【重庆大学机械装备制造】机械制造装备设计9(支撑件导轨)

第9章支承件及导轨 支承件 Structuralelements 功用基本要求受力分析静刚度结构设计提高自身刚度减少热变形提高局部刚度材料和热处理提高接触刚度结构工艺性提高抗振性焊接结构 第一节支承件的功用及基本要求 支承件 床身 立柱 横梁 摇臂 底座 刀架 工作台 箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件 大件 在切削时 刀具与工件之间相互作用的力沿着大部分支承件逐个传递并使之变形 机床的动态力 如变动的切削力 往复运动件的惯性 旋转件的不平衡等 使支承件和整机振动支承件的热变形改变执行器官的相对位置或运动轨迹 影响加工精度和表面质量支承件是机床十分重要的构件 一 功用 支承机床各部件 承受切削力 重力 惯性力 摩擦力等静态力和动态力保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系 内部空间可存放切削液 润滑液 液压油的油箱 电动机 二 基本要求 1 足够的静刚度和较高的刚度 重量比要求在规定的最大载荷作用下 变形量不得超过一定的数值 重量占机床总重量的80 以上 应尽量减轻支承件的重量 2 良好的动态特性包括较大的动刚度和阻尼 与其它部件相配合 使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生共振 不会发生薄壁振动而产生噪声等 3 应具有较好的热变形特性 使整机的热变形较小或热变形对加工精度的影响较小由于摩擦热 切削热等产生热变形和热应力在铸造 焊接和粗加工过程中 会形成内应力 使支承件变形 热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹 影响加工精度 4 应该排屑畅通 吊运安全 并具有良好的工艺性以便于制造和装配 支承件的设计步骤 根据其使用要求进行受力分析根据所受的力和其它要求 如排屑 安装别的零部件等 并参考现有机床的同类型件 初步决定其形状和尺寸 可以用有限元法 Finiteelementmethod 借助计算机进行验算 求得其静态和动态特性 据此对设计进行修改或对几个方案进行对比 选择最佳方案 这样 在设计阶段就可以预测支承件的性能 以避免盲目性 提高一次成功率 第二节支承件的受力分析 支承件是机床的一个组成部分分析支承件的受力必须首先分析机床的受力了解支承件的受力情况 产生的变形以及由此引起的加工误差是合理设计支承件结构的依据 为简化分析 根据机床所受载荷的特点 对不同类型机床的受力分析各有所侧重 机床根据其所受的载荷的特点 可分为三大类 中 小型机床 载荷以切削力为主工件的重量 移动部件 如车床的刀架 的重量等相对较小 在受力和变形分析时可忽略不计 例如车床刀架从床身的一端移至床身中部时 引起的床身弯曲变形的变化可忽略不计 如中型车床 铣床 钻床 加工中心等 精密和高精度机床 以精加工为主 切削力较小载荷以移动件的重力和热应力为主例如双柱立式坐标镗床 分析横梁受力和变形时 主要考虑主轴箱从横梁的一端移至中部 引起的横梁弯曲和扭转变形 大型机床 工件重 切削力较大 移动件的重量也较大载荷必须同时考虑工件重力 切削力和移动件的重力 例如重型车床 落地镗铣床和龙门式机床等 三大类支承件 1 一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件如床身 立柱 横梁 摇臂 滑枕等 梁类件 2 两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件如底座 工作台 刀架等 板类件 3 三个方向的尺寸都差不多的零件如箱体 升降台等 箱形件 一 摇臂钻床的受力分析 摇臂钻床的受力状况 切削载荷 切削转矩T进给力Ff切削载荷经主要支承件主轴箱4 摇臂3 立柱2和1 传递至底座5上述支承件产生弹性变形 弯曲或扭转变形的结果 主轴轴线在yz平面xz平面内产生偏转 使轴线不垂直于底座的顶面 钻床精度标准规定了主轴在一定的轴向力 模拟Ff 作用下 主轴轴线在yz和zx面内允许的偏转角 轴向力的大小 因机床的种类 大小而异 见各类钻床的精度标准 分析时 立柱和摇臂可看作是梁类件底座可看作是板类件主轴箱可看作是箱形件这里主要分析摇臂和立柱 