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1、“十一五”國家級規(guī)劃教材,主 編：李慶余 孟廣耀 副主編：張 佳 董 鋒,機械制造裝備設計,主軸組件設計,主軸組件由主軸及其支承軸承、傳動件、定位元件等組成。 主軸組件是主運動的執(zhí)行件，是機床重要的組成部分。它的功用是縮小主運動的傳動誤差并將運動傳遞給工件或刀具進行切削，形成表面成形運動；承受切削力和傳動力等載荷。 主軸組件直接參與切削，其性能影響加工精度和生產(chǎn)率。因而是決定機床性能和經(jīng)濟性指標的重要因素。,主軸組件設計,,1-1主軸組件應滿足的基本要求 1旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度，是機床幾何精度的組成部分。旋轉(zhuǎn)精度是主軸組件裝配后，靜止或低速空載狀態(tài)下，刀具或工件安裝基面上的全跳動值。

2、它取決于主軸、主軸的支承軸承、箱體孔等的制造精度，裝配和調(diào)整精度。,主軸組件設計,,靜剛度（簡稱為剛度），是主軸組件在靜載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸端部產(chǎn)生單位位移彈性變形時，位移方向上所施加的力表示。 當外伸端受徑向作用力（N），受力方向上的彈性位移為（m）時，主軸的剛度為,主軸組件設計,彈性位移是位移方向上的力、主軸組件結(jié)構參數(shù)（如尺寸、支承跨矩、支承剛度等）的函數(shù)。為簡化剛度計算，引入柔度（m/N），即剛度的倒數(shù)。,主軸組件剛度與主軸自身的剛度和支承軸承的剛度相關。主軸自身的剛度取決于主軸的慣性矩、主軸端部的懸伸量和支承跨距；支承軸承剛度由軸承的類型、精度、安裝形式、預緊程度等

3、因素決定。,主軸組件設計,3動剛度 機床在額定載荷下切削時，主軸組件抵抗變形的能力，稱為動態(tài)剛度。 主軸組件的動剛度直接影響加工精度和刀具的耐用度，是機床重要的性能指標。但目前，抗振性的指標尚無統(tǒng)一標準，設計時可在統(tǒng)計分析的基礎上，結(jié)合實驗進行確定。動態(tài)剛度與靜剛度成正比，在共振區(qū)，與阻尼（振動的阻力）近似成正比。可通過增加靜剛度、增加阻尼比來提高動剛度。,,,主軸組件設計,4溫升與熱變形 主軸組件工作時，軸承的摩擦形成熱源，切削熱和齒輪嚙合熱的傳遞，導致主軸部件溫度升高，產(chǎn)生熱變形。主軸熱變形可引起軸承間隙變化，軸心位置偏移，定位基面的形狀尺寸和位置產(chǎn)生變化；潤滑油溫度升高后，粘度下降

4、，阻尼降低；因此主軸組件的熱變形，將嚴重影響加工精度。 室溫不是20C時，溫升Tt的許可值按下式計算,主軸組件設計,5精度保持性 主軸組件的精度保持性是指長期保持其原始制造精度的能力，主軸組件主要的失效形式是磨損，所以精度保持性又稱為耐磨性。主要磨損有：主軸軸承的疲勞磨損，主軸軸頸表面、裝卡刀具的定位基面的磨損等。磨損的速度與摩擦性質(zhì)，摩擦副的結(jié)構特點，摩擦副材料的硬度、摩擦面積、摩擦面表面精度，以及潤滑方式等有關。如普通機床主軸，一般采用45或60號優(yōu)質(zhì)結(jié)構鋼，主軸支承軸頸及裝卡刀具的定位基面，G5055HRC。,,,主軸組件設計 主軸滾動軸承,1軸承的選擇 機床主軸最常用的軸承是滾動

5、軸承。這是因為：適度預緊后，滾動軸承有足夠的剛度，有較高的旋轉(zhuǎn)精度，能滿足機床主軸的性能要求，能在轉(zhuǎn)速和載荷變化幅度很大的條件下穩(wěn)定工作；由專門生產(chǎn)廠大批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，成本低，經(jīng)濟性好。特別是軸承行業(yè)針對機床主軸的工作性質(zhì)，研制生產(chǎn)了NN3000K、234400及Gamet（加梅）軸承，更使?jié)L動軸承占穩(wěn)主軸軸承的主導地位；滾動軸承容易潤滑。,主軸組件設計 滾動軸承,,,滾動軸承與滑動軸承相比，缺點為： 滾動體的數(shù)量有限，因此滾動軸承旋轉(zhuǎn)中的徑向剛度是變化的；滾動軸承摩擦力大，摩擦系數(shù)為 ，阻尼比小， ；滾動軸承的徑向尺寸較大。因此，在動剛度性能高的臥式精密機床（如：外圓磨床

6、、臥軸平面磨床、精密車床）中，滑動軸承仍有一定應用領域。,主軸組件的抗振性主要取決于前軸承，因而，有的機床前支承采用滑動軸承，后支承采用滾動軸承。,,,,,主軸組件設計滾動軸承,2主軸滾動軸承的類型選擇 機床主軸較粗，主軸軸承的直徑較大，軸承所承受的載荷遠小于其額定動載荷，約為1/10。 因此，一般情況下，承載能力和疲勞壽命不是選擇主軸軸承的主要依據(jù)。 主軸軸承，應根據(jù)剛度、旋轉(zhuǎn)精度和極限轉(zhuǎn)速來選擇。,,,主軸組件設計 滾動軸承,軸承的剛度與軸承的類型有關，線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，雙列軸承比單列的剛度高，且剛度是載荷的函數(shù)，適當預緊不僅能提高旋轉(zhuǎn)精度，也能提高剛度。 軸承的

7、極限轉(zhuǎn)速與軸承滾動體的形狀有關，同等尺寸的軸承，球軸承的極限轉(zhuǎn)速高于滾子軸承，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速高于圓錐滾子軸承；同一類型的軸承，滾動體的分布圓越小，滾動體越小，極限轉(zhuǎn)速越高。,,,主軸組件設計滾動軸承,軸承的軸向承載能力和剛度，由強到弱依次為：推力球軸承、推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、角接觸球軸承； 承受軸向載荷軸承的極限轉(zhuǎn)速由高到低為：角接觸球軸承、推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承。,,,,主軸組件設計 滾動軸承,3軸承的精度選擇 軸承的精度，應采用P2、P4、P5級和SP、UP級。SP、UP級軸承的旋轉(zhuǎn)精度相當于P4、P2，內(nèi)外圈的尺寸精度比旋轉(zhuǎn)精度低一級，相當于P5、

8、P4級。這是因為軸承的工作精度主要取決于旋轉(zhuǎn)精度，主軸支承軸頸和箱體軸承孔可按一定配合要求配作，適當降低軸承內(nèi)外圈的尺寸精度可降低成本。,,,,,,,,,主軸組件設計 滾動軸承,切削力方向固定不變的主軸，如：車床、銑床、磨床等，通過滾動體，始終間接地與切削力方向上的外圈滾道表面的一條線（線接觸軸承）或一點（球軸承）接觸，由于滾動體是大批量生產(chǎn)，且直徑小，圓柱度誤差小，其圓度誤差可忽略，因此，決定主軸旋轉(zhuǎn)精度的是軸承的內(nèi)圈徑向圓跳動，即內(nèi)圈滾道表面相對于軸承內(nèi)徑軸線的同軸度。,,,主軸組件設計 滾動軸承,切削力方向隨主軸的旋轉(zhuǎn)同步變化的主軸，主軸支承軸頸的某一條線或點間接地跟半徑方向上的外圈滾道

