与铸铁导轨组成摩擦副时，摩擦系数仅为0.02-0.03，是铸铁-铸铁副的1/3左右。有色金属-铸铁：在动导轨基体上镶装有色金属板，主要有ZQSn6-6-3，ZQA1-9-2等。第7章数控机床本体设计②导轨副材料的匹配第71137.2.2滑动导轨7.2.2.1滑动导轨的结构一、直线运动导轨(1)直线运动导轨的截面形状导轨面由若干个平面组成，从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少。

图a是矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，制造，检验和维修方便。但是导轨不可避免地存在侧向间隙，因而导向精度较差。第7章数控机床本体设计7.2.2滑动导轨第7章数控机床本体设计114

图b是三角形导轨，顶角α越小导向性越好，但α减小时导轨面当量摩擦系数加大；α角加大承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存有较大积屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。图c是燕尾形导轨，高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。图d是圆柱形导轨，易制造，不易积存较大积屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙，用于轴向载荷场合。第7章数控机床本体设计图b是三角形导轨，顶角α越小导向性越好，但α减115(2)直线运动滑动导轨常用组合形式

图a为双三角形组合，导向精度高，磨损后相对位置不变