都可看作是一端固定的悬臂梁 摇臂的受力分析 进给力Ff使摇臂在yz面内受到一弯矩M1 最大值FfL 产生弯曲变形主轴与摇臂中性轴之间的距离为e 故受到绕y轴的扭矩M2 Ffe 产生扭转变形切削转矩T作用于摇臂 使它在zy平面内产生弯曲变形T比FfL要小得多 摇臂所受的载荷 主要是竖直 yz 面内的弯矩M1和绕y轴的扭矩M2 使摇臂产生弯曲和扭转变形使主轴偏离其正确位置 摇臂的左端锁紧在立柱上 右端悬空简化为一端固定的悬臂梁钻削时 主轴上受的轴向进给力F 使摇臂在x y平面内受Mw力矩的作用而产生弯曲变形Mw在摇臂的长度上呈三角形分布 最大力矩Mw FL主轴中心偏离摇臂中心轴的距离为e F又产生扭矩Tn1 Fe 使摇臂产生扭转变形扭矩Tn1在摇臂的长度上是均匀分布的主轴上的钻削扭矩Tn2在摇臂的长度上也是均匀分布的 而且使摇臂产生的变形很小 可以忽略不计 摇臂的变形主要 X Y平面内的弯曲变形绕X轴的扭转变形它们将影响所钻孔的位置精度 各孔中心线的平行度和对基准面的垂直度 摇臂上越接近立柱的地方承受的力矩越大 摇臂设计成变截面 在越接近立柱的地方越显粗壮 为了减小摇臂的扭转变形 应尽量减小e值 所以摇臂钻床主轴箱应设计得扁平 为此传动系统应平面布置 并使摇臂的截面具有较大的扭转截面矩 二 卧式车床床身的受力分析 在垂直 X Z 平面内 Fz经刀架作用在床身上 经工件作用于主轴箱和尾架上的力为F1和F2由Fz将引起床身在垂直方向的弯矩为MwzFz的作用点到主轴中心线的距离为d 2 d工件直径 在床身上还作用有扭矩Tnz Fzd 2 在水平 x y 平面内 Fy经刀架作用在床身上 其反作用力F3和F4经工件作用在主轴箱和尾架上由Fy将引起床身在水平方向的弯矩为Mwy由于Fy的作用点到床身中心轴的距离为h 对床身还作用有扭矩Tny Fyh 车床床身变形的主要形式是垂直和水平面内的弯曲 以及由Tnz和Tny联合作用下的扭转 车床床身变形对加工精度的影响 根据车床床身在水平面内的弯曲变形变形 近似以1 1反映为工件的半径误差 在垂直平面内的弯曲变形及扭转变形对加工精度的影响水平面内的弯曲变形大于垂直面内的影响扭转变形使刀尖在y方向产生较大的偏移设计车床床身时 主要应提高水平面内的弯曲刚度在设计长床身时 也要注意提高扭转刚度 第三节支承件的静刚度 一 支承件的静刚度 支承件的变形包括 自身变形局部变形接触变形支承件的静刚度 自身刚度局部刚度接触刚度 如床身 载荷是通过导轨面施加到床身上变形包括 床身自身的变形导轨部分局部的变形导轨表面的接触变形不能忽略局部变形和接触变形 它们有时甚至占主要地位如床身 如设计不合理 导轨部分过于单薄 导轨处的局部变形就会相当大又如车床刀架 由于层次很多 接触变形就可能占相当大的比重 一 自身刚度 摇臂钻床摇臂和普通车床床身的受力和变形 主要是指支承件自身变形自身刚度 支承件抵抗自身变形的能力自身刚度主要为 弯曲刚度和扭转刚度取决于 支承件材料 构造 形状 尺寸和隔板的布置等 二 局部刚度 抵抗局部变形的能力 局部刚度局部变形发生在载荷较集中的局部结构处取决于受载部位的构造 尺寸及筋的配置例如 导轨与伸出床壁外面部分的弯曲变形 主轴箱在主轴支承附近的部位 摇臂钻床立柱与摇臂的配合部位以及底座装立柱的部位 三 接触刚度 两个平面相接触时 由于平面的宏观不平度和微观不平度 所以只是一些高点相接触支承件各接触面抵抗接触变形的能力 接触刚度 接触刚度与自身刚度的区别 接触刚度是平均压强与变形之比Kj即Kj p Kj不是一个固定值 与p的关系是非线性的当压强很小时 两个面之间只有少数高点接触 接触刚度较低压强较大时 这些高点产生了变形 实际接触面积增加 接触刚度提高 支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响如自身刚度和局部刚度较高 则接触压强的分布基本上是均匀的 接触刚度也较高如自身刚度或局部刚度不足 则在集中载荷作用下 构件变形较大 使接触压强分布不均 使接触变形分布也不均 降低了接触刚度 第四节支承件的结构设计 设计方法 支承件的设计通常是根据使用要求和受力情况 参考同类型机床 初步确定其形状和尺寸较重要的支承件要进行验算或膜型试验 根据验算或试验结果作适当修改 设计时应考虑的问题 