9、表面對應的線或點接觸，影響主軸旋轉(zhuǎn)精度的因素為軸承內(nèi)圈的徑向圓跳動、滾動體的圓度誤差、外圈的徑向圓跳動。由于軸承內(nèi)圈滾道直徑小，且滾道外表面磨削精度高，因而誤差較小，主軸旋轉(zhuǎn)精度主要取決于外圈的徑向圓跳動，即外圈滾道表面相對于軸承外徑軸線的同軸度；,主軸組件設計 滾動軸承,,,,前軸承的精度對主軸的影響較大。故前軸承的精度應比后軸承高一級。,主軸組件設計 滾動軸承,主軸組件設計 滾動軸承,切削力方向隨主軸旋轉(zhuǎn)而同步變化的主軸，軸承按外圈徑向圓跳動選擇。 由于外徑尺寸較大，相同精度時誤差大，若保持徑向圓跳動值不變，可按內(nèi)圈高一級的軸承精度選擇。,主軸組件設計滾動軸承,4軸承剛度 軸承存在間隙

10、時，只有切削力方向上的少數(shù)幾個滾動體承載，徑向承載能力和剛度極低；軸承零間隙時，在外載作用下，軸線沿方向移動一距離，對應的半圈滾動體承載，處于外載作用線上的滾動體受力最大，其載荷是滾動體平均載荷的5倍，滾動體的載荷隨著與外載作用線距離的增大而減??；軸承受軸向載荷時，各滾動體承受的軸向力相等。滾動體受力方向在接觸線上。,,,,,主軸組件設計滾動軸承,軸承所承受的徑向力、軸向力分別為 、 ，單個滾動體所承受的最大載荷 、 分別為,球軸承的鋼球直徑為 ，在外載作用下軸承的變形為,,,,主軸組件設計 滾動軸承,,滾子軸承線接觸的長度（滾子不包括兩端倒角寬度的長度）為 ，在外載作用下的變形為,滾子軸承的

11、剛度為,,,,,,主軸組件設計滾動軸承,,零間隙時球軸承的剛度為,,,,,,,,主軸組件設計滾動軸承,,,計算軸承剛度時，若載荷無法確定，可取該軸承額定動載荷的1/10代替外載。 線接觸軸承，載荷的0.1次冪與剛度成正比，對剛度的影響較小。計算剛度時，可忽略預緊載荷。點接觸軸承，載荷的1/3次冪與剛度成正比，預緊力對軸承剛度影響較大，計算剛度時應考慮預緊力。有預緊力 時，徑向和軸向載荷分別是,,,,,,主軸組件設計 滾動軸承,軸承承載后不受力一側(cè)的滾動體仍能保持與滾道接觸。滾子包絡圓直徑與外圈滾道孔徑之差 510,,主軸組件設計 主軸,,,1主軸的結(jié)構及材質(zhì)選擇 主軸的端部安裝夾具和刀具，

12、隨夾具和刀具的標準化，主軸端部已有統(tǒng)一標準。 主軸為外伸梁，承受的載荷從前往后依次降低，故主軸常為階梯形。車床、銑床、加工中心等機床，為通過棒料或拉緊刀具，主軸為階梯形空心軸。,主軸組件設計 主軸,,,,,主軸的載荷相對較小，一般情況下，引起的應力遠小于鋼的屈服強度。因此，機械強度不是選擇主軸材料的依據(jù)。,當主軸的直徑、支承跨距、懸伸量等尺寸參數(shù)一定時，主軸的慣性矩為定值；主軸的剛度取決于材料的彈性模量。但各種鋼材的彈性模量 幾乎沒什么差別。因此剛度也不是主軸選材的依據(jù)。,主軸組件設計 主軸,主軸的材料，只能根據(jù)耐磨性、熱處理方法及熱處理后的變形大小來選擇。耐磨性取決于硬度，故機床主

13、軸材料為淬火鋼或滲碳淬火鋼，高頻淬硬。 普通機床主軸，一般采用45或60號優(yōu)質(zhì)結(jié)構鋼，主軸支承軸頸及裝卡刀具的定位基面，高頻淬火，硬度為5055HRC； 精密機床主軸，可采用40Cr高頻淬硬或低碳合金鋼（如20Cr，16MnCr5）滲碳淬火，硬度不低于60HRC。 高精度機床主軸，可采用65Mn，淬硬5258HRC,主軸組件設計主軸圖,,,,,,,主軸組件設計 主軸精度,,,,,,主軸組件設計 主軸精度,,,,,,,定位基面的精度按機床精度標準選擇。 普通機床主軸，安裝齒輪等傳動件的部位與兩支承軸頸軸心線的同軸度允差可取尺寸公差的一半。 轉(zhuǎn)速大于600r/min的主軸，非配合表面的表

14、面粗糙度值Ra1.6； 線速度的主軸，主軸組件應做一級動平衡。,主軸組件設計 主軸傳動,,,1傳動方式 主軸上的傳動方式， 主要有帶和齒輪傳動。 帶傳動是靠摩擦力傳遞動力，結(jié)構簡單，中心距調(diào)整方便；能抑制振動，噪聲低，工作平穩(wěn)，特別適用于高速主軸。線速度小于30m/s時，可采用V帶傳動；,主軸組件設計 主軸傳動,,多楔帶的線速度可大于30m/s，由于多楔帶是在繩芯結(jié)構平帶的基礎下增加若干縱向V形楔的環(huán)形帶，具有平帶的柔軟，V帶摩擦力大的特點，承載機理仍是平帶，帶體薄，強度高，效率高，曲撓性能好，雖然線速度不甚高，但帶輪尺寸小，轉(zhuǎn)速可達6000r/min，是近年來發(fā)展較快的一種應用廣泛的傳動帶

15、，有取代普通V帶的趨勢；,主軸組件設計 主軸傳動,,,,,,,同步齒形帶是以玻璃纖維繩芯、鋼絲繩為強力層，外覆聚氨脂或氯丁橡膠的環(huán)形帶，帶的內(nèi)周有梯形齒，與齒形帶輪嚙合傳動，傳動比準確，線速度小于60m/s；高速環(huán)形平帶，用于帶速恒定的傳動，絲織（天然絲、錦綸或滌綸絲）高速平帶線速度可達100m/s。,主軸組件設計 主軸傳動,,,,,,,,齒輪能傳遞較大的扭矩，結(jié)構緊湊，尤其適合于變速傳動。為降低噪聲，通常采用硬齒面、小模數(shù)齒輪，盡量降低齒輪的線速度；線速度小于15m/s時，采用精度為6級的齒輪，線速度大于15m/s時，則采用5級精度齒輪。,主軸組件設計 主軸傳動,,電動機直接驅(qū)動主軸，也是精

16、密機床、高速加工中心和數(shù)控車床常用的一種驅(qū)動形式。如平面磨床的砂輪主軸，高速內(nèi)圓磨床的磨頭。轉(zhuǎn)速小于3000r/min的主軸，采用異步電動機軸通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動主軸，機床可通過改變電動機磁極對數(shù)實現(xiàn)變速；轉(zhuǎn)速小于8000r/min的主軸，可采用變頻調(diào)速電動機直接驅(qū)動；高速主軸，可將電動機軸與主軸做成一體，即內(nèi)裝電動機主軸，轉(zhuǎn)子軸就是主軸，恒速切削可采用中頻電動機。,主軸組件設計 主軸傳動,,,,,,,,,,,2傳動件的布置 為了皮帶更換方便，防止油類的侵蝕，帶輪通常安裝在后支承的外側(cè)。 多數(shù)主軸采用齒輪傳動。齒輪可位于兩支承之間，也可位于后支承外側(cè)。齒輪在兩支承之間時，應盡量靠近前支承，若主

