宁工院机械制造装备课件02金属切削机床典型部件-2支承件及导轨

1第二节支承件及导轨23一、支承件

(Structuralelements)功用基本要求静刚度结构设计

4（一）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。5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。6支承件的热变形改变执行件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。71.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。82.基本要求（1）足够的静刚度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。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包括三个方面：P103自身刚度局部刚度接触刚度9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10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。111.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。122.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；13主轴箱在主轴支承附近的部位14摇臂钻床立柱与摇臂的配合部位以及底座装立柱的部位。153.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。16（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。17（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。18（5）支承件的设计应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。（4）较高的刚度／重量比重量占机床总重量的80％以上，应尽量减轻支承件的重量。19（二）支承件的结构设计

20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模型试验，根据验算或试验结果作适当修改。21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221.提高支承件自身刚度(1)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。232425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（2）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。27隔板布置的基本形式2829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。30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。（3）合理开孔和加盖312.提高局部刚度（1）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的连接为1.06图c的凹槽式为1.80图dU型加强筋结构为1.85承受力矩效果更好缺点——结构复杂32(2）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。33(3）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；34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。35（4）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。36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400×400mm2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。373.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。38（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Ra1.639（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。确定固定螺钉的直径、数量、距离、以及拧螺钉时的力矩。不能用活扳手来拧紧螺钉。要用测力扳手。404.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ω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41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ξ提高系统的固有频率ωn或改变激振频率ω，使两者远离均可以。42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。43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。443）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、剪切模量极低的压敏式阻尼胶等。454）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。465.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。热变形对精密机床、自动机床及重型机床加工精度的影响很大。47（1）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，与自然通风气流一致，以加强散热。48（2）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。49（3）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。采用热对称结构，可使热变形后对称中心线的位置基本不变,这样可减少对工作精度的影响。

506.合理选择支承件材料和热处理支承件的材料，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。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Q235-AF或Q275钢。51铸造或焊接中的残余应力，使支承件产生变形。时效处理——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。7.支承件的焊接结构焊接结构与铸件相比突出优点是制造周期短，刚度/质量比高，结构设计灵活。P107538.支承件的结构工艺性54（1）铸件结构工艺性1）铸件形状简单造型和拔模容易；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。55（2）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。56二、导轨

Ways575859主要内容导轨的功用、分类和基本要求滑动导轨滚动导轨的结构类型及其特点60(一)导轨的功用、分类和基本要求611.导轨的功用和分类功用: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62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。63

2）按摩擦性质分滑动导轨和滚动导轨滑动导轨：滚动导轨：按两导轨面间的摩擦状态按滚动体滚珠导轨滚柱导轨滚针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643）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。能承受力，还能承受弯矩。652、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66（1）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672）刚度和耐磨性（精度保持性）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。68（3）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机构的刚度等69（4）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。703、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。常见磨损形式P12971（1）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。72（2）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。73（3）疲劳磨损和压溃现象滚动导轨疲劳磨损导轨表面受滚动体局部应力作用产生弹性变形，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。（二）滑动导轨滑动导轨是常见的导轨，其它类型的导轨是在此基础上发展起来的。工作于具有一定动压效应的混合摩擦状态。导轨的动压效应主要与导轨的摩擦速度、润滑油粘度、导轨面的油沟尺寸和型式等有关。速度较高的主运动导轨，应合理设计油沟型式和尺寸，选择合适粘度的润滑油，以产生较好的动压效果。滑动导轨结构简单、制造方便、接触刚度大和抗振性好，在一般机床上得到广泛的应用。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦因数差别大，低速时易产生爬行现象。因此，在数控机床上常用带有耐磨粘贴覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨，它们具有摩擦性能良好及使用寿命长的特点。1、导轨的材料及热处理P1091）对导轨材料的要求和搭配2）铸铁导轨3）镶钢导轨4）有色金属导轨5）塑料导轨76

2.导轨的结构77整体式普通滑动导轨

78镶装式普通滑动导轨

79贴塑式普通滑动导轨

80（1）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。8182凸形

83三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α的增加而降低承载面积随α的增加而增加通常取α=90°大型或重型机床，可取α=110°～120°精密机床，常取α＜90°84支承导轨山形时，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85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86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，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。87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88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89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90V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91（2)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92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93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。94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95三角形—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、M1432B砂轮架导轨等96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

97燕尾形一矩形组合燕尾形一矩形组合：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。

98双圆柱形组合双圆柱形组合：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。99（3）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。100

1．压板压板用于调整间隙和承受颠覆力矩1012．镶条。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。102斜镶条1033静压导轨简介104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。105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；液体摩擦，摩擦系数仅为0.005左右，油膜抗振性好。106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。107静压导轨分类按结构形式分：开式、闭式108开式静压导轨：压力油经节流器进入导轨的各个油腔，使运动部件浮起，导轨面被油膜隔开，油腔中的油不断地通过封油边而流回油箱。当动导轨受到外载荷作用向下产生一个位移时，导轨间隙变小，增加了回油阻力，使油腔中的油压升高，以平衡外载荷。闭式导轨在上、下导轨面上都开有油腔，可以承受双向外载荷，保证运动部件工作平稳。109按供油情况可分为定量式静压导轨和定压式静压导轨。定压式静压导轨是指节流器进口处的油压压强ps是一定的，这是目前应用较多的静压导轨。110定量式静压导轨指流经油腔的润滑油流量是一个定值，这种静压导轨不用节流器，而是对每个油腔均有一个定量油泵供油。由于流量不变，当导轨间隙随外载荷的增大而变小时，则油压上升，载荷得到平衡。载荷的变化，只会引起很小的导轨间隙变化，因而油膜刚度较高，但这种静压导轨结构复杂。111

4.导轨的润滑和防护112（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。113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114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115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116(二）导轨的防护1．刮板式2.隙缝式3．整罩式4．层叠式

117(三)滚动导轨的结构类型及特点滚动导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两