保证良好的静刚度和动态特性减少热变形合理选用材料和热处理方式有较好的结构工艺性等 一 提高支承件自身刚度 一 正确选择截面的形状和尺寸支承件主要是承受力矩 扭矩以及弯扭复合载荷自身刚度主要考虑 弯曲刚度和扭转刚度在弯 扭载荷作用下 支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关 材料和截面积相同而形状不同时 截面惯性矩相差很大 刚度 1 截面积相同时 空心大于实心 2 方形截面的抗弯刚度高于圆形截面抗扭刚度则较低 3 不封闭截面比封闭的截面刚度显著下降 特别是抗扭刚度 数控车床床身 二 合理布置隔板 在两壁之间起连接作用的内壁 隔板隔板功用 把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板 从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷当支承件不能采用全封闭截面时 常常布置隔板来提高支承件的自身刚度 隔板布置的三种基本形式 纵向隔板 主要提高抗弯刚度横向隔板 主要提高抗扭刚度斜向隔板 兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果 T型隔板 主要提高水平面抗弯刚度 对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度作用不明显 多用在刚度要求不高的床身上 C图的隔板在垂直面和水平面的抗弯刚度都比A图好 W型布置能较大的提高水平面的抗弯 抗扭刚度 D图自由排屑 提高刚度 必须注意隔板的布置方向 纵向隔板应布置在弯曲平面内 此时隔板对X轴的惯性矩为 l3b 12若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时 则惯性矩为lb3 12两者之比为l2 b2由于l b 所以图a的抗弯刚度比图b要大得多 三 合理开孔和加盖 支承件外壁开孔 会降低抗弯及抗扭刚度 对抗扭刚度的影响更大 开孔对抗扭刚度影响较大 应该尽量避免在主要承受扭矩的支承件上开孔孔宽或孔径不超过支承件宽度的0 25倍 二 提高局部刚度 一 合理选择连接部位的结构设图a的一般凸缘连接相对连接刚度为1 0则图b有加强筋的凸缘连接为1 06图c的凹槽式为1 80图dU型加强筋结构为1 85 图c和图d两种结构最好特别是用来承受力矩效果更好缺点 结构复杂 二 合理选择螺钉尺寸和布置 当受力矩时 螺钉应主要布置在受拉伸的一侧当受转矩时 螺钉应均匀分布在连接部位的四周螺钉尺寸应经过计算 使它足以能承受外载荷的作用 三 注意床身与导轨连接处的局部过渡 图a为床身与导轨以单壁连接 结构简单 刚度较差 适用于承受小载荷图b为单壁减薄与加强筋结构 刚度较前一种形式好 适用于中等载荷 图c为双壁连接 结构较复杂 刚度较高 适用于中等载荷及重载荷 图d为直接连接 没有过渡壁 导轨的局部刚度最高 四 合理配置加强筋 当支承件的内部要安装其它机构 不但不能封闭 安置隔板也会有所妨碍 采用加强筋提高刚度合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法加强筋的高度可取为壁厚的4 5倍 筋的厚度取壁厚的0 8 1倍 图a和b的筋分别用来提高导轨和轴承座处的局部刚度图c d e为当壁板面积大于400X400mm2时 为避免薄壁振动而在内表面加的筋 以提高壁板的抗弯刚度 三 提高接触刚度 最好方法 减少接触面的层次如将车床床身和床腿做成整体式但具体设计时 常限于结构或功能上的原因而不能减少接触面的层次 例如车床的刀架 1 导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配磨刮研时 每25 25mm2 高精度机床为12点精密机床为8点普通机床为6点并使接触点均匀分布固定结合面配磨时 表面粗糙度值应小于Ra1 6 2 以固定螺钉连接时通常应使接触面间的平均预压压强不得小于2MPa 以消除表面微观不平度的影响 并据此确定固定螺钉的直径 数量 布置位置以及拧紧螺钉时施加的力 不能用活扳手来拧紧螺钉用测力扳手决定固定螺钉的直径 数量 距离 以及拧螺钉时的力矩 四 提高支承件的抗振性 支承件是一个多自由度系统 就定性分析而言 对单自由度系统抗振性的分析也适用于多自由度系统 