17、軸上有多個齒輪，則大齒輪靠近前支承。由于前支承直徑大，剛度高，大齒輪靠近前支承可減少主軸的彎曲變形，且扭矩傳遞長度短，扭轉(zhuǎn)變形小。齒輪位于后支承外側(cè)，前后支承能獲得理想的支承跨距，支承剛度高；前后支承距離較小，加工方便，容易保證其同軸度；能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化生產(chǎn)。,主軸組件設計 主軸傳動,,,,,,,,,,,為提高動剛度，限制最大變形量，在齒輪外側(cè)增加輔助支承。輔助支承為徑向游隙較大的軸承，且不能預緊，以避免輔助支承同軸度誤差造成的影響。由于輔助支承存在間隙，因而當主軸載荷較小、變形量小于間隙值時，輔助支承不起作用；只有載荷較大、主軸輔助支承部位的變形大于間隙值時，輔助支承才起作用。,主軸組件設計

18、主軸傳動,,3主軸軸向定位,前端定位 推力軸承安裝在前軸承內(nèi)側(cè)，前支承結(jié)構復雜，受力大，溫升高，主軸受熱膨脹向后伸長，對主軸前端位置影響較小，故適用于軸向精度和剛度要求高的高精度機床和數(shù)控機床。,主軸組件設計 主軸傳動,,,,后端定位 前支承結(jié)構簡單，無軸向力影響，溫升低；但主軸受熱膨脹向前伸長，主軸前端軸向誤差大。適用于軸向精度要求不高的普通機床。 兩端定位 推力軸承安裝在前后兩支承內(nèi)側(cè)，前支承發(fā)熱較小,兩推力軸承之間的主軸受熱膨脹時會產(chǎn)生彎曲，即影響軸承的間隙，又使軸承處產(chǎn)生角位移，影響機床精度。這種定位適用于較短的主軸或軸向間隙變化不影響正常工作的機床，如鉆床、組合機床。,主軸組件設計

19、 主軸參數(shù),,,,1主軸前支承軸頸的確定 主軸前支承軸頸可按主傳動功率選擇。 車床和銑床，主軸為階梯形， ，磨床主軸， 。,,主軸組件設計 主軸參數(shù),與實心主軸慣性矩的比值為,2主軸內(nèi)孔直徑的確定 許多機床都是空心主軸，由力學可知，外徑為 、內(nèi)徑為 的空心軸的慣性矩為,主軸組件設計 主軸參數(shù),從表中可看出，0.7，剛度衰減加快。 因此機床上規(guī)定0.7。,主軸組件設計 主軸參數(shù),,,3主軸前端部懸伸量的確定 主軸前端部懸伸量 是指主軸定位基面至前支承徑向支反力作用點之間的距離。 懸伸量 一般取決于主軸端部的結(jié)構形式和尺寸、主軸軸承的布置形式及密封形式。 在滿足結(jié)構要求的前提

20、下，應盡量減少懸伸量，提高主軸的剛度。初步確定時可取 。,主軸組件設計 主軸參數(shù),為縮短懸伸量，主軸前端部可采用短錐結(jié)構；推力軸承放在前支承內(nèi)側(cè)，采用角接觸軸承取代徑向軸承，接觸線與主軸軸線的交點在前支承前面。 推力軸承和主軸傳動件產(chǎn)生位置矛盾時，由于懸伸量對主軸剛度的影響大，應首先考慮懸伸量，使傳動件距前支承略遠一些。,主軸組件設計 主軸參數(shù),4主軸支承跨距的確定 主軸組件的剛度主要取決于主軸的自身剛度和主軸的支承剛度。 主軸自身的剛度與支承跨距成反比，即在主軸軸頸、懸伸量等參數(shù)一定時，跨距越大，主軸端部變形越大； 主軸軸承彈性變形引起的主軸端部變形，則隨跨距的增大而減小，即跨距

21、越大，軸承剛度對主軸端部的影響越小。,主軸組件設計 主軸參數(shù),主軸組件設計 主軸參數(shù),主軸端部變形 為,,,,前后支承的變形量 、 分別為,主軸組件設計 主軸參數(shù),,,,剛性主軸彈性支承引起的主軸端部變形 為,,主軸端部的總撓度 為,,主軸組件設計 主軸參數(shù),,,主軸組件的柔度 為,柔度 的二階導數(shù)為,,柔度的二階導數(shù)大于零，因此，主軸組件存在最小柔度,主軸組件設計 主軸參數(shù),,,,當柔度 一階導數(shù)等于零時，主軸組件剛度為最大值，這時的跨距 應為最佳跨距 。即,整理后得,主軸組件設計 剛度校核,,5主軸組件的剛度校核 結(jié)構設計完成后，所有的結(jié)構和尺寸參數(shù)已經(jīng)確定，由于主軸組件是機床最關鍵的部

22、件之一，因此必須校核計算主軸組件在計算轉(zhuǎn)速、額定載荷時的剛度或撓度。 主軸組件校核時支承點的確定，徑向軸承（深溝球軸承、圓柱滾子軸承或雙列圓柱滾子軸承）簡化后的支承點在軸承寬度的中部。,,主軸組件設計 主軸參數(shù),,,,主軸組件設計 靜剛度校核,（1）對主軸組件靜剛度校核,,,,當量直徑,主軸的 當量 慣性矩,,主軸彈性變形 引起的軸端變形,,,主軸組件設計 靜剛度校核,由于 ， 相對較大，引起的軸端變形小，對主軸剛度的影響較輕，故初步校核計算時可忽略主軸懸伸部分變形而引起的端部變形。只有 的計算結(jié)果接近或大于要求值時，才詳細計算。,,將 替代 進行計算。即主軸自身的剛度 為,主軸組件設計靜

23、剛度校核,軸承的彈性變形 引起的主軸端部的變形為,由于后軸承相對剛度較大，承受的負載相對較輕，故變形小，且對主軸端部的影響也小。初步校核剛度時，可忽略后軸承造成的影響。,主軸組件設計 動剛度校核,,（2）對主軸組件動剛度校核,當切削力為交變力 ，為激振頻率，可以作為 的實部，因為,主軸組件在激振力方向上作彎曲振動，振源在作用力延長線與軸線的交點處。振動方程為,,主軸組件設計 動剛度校核,,,,,,通解 為,微分方程的特解 為,主軸組件設計 動剛度校核,,,，稱為頻率比。則,,主軸組件設計 動剛度校核,動柔度 為,動柔度的模 （幅值） 為,主軸組件設計 動剛度校核,動柔度的相角 為,動剛度

24、 的模為,主軸組件設計 動剛度校核,動剛度對頻率比取導數(shù)，且使一階導數(shù)等于零，得到動剛度極值（或拐點）對應的頻率比。即,整理得,,主軸組件設計 動剛度校核,主軸組件設計 動剛度校核,通過動剛度的二階導數(shù)判斷頻率比為該值時的性質(zhì),由于 ,將 代入上式得,,主軸組件設計 動剛度校核,所以， 時的動剛度為最小值，最小動剛度為,動柔度實部為,為極值時,,主軸組件設計 動剛度校核,,所以， ， , 。,當動柔度實部 為極值， , 。 的二階導數(shù)為,主軸組件設計 動剛度校核,時，,動柔度的實部有最大值,時，,動柔度的實部有最小值,,,主軸組件設計 動剛度校核,切

25、削穩(wěn)定性計算,,,主軸組件設計 動剛度校核,,,,,,切削穩(wěn)定的條件為,0,多次切削后，波紋振幅逐漸減小。穩(wěn)定切削的臨界值為,主軸組件設計 動剛度校核,考慮到波紋振幅都是矢量，其比值按絕對值代入上式,,分子、分母的實部、虛部的絕對值分別相等,主軸組件設計 動剛度校核,由于 的倒數(shù)不可能為零，等式右邊只能取負值時，則,當 為最小值時，得到臨界切削寬度,,主軸組件設計 動剛度校核,機床各方向的剛度不同，橫向變形對機床加工精度的影響最大，所以，一般計算徑向（橫向）切削力 方向上的剛度 。,,主軸組件設計 動剛度校核,,,,,機床的最大切削力一定，刀具的主偏角 越小，徑向切削力越大，需要的橫向剛度