在一个幅值为F 角频率为 的正弦交变激振力作用下 单自由度有阻尼系统受迫振动的幅值为 如何减小系统受迫振动的幅值 减小振源的激振力F提高系统的静刚度K增大系统的阻尼比 提高系统的固有频率 n或改变激振频率 使两者远离均可以 当激振频率 远小于系统的固有频率 n时 受迫振动的振幅近似等于与激振力幅值F相等的静态力作用下系统的静变位F K 在这个区域中 动态和静态差别不大 提高抗振性的关键是提高静刚度 这个区域称为 准静态区 当激振频率 远高于系统的固有频率 n时 受迫振动的振幅主要取决于系统的惯性 可用加大质量的办法来提高抗振柱 这个区域称为 惯性区 当激振频率 接近于系统的固有频率 n时 受迫振动的振幅急剧增加 这个区域称为 共振区 在共振区内阻尼的影响很大 阻尼愈小 共振表现得愈强烈 提高抵抗受迫振动的能力 首先应避开共振区 使支承件的固有频率远离激振频率 由于一般振源的频率较低 所以可以采用提高静刚度或减小质量的方法来提高支承件的固有频率 其次是提高静刚度和设法加大阻尼 提高静刚度不仅能减少静态受力下的变形 而且降低低频振动时的振幅 以提高抗振性 增加阻尼可以显著地提高抗振性 尤其是激振频率较高接近于固有频率时 可以大大地降低其振幅 抑制振动 增加阻尼的常用方法 1 在支承件内腔充填泥芯或混凝土等具有高内阻尼的材料 2 采用具有阻尼性能的焊接结构 如采用间断焊缝 焊减振接头等来加大摩擦阻尼 3 对于弯曲振动结构尤其是薄壁结构 在其表面喷涂一层具有高内阻尼的粘滞性材料 如沥青基制成的胶泥减振剂 高分子聚合物和油漆腻子等 或采用石墨纤维的约束带和内阻尼高 剪切膜量极低的压敏式阻尼胶等 4 采用环氧树脂粘结的结构 其抗振性超过铸造和焊接结构 5 采用较粗糙的加工面或在接触面间垫以弹性材料 也能增加阻尼提高抗振性 但此时接触刚度有所降低 五 减少支承件的热变形 机床工作时存在各种热源 如电动机 液压系统 切削热和摩擦热等 使各部件因温度分布不均匀而产生变形 这就是热变形 热变形对于普通中小型机床加工精度的影响不太明显 但对精密机床 自动机床及重型机床加工精度的影响却很大 一 散热和隔热 适当加大散热面积 加设散热片 发热较多的部件应使其周围空气流动畅通 等都能改善散热条件 隔离热源是减少热变形的一个有效措施例 单柱坐标镗床 电动机外有隔热罩 立柱后壁设进气口 顶部有排气口 电动机风扇使气流向上运动 图中箭头所示 与自然通风气流一致 以加强散热 二 均热 由于支承件各处受热情况不同 质量不均 使各部位的温度不均 热膨胀也就不均 不均匀的热膨胀对加工精度的影响更大 因此要考虑均热问题 例如车床床身 可以用改变传热路线的办法来减少温度不均 三 使热变形对精度影响较小 同样的热变形 由于结构形式不同 对精度的影响是不同的 例如图4 15a所示为单柱卧式坐标镗床 由于主轴箱温升 引起立柱前 后壁温度不同 将使主轴轴线产生位移 如果采用图4 15b所示的双柱对称结构 就可使热变形对主轴轴线位移的影响大大减少 六 合理选择支承件材料和热处理 支承件的重量在机床总重量中占有很大比重 因此必须合理选择材料 支承件的材料 主要为 铸铁和钢铸铁支承件 如果导轨与支承件铸为一体 则铸铁的牌号应根据导轨的要求选择如果导轨是镶装上去的 或者支承件上没有导轨 则一般可采用HT150如果支承件由型钢和钢板焊接 则常用Q235AF或Q275钢 在铸造或焊接中的残余应力 将使支承件产生变形 进行时效处理可以消除残余应力普通精度机床的支承件在粗加工后安排一次热时效处理即可 精密机床最好进行两次热时效处理 即粗加工前 后各一次高精度机床在进行热时效处理后 还进行天然时效处理 即把铸件堆放在露天一年左右 让它们充分地变形 支承件的其它材料 预应力钢筋混凝土支承件 主要为床身 立柱 底座等 近年来有较大的发展 混凝土的比重是钢的1 3 弹性膜量是钢的1 10 1 15 阻尼高于铸铁 适合于制造受载均匀 截面积大 抗振性要求较高的支承件 采用钢筋混凝土可节约大量钢材 降低成本 但钢筋混凝土支承件的变形 侵蚀 导轨与支承件连接刚度不足等问题 有待进一步研究解决 七 支承件的结构工艺性 一 铸件结构工艺性 1 铸件形状简单造型和拔膜容易 型芯少且便于支撑 安装简单可靠 2 避免产生缩孔 气孔和裂纹壁厚应尽量均匀 3 便于清砂特别是便于清理砂芯 4 大型铸件要铸出起吊孔 