26、值 就越大，因而通常計算橫向切削（切槽或切斷）時的橫向剛度 。,,,主軸組件設計 動剛度校核,主軸組件設計 動剛度校核,,當徑向力 作用于D點時，設CD段的慣性矩為I，主軸D點的彈性位移為,,,主軸端部的變形為,主軸組件設計 動剛度校核,,,前后軸承產(chǎn)生的彈性變形對主軸端部的的影響是以前支承為主。為簡化計算，可認為軸承產(chǎn)生的變形主要是由前支承引起的，后支承的影響可忽略，即軸承產(chǎn)生的變形而引起的主軸端部變形為,主軸組件設計 動剛度校核,,對許多機床計算分析和測試可知，主軸自身變形引起的端部變形約占主軸組件總變形的60%；支承引起的變形約占總變形的40%。即,主軸組件設計 動剛度校核,,,,F作用

27、于D點時主軸組件剛度為,主軸組件設計,,,6.提高主軸部件性能的措施 提高旋轉(zhuǎn)精度 在保證主軸制造精度，保證軸承精度的同時，采用定向誤差裝配法可進一步提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。 主軸組件裝配后，插入主軸錐孔的測量心軸的徑向圓跳動值1，是主軸軸承的徑向圓跳動量 、 引起的主軸端部的徑向圓跳動值和主軸錐孔相對于前后支承軸頸的徑向圓跳動量 的綜合反映。 、 、 都是矢量，因此這三項誤差按一定方向裝配，可使誤差相互抵消。,主軸組件設計,,,,主軸組件設計,,,,,提高剛度 除提高主軸自身剛度外,可采用以下措施：角接觸軸承為前支承時，接觸線與主軸軸線的交點應位于軸承前面。 傳動件應位于后支承外側(cè)，且傳

28、動力使主軸端部變形的方向，不能和切削力造成的主軸端部的變形方向相同，兩者的夾角應大一些，最佳為180o，以部分補償切削力造成的變形；主軸為帶傳動時，應采用卸荷式機構，避免主軸承受傳動帶拉力；齒輪也可采用卸荷式機構。,主軸組件設計,,,,,,,適當增加一個支承內(nèi)的軸承數(shù)目，適度預緊，采用輔助支承以提高支承剛度。 提高動剛度 除提高主軸組件的靜剛度，使固有頻率增高，避免共振外，可采用如下措施： 用圓錐液壓漲套取代螺紋等軸向定位件；徑向定位采用小錐度過盈配合或漸開線花鍵；滑移齒輪采用漸開線花鍵配合。 采用三支承主軸。,主軸組件設計,,,,,,,,,,旋轉(zhuǎn)零件的非配合面全部進行較精密的切削加工，

29、并作動平衡實驗。 設置消振裝置，增加阻尼?？稍谳^大的齒輪上切削出一個圓環(huán)槽，槽內(nèi)灌注鉛，主軸轉(zhuǎn)動時，鉛就會產(chǎn)生相對微量運動，消耗振動能量，從而抑制振動；如果是水平主軸，可,主軸組件設計,,,,,,,,,采用動壓滑動軸承，提高軸承阻尼；圓錐滾子軸承的滾子大端有滑動摩擦，阻尼比其他滾動軸承高，因而在極限轉(zhuǎn)速許可的情況下，優(yōu)先采用圓錐滾子軸承；增加滾動軸承的預緊力，也可增加軸承的阻尼。采用動力油潤滑軸承，控制溫升，減少熱變形。,支承件的設計,,,,機床的支承件包括床身、立柱、橫梁、搖臂、箱體、底座、工作臺、升降臺等，它們相互連接構成機床基礎，支承機床工作部件，并保證機床零部件的相對位置和相對運動精度

30、。因此，支承件決定了機床的動態(tài)剛度，支承件設計是機床設計的重要環(huán)節(jié)之一。,支承件的設計,,,一、支承件應滿足的基本要求 1）支承件應有足夠的靜剛度和較高的固有頻率。支承件的靜剛度包括整體剛度、局部剛度和接觸剛度。如臥式車床床身，載荷通過支承導軌面施加到床身上，使床身產(chǎn)生整體彎曲扭轉(zhuǎn)變形，且使導軌產(chǎn)生局部變形和導軌面產(chǎn)生接觸變形。,支承件的設計,支承件的整體剛度又稱為自身剛度，與支承件的材料以及截面形狀、尺寸等影響慣性矩的參數(shù)有關。局部剛度是指支承件載荷集中的局部結(jié)構處抵抗變形的能力；如床身導軌的剛度，主軸箱在主軸軸承孔處附近部位的剛度，搖臂鉆床的搖臂在靠近立柱處的剛度以及底座安裝立柱部位的剛

31、度等。,支承件的設計,,,接觸剛度是指支承件的結(jié)合面在外載作用下抵抗接觸變形的能力，接觸剛度用結(jié)合面的平均壓強p（MPa）與變形量（m）之比表示。由于結(jié)合面在加工中存在平面度誤差和表面精度誤差，當接觸壓強很小時，結(jié)合面只有幾個高點接觸，實際接觸面積很小，接觸變形大，接觸剛度低；接觸壓強較大時，結(jié)合面上的高點產(chǎn)生變形，接觸面積擴大，變形量的增加比率小于接觸壓強的增加，因而接觸剛度較高，即接觸剛度是壓強的函數(shù)，隨接觸壓強的增加而增大。,支承件的設計,,,,,接觸剛度還與結(jié)合面的結(jié)合形式有關，活動接觸面（結(jié)合面間有相對運動）的接觸剛度小于等接觸面積固定接觸面（結(jié)合面間無相對運動）的接觸剛度。由此可知

32、，接觸剛度取決于結(jié)合面的表面粗糙度和平面度、結(jié)合面的大小、材料硬度、接觸面的壓強等因素。,支承件的設計,,,,,支承件的固有頻率是剛度與質(zhì)量比值的平方根，即 ，固有頻率的單位為 ；當激振力（斷續(xù)切削力、旋轉(zhuǎn)零件的離心力等）的頻率接近固有頻率時，支承件將產(chǎn)生共振。設計時應使固有頻率高于激振頻率30%，即 。由于激振力多為低頻，故支承件應有較高的固有頻率。在滿足剛度的前提下，應盡量減小支承件質(zhì)量。另外，支承件的質(zhì)量往往占機床總質(zhì)量的80%以上，固有頻率在很大程度上反映了支承件的設計合理性。,支承件的設計,,,,2）良好的動態(tài)特性。支承件應有較高靜剛度、固有頻率，使整機的各階固有頻率遠離激振頻

33、率，在切削過程中不產(chǎn)生共振；支承件還必須有較大的阻尼，以抑制振動的振幅；薄壁面積應小于400mm400mm，避免薄壁振動； 3）支承件應結(jié)構合理，成形后進行時效處理，充分消除內(nèi)應力，形狀穩(wěn)定，熱變形小，受熱變形后對加工精度的影響較小。 4）支承件應排屑暢通；工藝性好，易于制造，成本低；吊運安裝方便。,支承件的受力分析,支承件的靜力分析是支承件設計的首要環(huán)節(jié)。通過受力分析，找出影響支承件剛度的最大因素；根據(jù)分析計算，相關技術資料，進行結(jié)構設計。 支承件的功能是支承和承載。因而支承件承受多個載荷，如切削力，所支承零部件的重力、傳動力等。 按照各載荷對機床支承件的不同影響，將機床分為中小型機