二 机械加工工艺性 1 较长的支承件 如车床床身 应尽量避免两端有加工面 避免支承件内部深处有加工面以及倾斜的加工面 2 尽可能使加工面集中 以减少加工时的翻转及装夹次数 同一方向的加工平面 应处于一个平面内 以便一次刨出或铣出 3 所有加工面都应有支承面较大的基准 以便加工时进行定位 测量和夹紧 第五节导轨的功用 分类和基本要求一 导轨的动用和分类二 导轨应满足的基本要求三 导轨的磨损形式第六节滑动导轨材料结构润滑与防护验算提高耐磨性第七节低速运动的平稳性第八节动压导轨 静压导轨 卸荷导轨第九节滚动导轨 第五节导轨的功用 分类和基本要求 一 导轨的动用和分类 功用 导向和承载在外力作用下 能准确地沿着一定的方向运动动导轨 运动的一方支承导轨 不动的一方只有一个自由度直线或回转运动 导轨可按下列性质分类 1 按工作性质可分为 主运动导轨 进给运动导轨调位导轨调位导轨只用于调整部件之间的相对位置 在加工时没有相对运动例如车床尾架用的导轨 2 按摩擦性质分 滑动导轨滚动导轨滑动导轨 混合摩擦导轨边界摩擦导轨液体动压导轨液体静压导轨滚动导轨 滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨 按两导轨面间的摩擦状态 按滚动体 3 按受力情况分 开式导轨 依靠外载荷和部件自重 使两导轨面在全长上保持贴合的导轨闭式导轨 用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合的导轨 二 导轨应满足的基本要求 机床导轨的质量在一定程度上决定了 机床的加工精度工作能力使用寿命 一 导向精度 导向精度 直线运动导轨的直线性圆周运动导轨的真圆性导轨同其它运动件之间相互位置的准确性影响因素 导轨的几何精度结构形式导轨及其支承件的自身刚度油膜刚度热变形等 二 精度保持性 刚度耐磨性刚度不足 影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度 使导轨面上的比压分布不均 加剧导轨的磨损耐磨性 导向精度能否长期保持导轨耐磨性与导轨材料 导轨面的摩擦性质 导轨受力情况及两导轨相对运动速度等有关 导向精度 三 低速运动平稳性 保证在作低速运动或微量位移时不出现不平稳现象 影响 使加工表面粗糙度增大 定位运动时的不平稳 将降低定位精度影响因素 导轨的结构和润滑动 静摩擦系数的差值传动动导轨运动的传动系统的刚度等 四 结构工艺性 在可能的情况下 应尽量使导轨结构简单 便于制造和维护对于刮研导轨 应尽量减少刮研量对于镶装导轨 应做到更换容易 三 导轨的磨损形式 滑动导轨磨损的基本形式 磨粒磨损咬合磨损这两种磨损伴随发生 相互联系 相互影响磨粒磨损往往是咬合磨损的起因 咬合磨损反过来又会加剧磨粒磨损 只是有时其中一种磨损可能起主要作用 滚动导轨 疲劳磨损 一 磨粒磨损 磨粒 存在于导轨面之间的微小硬粒 如切屑磨粒在有一定的压强作用并作相对运动的导轨面之间起着切刮或刻划导轨面的作用 使导轨面产生划伤或磨损沟痕磨粒磨损与导轨间的相对滑动导轨面比压成正比这种磨损不可避免 只能采取某些措施 努力减少这种磨损 二 咬合磨损 咬合磨损又称咬焊相对运动的两个表面互相咬合 并在表面产生撕裂现象这是由于在导轨面相互运动时 导轨表面覆盖的一层氧化膜因摩擦发热而受到破坏所造成的 裸露的金属表面因分子间的相互吸引 粘结 咬焊在一起 随着接触面继续相对运动 咬焊被拉开 如此反复多次 就将产生撕裂现象 三 疲劳磨损和压溃现象 滚动导轨疲劳磨损主要是因为导轨表面受滚动体局部应力作用而产生弹性变形 当滚动体离开时 变形得到恢复 这种现象连续发生 达到一定循环次数后 就使导轨表层产生疲劳破坏 出现点蚀 如果局部应力过大而使表层产生塑性变形而压出凹坑 这就是压溃现象 五 塑料 塑料导轨具有良好的耐磨性能 落在导轨表面上的硬粒可挤入导轨内部 避免了磨粒磨损和撕伤常用的塑料材料有锦纶 酚醛夹布塑料 环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯基滑动导轨软带等 第六节滑动导轨 滑动导轨 最常见的导轨其它类型的导轨都是在滑动导轨的基础上逐步发展起来的结构简单有良好的工艺性刚度和精度易于保证在一般机床上广泛应用 一 导轨材料及热处理 一 对导轨材料的要求和搭配 要求 耐磨性好 工艺性好 成本低 常用材料 铸铁 钢 有色金属和塑料铸铁应用最为普遍为了提高耐磨性和防止咬焊 动导轨和支承导轨应尽量采用不同的材料如果选用相同的材料 也一定要采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度 直线运动导轨 长导轨 支承导轨 耐磨性较好 硬度较高支承导轨各处使用机会难以均等 且修复困难动导轨总是全长接触 且动导轨短 磨损后易于维修长导轨不易防护 回转运动导轨 动导轨 较软的材料因为花盘或圆工作台导轨比底座加工方便些 磨损后可在机床上加工 以减少修理的工作量 二 铸铁 铸铁 成本低有良好减振性和耐磨性易于铸造和切削加工导轨常用的铸铁 灰铸铁孕育铸铁耐磨铸铁灰铸铁应用最多的牌号是HT200 常用的孕育铸铁牌号是HT300耐磨性高于灰铸铁 但较脆硬 不易刮研 且成本较高 常用于较精密的机床导轨 耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁 磷铜钛铸铁及钒钛铸铁与孕育铸铁相比 其耐磨性提高1 2倍 但成本较高常用于精密机床导轨 为了提高铸铁导轨的硬度 以增强抗硬粒磨损的能力和防止撕伤 铸铁导轨经常采用高频淬火 中频淬火及电接触自冷淬火等表面淬火方法 高频淬火是借助200 300kHz的高频电流对导轨面加热 淬火温度一般为900 950 C 淬火层深度可达1 5 3mm 硬度达48 55HRC 可使普通铸铁耐磨性提高2倍左右 中频淬火可采用8kHz左右的中频电流进行 淬火温度一般为950 C左右 淬硬层可达2 3mm 表面硬度可达40 50HRC 高频及中频淬火的优点是淬火质量稳定 生产效率高 缺点是淬火后必须进行磨削加工 电接触自冷淬火表面硬度可达55 60HRC 淬硬深度可达0 2 0 4mm 这种淬火方法具有设备简单 操作方便 成本低 淬火变形小等优点 但由于淬硬深度较浅等原因 对导轨耐磨性提高幅度不大 目前主要用于维修 三 钢 耐磨性要求较高时 采用淬硬钢制成的镶钢导轨淬火钢的耐磨性比普通铸铁高5 10倍镶钢导轨常用材料 45或40Cr表面淬硬或全淬透 硬度达到52 58HRC20Cr 20CrMnTi等渗碳淬硬至56 62HRC导轨工作面上不能钻孔 以免积存杂质导致磨损镶钢导轨工艺复杂 成本高 主要用于数控机床的滚动导轨 粘结 焊接 螺钉连接 四 有色金属 有色金属镶装导轨常用于重型机床运动部件的动导轨上 与铸铁的支承导轨搭配 以防止咬合磨损 保证运动平稳性和提高运动精度 常用的材料有锡青铜ZQSn6 6 3 铝青铜ZQA19 2和锌合金ZZnAl10 5等 五 塑料 塑料导轨具有良好的耐磨性能 落在导轨表面上的硬粒可挤入导轨内部 避免了磨粒磨损和撕伤常用的塑料材料有锦纶 酚醛夹布塑料 环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯基滑动导轨软带等 二 导轨的结构 一 截面形状 滑动导轨两大类 凸形和凹形凸形导轨不易积存切屑 但难以保存润滑油 只适合于低速运动凹形导轨润滑性能良好 适合于高速运动 为防止落入切屑等 必须配备良好的防护装置 三角形导轨 支承导轨为凸形时 山形导轨支承导轨为凹形时 V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向 磨损后能自动补偿 不影响导向精度导向精度随顶角 的增加而降低承载面积随 的增加而增加通常取 90 大型或重型机床 可取 110 120 精密机床 常取 90 支承导轨为山形时 不易积存较大的切屑 也不易存留润滑油适用于不易防护 速度较低的进给运动导轨支承导轨为V形时 由于能得到较充足的润滑 除用于精密和大型机床的进给导轨外 还可用于主运动导轨 如龙门刨床床身导轨必须很好地防护 以防落入切屑和灰尘 矩形导轨 矩形导轨制造简单 刚度高 承载能力大 具有水平和垂直两个方向的导轨面 而且两个导轨面的误差不会相互影响 便于安装调整侧面磨损后不能自动补偿 需要有间隙调整装置 因此导向性较差适用于载荷较大而导向性要求不高的机床 燕尾形导轨 燕尾形导轨 结构紧凑 高度尺寸较小 可承受颠覆力矩磨损后不能自动补偿间隙 需用镶条调整 刚性较差 摩擦力较大 制造和检修都比较复杂一般用作中 低速的多层导轨 圆柱形导轨 