34、床、精密和高精度機床、大型機床。,支承件的受力分析,中小型機床 該類機床的載荷以切削力為主。工件的重量、移動部件（如中小型臥式車床的刀架）的重量等相對較小，支承件在受力分析時可忽略不計。 精密和高精度機床 該類機床的工藝特性是精加工，切削力小，支承件在受力分析時可忽略。載荷以移動部件的重量和熱應力為主。如雙柱立式坐標鏜床的橫梁，受力分析時，主要考慮主軸箱在橫梁中部時，引起的橫梁彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。,支承件的受力分析,大型機床 該類機床加工的工件大而重，切削力大，移動部件的質(zhì)量也較大，因而支承件受力分析時，工件重量、移動部件重量和切削力都要考慮。如重型車床、落地式車床、落地式鏜銑床、龍門式銑刨床等

35、。,支承件的受力分析,,,靜力分析時，通常將截面尺寸遠小于長度或高度的支承件簡化為梁或柱； 將截面尺寸遠大于高度或長度的支承件簡化為板； 將截面尺寸與長度或高度為同一尺寸數(shù)量級的支承件視為箱體。,支承件的受力分析,,,,,,支承件的受力分析,車刀位于床身中部，橫向切削，載荷為主切削力 、徑向切削力 ；床身扭轉(zhuǎn)中心為O。 使床身在方向 產(chǎn)生彎曲變形，變形量為 ； 使床身在方向上 產(chǎn)生彎曲變形，變形量為 .,、 產(chǎn)生繞z軸的扭轉(zhuǎn)力矩為 ：,使床身扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)角為 。,支承件的受力分析,,,,,,,,,支承件的受力分析,床身的橫向彎曲變形量就是工件的半徑誤差，即,床身的縱向彎曲變形量引起的工件

36、半徑誤差為,,對工件精度的影響較小,支承件的受力分析,床身的扭轉(zhuǎn)變形引起的工件半徑誤差為,,支承件的受力分析,,,,,,,,,車床床身彎扭變形引起的工件半徑誤差為,。,支承件的結(jié)構設計,,,,,,,,,,,,,,支承件的結(jié)構設計,,,,,,,,,支承件的結(jié)構設計,,,,,,,,1.空心截面比實心截面的慣性矩大；加大輪廓尺寸，減少壁厚，可提高支承件的剛度；設計時在滿足工藝要求的前提下，應盡量減小壁厚。 2.方形截面的抗彎剛度比圓形截面的抗彎剛度大，而抗扭剛度比圓形截面的抗扭剛度低；矩形截面在高度方向上的抗彎剛度比方形截面的抗彎剛度大，而寬度方向上的抗彎剛度和抗扭剛度比方形截面的抗彎剛度和抗扭剛

37、度小。,支承件的結(jié)構設計,因此，承受一個方向彎矩為主的支承件，其截面形狀應為矩形，高度方向應為受彎方向；承受彎扭組合作用的支承件，截面形狀應為方形；承受純扭矩的支承件，其截面形狀應為圓環(huán)形。 3.不封閉截面的剛度遠小于封閉的截面剛度，其抗扭剛度下降更大；因此，在可能的情況下，應盡量把支承件做成封閉形狀。截面不能封閉的支承件應采取補償剛度的措施。,支承件的結(jié)構設計,隔板和加強肋 連接外壁之間的內(nèi)壁稱為隔板，又稱為肋板。隔板的作用是將局部載荷傳遞給其他壁板，從而使整個支承件能比較均勻地承受載荷。因此，支承件不能采用全封閉截面時，應采用隔板等措施加強支承件的剛度。,提高支承件靜剛度的措施,,縱向

38、隔板能提高抗彎剛度。當縱向隔板的高度方向與 相同時，增加的慣性矩為 ；當縱向隔板的高度方向與 垂直時，增加的慣性矩為 ，由于 ，所以縱向隔板的高度方向應垂直于彎曲面的中性層。,提高支承件靜剛度的措施,,,橫向隔板能提高抗扭剛度。方框形截面（ ）懸臂梁（ ）無橫向隔板時的相對抗扭剛度為1；當增加端面橫向隔板1時，抗扭剛度提高3倍；均勻布置三條橫向隔板后，即抗扭剛度提高7倍。一般情況下，橫向隔板的間距 。,提高支承件靜剛度的措施,,可將斜向隔板視為折線式或波浪形的縱向隔板，隔板和前后壁每連接一次，形成一個橫隔板，即斜隔板是由多個橫隔板和縱隔板的連續(xù)組合而形成的。因此可提高抗彎和抗扭剛

39、度。,較長的支承件常采用這種隔板。,提高支承件靜剛度的措施,加強肋又稱為肋條。一般配置在外壁內(nèi)側(cè)或內(nèi)壁上。其主要用途是加強局部剛度和減少薄壁振動。,提高支承件靜剛度的措施,當量尺寸C由下式確定,隔板的厚度可取(0.81)t； 加強肋的厚度可取(0.70.8)t 。,提高支承件靜剛度的措施,提高支承件靜剛度的措施,提高支承件靜剛度的措施,,,,,,,提高支承件靜剛度的措施,,,,,,,提高支承件靜剛度的措施,在彎曲平面垂直的壁上開孔，抗彎剛度損失大于在彎曲平面平行的壁上開孔的抗彎剛度損失； 在立柱或梁上開孔，抗扭剛度的損失比抗彎剛度的損失大。 對于矩形截面的抗扭剛度，在較窄的壁上開孔，對剛度

40、的影響比在較寬的壁上開孔的影響大。,提高支承件靜剛度的措施,,,,,在孔周邊翻邊，可增加局部剛度，翻邊直徑與孔徑之比 2，壁厚與翻邊高度的比值 2時，剛度增加較大。,為彌補開孔后的剛度損失，可在孔上加蓋板，用螺栓將蓋板固定在壁上，也可將孔的周邊加厚（翻邊）。 在翻邊的基礎上，加嵌入式蓋板，補償效果最佳。,提高支承件靜剛度的措施,一般情況下，立柱或梁外壁上開孔的尺寸應小于該方向尺寸的20%；如開孔尺寸不大于該方向尺寸的10%，則孔的存在對剛度的影響較小，故不需進行剛度補償。,提高支承件靜剛度的措施,相對滑動的連接面和重要的固定結(jié)合面須進行精磨或配對刮研，以增加真實的接觸面積，提高其接觸剛度。固

41、定結(jié)合面精磨時， ；配刮削時，在25.4mm25.4mm平面內(nèi)，高精度機床均布的刮研點數(shù)不少于12點，精密機床為8點，普通機床應不少于6點。,,,提高接觸剛度,提高支承件靜剛度的措施,緊固螺栓應使結(jié)合面有不小于2MPa的接觸壓強，以消除結(jié)合面的平面度誤差，增大真實的結(jié)合面積，提高結(jié)合剛度。結(jié)合面承受彎矩時，應使較多的緊固螺栓布置在受拉一側(cè)，承受拉應力；結(jié)合面承受扭矩時，螺栓應遠離扭轉(zhuǎn)中心，均勻地分布于四周。,提高支承件靜剛度的措施,支承件的連接凸緣可采用加強肋增加局部剛度,支承件的材料,一般支承件用灰鑄鐵制成，在鑄鐵中加入少量合金元素如鉻、硅、稀土元素等可提高其耐磨性。鑄鐵鑄造性能好，容易得