圆柱形导轨制造简单要求加工时就直接达到较高精度磨损后很难调整和补偿间隙圆柱形导轨具有两个自由度 通常多用在承受轴向载荷的场合 圆周运动导轨截面 平面圆环导轨 制造容易 热变形后导轨仍能接触 只能承受轴向力 不能承受径向力 需与带径向滚动轴承的主轴相配合 来承受径向力摩擦损失小 精度高 目前用得较多 适用于大直径的工作台和转盘 如滚齿机 立式车床导轨等 锥形圆环导轨 能承受轴向力和较大的径向力 热变形也不影响导轨接触 导向性比平面好 但要保持锥面和主轴的同轴度较困难母线倾斜角一般为30 常用于径向力较大的机床 V型圆环导轨 V型圆环导轨能承受较大的轴向力 径向力和颠覆力矩能保持很好的润滑制造研磨较复杂床身和工作台热变形不同时 两导轨面将不同时接触用于载荷大 速度高的立式车床 二 组合形式 从限制自由度的角度出发 采用一条导轨即可 用一条导轨 移动部件无法承受颠覆力矩直线运动导轨一般由两条导轨组合重型机床 常用三条或三条以上导轨的组合 双三角形组合 导向精度高 磨损后能自动补偿 具有较好的精度保持性 很难达到四个表面同时接触的要求 制造困难适用于精度要求较高的机床 如SG8630型刀架导轨和Y3150E立柱导轨等 双矩形组合 具有较大的承载能力 制造调整比较简单导向性差 磨损后不能自动补偿 对加工精度有较大影响多用于普通精度机床和重型机床 如X6132工作台导轨 窄导向 用一条导轨面的两侧面导向导向精度高宽导向 用两条导轨面的两外侧面导向 三角形一矩形组合 导向性好 制造方便和刚度高应用最广泛如CA6140型普通车床溜板 B2020工作台导轨 M1432A砂轮架导轨等 燕尾形组合 两个燕尾平面同时起导向及压板作用一根镶条 调整各接触面的间隙不能承受过大的颠覆力矩 摩擦损失较大用于要求层次多 尺寸小 调整间隙方便和移动速度不大的场合如CA6140刀架 B6050滑枕导轨等 燕尾形一矩形组合 能承受较大力矩 间隙调整也比较方便 多用于横梁 立柱 摇臂等的导轨 如B2020型龙门刨床横梁导轨等 双圆柱形组合 容易制造 耐磨性较好 但磨损后不易补偿 常用于仅受轴向力的场合 如压力机 机械手的导轨 三 间隙调整 导轨接合面之间都存在间隙间隙过小 增加运动阻力 加速导轨磨损间隙过大 降低导向精度 容易产生振动调整方法 镶条和压板 1 压板压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩 2 镶条 镶条用来调整矩形和燕尾形导轨的侧面间隙 以保证导轨面的正常接触 常用的镶条有平镶条和斜镶条两种 斜镶条 三 导轨的润滑和防护 一 导轨的润滑 目的 减少磨损以延长导轨使用寿命 降低温度以改善工作条件 降低摩擦力以提高机械效率 保护导轨表面以防止发生锈蚀 导轨的润滑方法 人工定期浇油或油杯供油在机床上装手动油泵 在工作前拉动油泵几次 进行人工润滑现代机床上多采用压力油强制润滑 润滑油 粘度 根据导轨的工作条件和润滑方式选择小载荷 低中速小型机床进给导轨 L AN32机械油中等载荷 低中速机床导轨 L AN46或L AN68机械油重型机床低速导轨 L AN68 L AN80或L AN100机械油竖直导轨或倾斜导轨 L AN46或L AN68机械油 对滚动导轨 润滑油或润滑脂润滑脂优点 不会泄漏 不需经常加油缺点 尘屑进入后易磨损导轨特别注意防护措施 二 导轨的防护 1 刮板式2 隙缝式3 整罩式4 层叠式 四 滑动导轨的验算 滑动导轨设计步骤 参考同类型机床 初步拟定导轨的形状和尺寸 验算 滑动导轨的验算 受力分析求出导轨的平均比压和最大比压与导轨的许用比压相对照 判断导轨设计是否合理 根据比压分布情况 判断是否需用压板 一 导轨比压的分布 每条导轨面所受的载荷 都可最终归纳为一个其作用点距导轨中心距离为x的力F的作用 这个力又等价于一个作用于导轨中心的力F和一个颠覆力矩M的作用 在F作用下 导轨面的比压pF MPa pF F aL在力矩M作用下 导轨面产生的比压pM Mpa pM 6M aL2 由于力F与力矩M同时作用 因此导轨所承受的最大 最小 平均比压分别为 比压出现的四种情况 二 导轨的许用比压 比压 影响导轨耐磨性的一个主要因素导轨的支承面积应与导轨所承受的载荷相适应保证导轨面上的平均比压不超过许用值 五 提高导轨耐磨性的措施 一 力求无磨损磨损原因 配合面在一定的压强作用下直接接触并作相对运动不磨损条件 相对运动时不直接接触接触时则无相对运动不直接接触 保证完全的液体润滑 使润滑剂把摩擦面完全分隔开 如静压导轨 静压轴承或其它的静压副 动压导轨和动压轴承也可以达到完全的液体润滑状态 但油膜压强与相对运动速度有关 因此 在起动或停止的过程中仍难免磨损 二 力求少磨损 l 降低导轨面间的压强方法 加大导轨的接触面减轻负荷增加实际接触面积 提高导轨面的直线度细化表面粗糙度加宽导轨面加长动导轨的长度减轻导轨负荷 采用卸荷导轨 2 降低摩擦系数采用滚动导轨 正确选择摩擦副的材料 正确选择润滑油或采用循环润滑的方式3 适当的热处理 提高导轨抗磨损的能力支承导轨淬硬 动导轨表面贴塑料软带 4 加强防护可避免灰尘 切屑 砂轮屑等进入摩擦副 是提高导轨耐磨性的有效措施 三 均匀磨损 磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大 例如床身导轨 如果磨损是均匀的 对机床加工精度一般影响不大 而且可以补偿 磨损不均匀的主要原因 在摩擦面上压强分布不均各个部分的使用机会不同 争取均匀磨损措施 力求使摩擦面上压强均匀分布 例如导轨的形状和尺寸要尽可能对集中载荷对称 尽量减小扭转力矩和倾覆力矩 保证工作台 溜板等支承件有足够的刚度 摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高些 例如车床床身导轨的硬度应比床鞍导轨硬度高 第七节低速运动的平稳性 一 爬行现象及产生原因 一 爬行现象及其影响在机床低速或微量进给运动中 主动件作匀速运动 而被动件的速度发生明显的周期性变化现象称为 爬行 爬行影响机床的加工精度 表面粗糙度和定位精度 是精密机床及重型机床必须解决的问题 二 产生爬行的原因 对于一个运动系统 当高于某一速度时 不会出现爬行现象 这一速度称为不发生爬行的临界速度Vk 1 静摩擦力和动摩擦力之差 差值越大 越容易产生爬行 2 传动系统刚度越差 越容易产生爬行3 运动件的质量越大 越容易产生爬行4 当导轨面之间的阻尼较大时 有利于减轻或消除爬行 二 消除爬行的措施 设计低速运动机构时 首先应估算其临界速度 如果所设计机构的最低速度低于临界速度时 应采取措施降低其临界速度 以避免产生爬行 运动部件的质量往往由于结构要求成为定值 阻尼比目前研究得还不充分 改善措施也不很多 一 减小静 动摩擦力之差 1 采用导轨油2 以滚动摩擦代替滑动摩擦3 采用卸荷寻轨和静压导轨4 采用减摩导轨材料 二 提高传动系统刚度 1 机械传动 尽可能缩短传动链 以减少弹性变形量 适当提高未端传动副的刚度 合理分配传动比 使多数传动件受力较小 2 液压传动 液压传动机构受力后的变形来自油的可压缩性以及活塞杆 活塞杆座等的变形 因此 要防止油中混入空气泡和注意提高活塞杆及活塞杆座的刚度 第八节动压导轨 静压导轨 卸荷导轨 一 动压导轨 动压导轨与动压轴承一样 是靠导轨之间的相对运动产生的压力油膜将运动件浮起 把两个导轨面隔离 形成纯液体摩檫 工作原理与动压轴承相同 形成导轨面间压力油膜的条件是 两导轨面之间应有锲形间隙和一定的相对速度 此外还需要有一定粘度的润滑油流进锲形间隙 适用于主运动导轨直线运动导轨的油腔应开在动导轨上 可以保证在工作过程中 油锲始终不会外露 不和大气相通 从而保证油锲形成的油膜压力对运动件的浮力在全长上始终是均衡的 在运动件上供油较困难 故从支承件导轨中进油 圆周运动导轨的油腔应开在固定导轨上 因为两个导轨面在工作过程中始终接触 没有油锲外露的问题 油可以直接从支承件导轨的进油口进入油槽 加工 装配 维修等都较方便 由于直线运动寻轨要作往复运动 圆周运动导轨要正 反转 因此油腔应当是对称的 以产生双向压力油膜 二 静压导轨 工作原理与静压轴承相同 将具有一定压力的润滑油 经节流器输入到导轨面上的油腔 即可形成承载油膜 使导轨面之间处于纯液体摩擦状态 优点 导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小 载荷的变化对油膜厚度的影响很小 液体摩檫 摩檫系数仅为0 005左右 油膜抗振性好 缺点 导轨自身结构比较复杂 需要增加一套供油系统 对润滑油的清洁程度要求很高 主要应用 精密机床的进给运动和低速运动导轨 静压导轨分类 按结构形式分 开式 闭式开式静压导轨 压力油经节流器进