42、到復雜的形狀，且阻尼大，有良好的抗振性能，阻尼比。鑄件因壁厚不勻?qū)е略诶鋮s過程中產(chǎn)生鑄造應力，所以鑄造后必須進行時效處理，并盡量采用自然時效。,支承件的材料,自然時效是將鑄件放在露天，任其日曬雨淋，少則1年多則35年；精密機床支承件，除粗加工前進行自然時效外，粗加工后應進行人工時效處理，充分消除鑄造應力。 人工時效是將工件放在200以下的退火爐中，以6080/h的加熱速度緩慢加溫到530550，鑄件壁厚20mm時保溫4h，壁厚每增加25mm保溫時間增加2 h，然后以30/h的冷卻速度爐冷至200以下出爐。,支承件的材料,梁類支承件如床身、立柱、橫梁等，也可利用共振原理進行振動時效，消除內(nèi)應力

43、。 振動時效時，支承件放在彈性支承（如廢輪胎）上，激振器安裝在支承件中部。激振器的頻率為一次橫向彎曲振動的共振頻率。激振器可視為質(zhì)量偏心的、偏心矩可調(diào)的無級變速電動機。這種方法時效時間短；較人工時效節(jié)能。缺點是按照一次彎曲共振頻率時效，中間部分振幅大，消除應力效果好，兩端振幅小，效果較差。,支承件的材料,鑲裝導軌的支承件，如床身、立柱、橫梁、底座、工作臺等，常用的灰鑄鐵牌號為HT150；與導軌制作在一起的支承件，常采用HT200；齒輪箱體常采用HT250；主軸箱箱體常采用HT300、HT350。,支承件的材料,,,,用鋼板和型鋼焊接支承件，制造周期短，不用制作木模，特別適合于生產(chǎn)數(shù)量少、品種

44、多的大中型機床床身的制造。鋼的彈性模量 ，鑄鐵的彈性模量 ，鋼的彈性模量約為鑄鐵的1.7倍，所以鋼板焊接床身的抗彎剛度約為鑄鐵床身的1.45倍。 剛度要求相同時，鋼板焊接床身的壁厚比鑄鐵床身減少1/2，質(zhì)量減小20%30%。,支承件的材料,焊接床身可做成封閉的結(jié)構。鋼板焊接床身的缺點是阻尼約為鑄鐵的1/3，抗振性能差。為提高其抗振性能，可采用阻尼焊接結(jié)構或在空腔內(nèi)充入混凝土等措施。,,支承件的材料,預應力鋼筋混凝土 預應力鋼筋混凝土主要制作不常移動的大型機床的床身、底座、立柱等支承件。鋼筋的配置和預應力的大小對鋼筋混凝土的影響較大。當三個坐標方向都設置鋼筋，且預應力皆為12

45、0150kN時，預應力鋼筋混凝土支承件的剛度比鑄鐵高幾倍，且阻尼比鑄鐵大，抗振性能優(yōu)于鑄鐵；制造工藝簡單，成本低。,支承件的材料,,,,,,,,預應力鋼筋混凝土缺點是：脆性大，耐腐蝕性差，油滲入后會導致材質(zhì)疏松，所以表面應進行噴漆或噴涂塑料，或?qū)摻罨炷林苓呌媒饘侔甯采w，金屬板間焊接封閉結(jié)構。支承件的連接，可采用預埋加工后的金屬件，或二次澆注。,支承件的材料,,,,,樹脂混凝土 樹脂混凝土是制造機床床身的新型材料，又稱為人造花崗巖。 之所以稱為樹脂混凝土，是因為以樹脂和稀釋劑代替混凝土中的水泥和水，與各種尺寸規(guī)格的花崗巖塊或大理石塊等骨料均勻混合、搗實固化而形成的。 樹脂為粘接劑，相當

46、于水泥，常用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等合成樹脂。,支承件的材料,稀釋劑的作用是降低樹脂粘度，澆注時有較好的滲透力，防止固化時產(chǎn)生氣泡。有時還要加入固化劑，改變樹脂分子鏈結(jié)構，使原有的線型或支鏈型結(jié)構轉(zhuǎn)化成體型分子鏈結(jié)構，有時還要加入增韌劑，提高樹脂混凝土的抗沖擊性能和抗彎強度。,支承件的材料,,支承件的材料,樹脂混凝土的阻尼比為灰鑄鐵的810倍，因而抗振性能好；對切削液、潤滑劑等有極好的耐腐蝕性；與金屬粘接力強，可根據(jù)不同的結(jié)構要求，預埋金屬件，減少金屬加工量；生產(chǎn)周期短，澆注時無大氣污染，澆注出的床身靜剛度比鑄鐵床身的靜剛度高16%40%。,支承件的材料,,樹脂混凝土的缺點是某些

47、力學性能，如抗拉強度較低。它可用增加預應力鋼筋或加強纖維來提高抗彎剛度； 用鋼板焊接出支承件的周邊框架，在空腔中充入樹脂混凝土而形成的結(jié)構，適合于大中型機床結(jié)構較簡單的支承件。,提高支承件動剛度,,,機床存在許多運動接觸面和固定接觸面，這些接觸面的接觸剛度和接觸面的阻尼比是不同的；結(jié)構在不同的方向具有不同的剛度，因而機床存在許多固有頻率和主振型。 常見的振動有： 整機搖晃振動； 結(jié)合面間的相對振動和零部件的本體振動。,提高支承件動剛度,,,,,整機搖晃振動是機床整體在地基支承上的振動。搖晃振動時，機床上各點振幅沿高度和長度方向呈線性分布。垂直于寬度方向平面內(nèi)的搖晃，共振頻率最低。整機搖

48、晃動剛度主要取決于支承件連接部位和基礎的剛度與阻尼。共振頻率為1530Hz，阻尼比 。,提高支承件動剛度,,結(jié)合面處部件間的相對振動是指整個部件作為一個剛體在結(jié)合面處相對于另一部件的直線振動或扭轉(zhuǎn)振動。對于移動結(jié)合面，共振頻率較低（40100Hz），阻尼比 ；對于固定結(jié)合面，共振頻率為80150Hz，高于移動結(jié)合面；而阻尼比 ，則比移動結(jié)合面低。,提高支承件動剛度,,機床零部件的本體振動，如主軸組件的彎曲振動、傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動、支承件的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動等；床身的一次水平彎曲振動，主振系統(tǒng)是床身，共振頻率為80140Hz，振動的特點是：各點的振動方向一致，同一橫截面上的上下各點的

49、振幅相差不大，越接近長度方向（z軸），中部振幅越大；床身的一次扭轉(zhuǎn)振動，共振頻率為30120Hz，其振動的特點是：兩端振動方向相反，振幅為兩端大中間??；床身二次水平彎曲振動，共振頻率為90150Hz。,提高支承件動剛度,各種振動對加工精度的影響并不相同。 對車床來講，整機搖晃振動引起刀具和工件的相對振動較小，只要刀架、溜板箱、主軸箱中沒有與整機搖晃振動相同固有頻率的零件，其危害就不大。 一次水平彎曲，引起工件與刀具之間的相對振動，該振動直接影響加工精度。 床身的扭轉(zhuǎn)振動，也在刀具和工件之間引起有害的振動，且影響是線性的，使加工件留下振紋。 扭轉(zhuǎn)振動和一次彎曲振動頻率低，易在主軸范圍內(nèi)多

50、刃切削時形成共振，危害較大。,提高支承件動剛度,,,主軸組件的動剛度為,將支承件振動系統(tǒng)的阻尼比(振動系統(tǒng)的阻尼由結(jié)合面的摩擦阻尼和材料的內(nèi)摩擦阻尼組成，通常結(jié)合面的阻尼占主要地位)取代主軸軸承的阻尼比，上式就成為支承件的動剛度；利用導數(shù)性質(zhì)，可求出動剛度相對于頻率比的極值，即共振時的動剛度,,提高支承件動剛度,,,共振時,為便于對機床支承件動剛度進行分析比較，一般以共振時的動剛度作為支承件的動剛度。,提高支承件動剛度,,,提高靜剛度和固有頻率 在不增加支承件質(zhì)量的前提下，合理地選擇支承件的截面形狀，合理地布置隔板和加強肋，是提高靜剛度和固有頻率的簡單而有效的方法。,提高支承件動剛度,,,,

51、,,,,增加阻尼 對于鑄鐵支承 件，可保留型芯， 采用封砂結(jié)構。普 通臥式車床床身可 采用雙壁支承導軌， 型芯安裝在鐵板上 （鐵板為床身外壁 的一部分）。該鐵 板固定在型腔中，并與床身外壁澆注在一起形成局部的封砂結(jié)構。,提高支承件動剛度,,,,,,提高支承件動剛度,,,,,提高支承件動剛度,提高支承件動剛度,增加結(jié)合面阻尼的焊接結(jié)構，它是通過預加載荷使焊接部位寬度為B的平面緊密接觸，振動時具有一定接觸應力的平面相對微小滑移，利用材料結(jié)合面的摩擦阻尼提高抗振性能。 焊接結(jié)構和鑄件，都可在空腔內(nèi)充注水泥或高阻尼材料，可進一步提高阻尼比。,提高支承件動剛度,支承件外表面可刷涂高阻尼材料如瀝青基膠

52、泥減振劑、高分子聚合物、機床膩子等。涂層厚度越大，阻尼越大。這是在不改變結(jié)構設計和剛度又提高阻尼的方法，阻尼比可達 。,可采用預應力鋼筋混凝土、樹脂混凝土等高阻尼材料作支承件；,提高支承件動剛度,導 軌 設 計,導軌的功用是支承并引導運動部件沿一定的軌跡運動。它承受其支承的運動部件和工件（或刀具）的質(zhì)量及切削力。 導軌按運動性質(zhì)可分為主運動導軌、進給運動導軌和移置導軌。 主運動導軌副之間相對運動速度較高，主要用于立車花盤，龍門銑刨床、普通刨插床以及拉床、插齒機等的主運動導軌；,導 軌 設 計,進給運動導軌副之間的相對運動速度較低，機床中大多數(shù)導軌屬于進給運動導軌。移置導軌的功能是調(diào)整部

53、件之間的相對位置，在機床工作中沒有相對運動，如臥式車床的尾座導軌等。 導軌按摩擦性質(zhì)可分為滑動導軌和滾動導軌。 滑動導軌又細分為靜壓滑動導軌、動壓滑動導軌和普通滑動導軌。,導 軌 設 計,靜壓導軌是液體摩擦，導軌副之間有一層壓力油膜，多用于高精度機床進給導軌。 動壓導軌也是液體摩擦，與靜壓導軌的區(qū)別僅在于油膜的形成不同，靜壓導軌靠液壓系統(tǒng)提供壓力油膜；動壓導軌利用滑移速度帶動潤滑油從大間隙處向狹窄處流動，形成動壓油膜；因而動壓導軌適用于運動速度較高的主運動導軌。,導 軌 設 計,普通滑動導軌為混合摩擦，導軌間有一定動壓效應，但由于速度較低，油楔不能隔開導軌面，導軌面仍處于直接接觸狀態(tài)。機

54、床中大多數(shù)導軌屬于混合摩擦。 滾動導軌在導軌面間裝有滾動元件（絕大多數(shù)為鋼球），因而是滾動摩擦，廣泛應用于數(shù)控機床和精密、高精度機床中。,按受力狀態(tài)可分 為開式導軌和閉式導 軌。開式導軌利用部 件質(zhì)量和載荷，使導 軌副在全長上始終保 持接觸；開式導軌不 能承受較大的傾覆力 矩，適用于大型機床的水平導軌。 當傾覆力矩較大時，為保持導軌副始終接觸，需增加輔助導軌副（由壓塊和床身導軌的下底面a組成），從而形成閉式導軌。,導 軌 設 計,,,,導 軌 設 計,導軌應滿足如下要求： 1.導向精度 導向精度主要是指導軌副相對運動時的直線度（直線運動導軌）或圓度（圓周運動導軌）。影響導向精度的因素很

55、多，如導軌的幾何精度和接觸精度，導軌的結(jié)構形式和裝配精度，導軌和支承件的剛度和熱變形等； 對于動壓導軌和靜壓導軌，還與油膜剛度有關。,導 軌 設 計,2精度保持性 精度保持性是導軌設計制造的關鍵，也是衡量機床優(yōu)劣的重要指標之一。 影響精度保持性的主要因素是磨損，即導軌的耐磨性。 常見的磨損形式有：磨料（或磨粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和疲勞磨損。,導 軌 設 計,磨料磨損常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)，磨粒夾在導軌面間隨之相對運動，形成對導軌表面的“切削”，使導軌面劃傷。 磨料的來源是潤滑油中的雜質(zhì)和切屑微粒。磨料的硬度越高，相對運動速度越高，壓強越大，對導軌副的危害就越大。 磨料磨

56、損是不可避免的，因而減少磨料磨損是導軌保護的重點。,導 軌 設 計,粘著磨損又稱為分子機械磨損。在載荷作用下，實際接觸點上的接觸應力很大，以致產(chǎn)生塑性變形，形成小平面接觸，在沒有油膜的情況下，裸露的金屬材料分子之間的相互吸引和滲透，將使接觸面形成粘結(jié)而發(fā)生咬焊。當存在薄而不勻的油膜時，導軌副相對運動，油膜就會被壓碎破裂，造成新生表面直接接觸，產(chǎn)生咬焊粘著。導軌副的相對運動使摩擦面形成粘結(jié)咬焊、撕脫、再粘著的循環(huán)過程。,導 軌 設 計,粘著磨損與潤滑狀態(tài)有關，干摩擦和半干摩擦狀態(tài)時，極易產(chǎn)生粘著磨損。 機床導軌應避免粘著磨損。 接觸疲勞磨損發(fā)生在滾動導軌中。滾動導軌在反復接觸應力的作用下，材

57、料表層疲勞，產(chǎn)生點蝕。 同樣接觸疲勞磨損也是不可避免的，它是滾動導軌、滾珠絲杠的主要失效形式。,導 軌 設 計,3剛度 導軌承載后的變形，影響部件之間的相對位置和導向精度。因此要求導軌應具有足夠的剛度。 導軌的變形包括接觸變形、扭轉(zhuǎn)變形以及由于導軌支承件變形而引起的導軌變形。 導軌的變形主要取決于導軌的形狀、尺寸及與支承件的連接方式、受載情況等。,導 軌 設 計,4低速運動平穩(wěn)性 當進給傳動系統(tǒng)低速轉(zhuǎn)動或間歇微量進給時，應保證導軌運行平穩(wěn)、進給量準確，不產(chǎn)生爬行（時快時慢或時走時停）現(xiàn)象。 低速運動平穩(wěn)性與導軌的材料及結(jié)構尺寸、潤滑狀況、動靜摩擦因數(shù)之差、導軌運動的傳動系統(tǒng)剛度有關

58、。 低速運動平穩(wěn)性對高精度機床尤為重要。 5結(jié)構簡單、工藝性好。,滑動導軌結(jié)構設計,導向是導軌的主要功能， 要使動導軌嚴格按規(guī)定的軌 跡運動，須限定除運動軌跡 外的五個自由度。支承導軌 制造或安裝在床身、立柱、橫梁、搖臂等支承件上，導軌的摩擦面寬度遠小于運動長度，因而導軌可視為窄定位板，只能限制兩個自由度；在一個坐標面中的兩條窄支承平面a、b形成一個定位平面，可限制三個自由度；要準確導向，需增加另一坐標面上的窄支承平面c，以限制兩個自由度。從而形成最基本的雙矩形導軌。,滑動導軌結(jié)構設計,矩形導軌廣泛用于普通精度機床和中型機床中，如中型車床、組合機床、升降臺銑床，數(shù)控機床等。 為使面定位可靠

59、，保證導向精度，應用鑲條調(diào)整面與動導軌結(jié)合面之間的間隙。,滑動導軌結(jié)構設計,,,,,三角形和矩形導軌的組合兼有導向性好、制造方便和剛度高的優(yōu)點，廣泛用于車床、磨床、龍門銑、龍門刨、滾齒機、坐標鏜床等機床的床身導軌。,當減小角度 的值時，三角形導軌的導向性能提高而承載能力和剛度下降；增加角度 的值時，則相反。因此，一般機床的三角形導軌的角度 常取90 ，重型機床 90，精密機床和滾齒機 90。,滑動導軌結(jié)構設計,三角形、矩形導軌的組合 a) 凸三角形、矩形導軌的組合 b） 凹三角形導軌的組合,滑動導軌結(jié)構設計,燕尾導軌與矩形導軌的組合具有調(diào)整方便、承受力矩大的特點。多用于橫梁、立柱、搖臂的導軌副

60、。 雙燕尾形導軌（通常簡稱為燕尾導軌），是沒用輔助導軌副的閉式導軌。燕尾導軌高度小，可承受傾覆力矩。必須用鑲條調(diào)整摩擦面的間隙。,滑動導軌結(jié)構設計,滑動導軌結(jié)構設計,滑動導軌結(jié)構設計,,,,提高滑動導軌耐磨性的措施,1選用合適的材料 鑄鐵 鑄鐵是一種成本低、有良好減振性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的材料。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、孕育鑄鐵、耐磨鑄鐵等。 需手工刮削、且與支承件做成一體的導軌，一般采用HT200，在潤滑與防護較好的條件下有一定的耐磨性。 對耐磨性能要求高、精加工方式為磨削、且與床身做成一體的導軌，一般采用孕育鑄鐵HT300。,提高滑動導軌耐磨性的措施,所謂孕育鑄鐵，是在鐵水中加

61、入少量孕育劑如硅、錳、鋁、稀土等，使鑄鐵獲得均勻的珠光體和細片狀石墨的金相組織，從而提高強度和硬度。 HT300孕育鑄鐵在機床上應用很廣，如在臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床、升降臺銑床及磨床等機床上都獲得廣泛應用。 為提高耐磨性能，可進行電接觸淬火或高頻淬火。,提高滑動導軌耐磨性的措施,電接觸表面淬火，表層大部分為細小馬氏體組織，淬硬層0.20.25mm，表層硬度可達50HRC以上，耐磨性可提高12倍，基本上避免了鑄鐵導軌的粘著磨損； 硬度不低于180HBW的導軌可進行高頻淬火，淬火后硬度為4853HRC，淬火深度1.22.5mm，淬硬層組織主要為細小馬氏體，高頻淬火可使耐磨性提高2倍以上。,提高滑

62、動導軌耐磨性的措施,機床導軌專用耐磨鑄鐵是在相應牌號的灰鑄鐵中添加磷、銅、鈦、鉬、釩等細化晶粒的元素，從而提高了耐磨性。 普通機床（如車床、磨床等）床身、溜板、工作臺等支承件及其導軌，可采用高磷耐磨鑄鐵MTP30（含磷量0.4%0.65%），耐磨性比HT300提高1倍以上，目前應用日趨廣泛。 釩鈦耐磨鑄鐵適用于制造各類中小型機床的導軌鑄件，它的力學性能好，優(yōu)于高磷耐磨鑄鐵，熔鑄工藝簡單，耐磨性比孕育鑄鐵HT300提高1.52倍。,提高滑動導軌耐磨性的措施,精密機床（如坐標鏜床、螺紋磨床等）的床身、立柱、工作臺等支承件及其導軌，采用磷銅鈦耐磨鑄鐵MTPCuTi20、MTPCuTi25、 MT

63、PCuTi30，容易保證鑄件質(zhì)量，耐磨性比HT300提高1.52倍。 中小型精密機床、儀表機床的床身等支承件及其導軌，也可采用鉻鉬銅耐磨鑄鐵MTCrMoCu25、MTCrMoCu30、MTCrMoCu35，耐磨性比HT300高2倍以上。 耐磨鑄鐵成本較高，為保證導軌耐磨性，支承件采用灰鑄鐵HT150，耐磨鑄鐵導軌鑲裝于支承件上。,提高滑動導軌耐磨性的措施,鋼 淬硬的鋼導軌與鑄鐵組成的導軌副能夠防止粘著磨損，抗磨粒磨損的性能比不淬硬的鑄鐵導軌副高510倍，隨合金成分和硬度的增加而提高。 鑲鋼導軌材料有合金工具鋼或軸承鋼（如9Mn2V GCr15等）、淬火鋼（如45、T8A等）、滲碳鋼或氮

64、化鋼（如20CrMnTi或38CrMoAlA）。 鑲鋼導軌須分段制作，拼裝、樹脂粘接，并用螺栓固定在支承件上。 國內(nèi)有的數(shù)控機床和加工中心采用鑲鋼導軌。,提高滑動導軌耐磨性的措施,塑料 鑲裝導軌所用的塑料，主要是聚四氟乙烯 （“塑料王”），與鑄鐵摩擦時摩擦因數(shù)為0.030.05，且動、靜摩擦因數(shù)相差很小，具有良好的防止爬行的性能； 能夠在-250260穩(wěn)定工作，且摩擦因數(shù)在工作溫度范圍內(nèi)幾乎保持不變； 強酸、強堿及各種氧化劑對它毫無作用，甚至沸騰的“王水”也不能使它產(chǎn)生任何化學反應； 化學穩(wěn)定性極好，超過玻璃、陶瓷、不銹鋼、金。,提高滑動導軌耐磨性的措施,提高滑動導軌耐磨性的措施,

65、,,,,提高滑動導軌耐磨性的措施,環(huán)氧型耐磨涂層導軌也是常用的一種塑料導軌。環(huán)氧型耐磨涂層是以經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂為基體，加入固體潤滑材料、增強材料等添加劑混合而成。,提高滑動導軌耐磨性的措施,導軌副材料的選用原則：為提高導軌副的耐磨性，防止粘著磨損，導軌副應采用不同的材料制造；如果采用相同的材料，也應用不同的熱處理方式使雙方具有不同的硬度。長導軌應采用較耐磨的和硬度較高的材料制造。 普通機床的動導軌多用聚四氟乙烯導軌軟帶，支承導軌采用淬硬的孕育鑄鐵。 精密機床、高精度機床，導軌面需刮削，可采用耐磨鑄鐵導軌副，但動導軌的硬度應比支承導軌的硬度低1545HBW。,提高滑動導軌耐磨性的措施,2

66、導軌面的精加工方法及其精度 提高導軌的表面精度，增加真實的接觸面積，能提高導軌的耐磨性。導軌表面一般要求0.8m。 精刨導軌時刨刀沿一個方向切削，使導軌表面疏松，易引起粘著磨損，所以導軌的精加工盡量不用精刨。 磨削導軌能將導軌表層疏松組織磨去，提高耐磨性，可用于導軌淬火后的精加工。,提高滑動導軌耐磨性的措施,刮削導軌表面接觸均勻，不易產(chǎn)生粘著磨損，不接觸的表面可儲存潤滑油，提高耐磨性；但刮削工作量大。因此，長導軌面一般采用精磨；短導軌面和動導軌面可采用刮削。 精密機床（如坐標鏜床、導軌磨床）導軌副，導軌表面質(zhì)量要求高，可在磨削后刮研。,3導軌的許用壓強對導軌耐磨性的影響 導軌的壓強是影響導軌耐磨性的主要因素之一。導軌的許用壓強選取過大，會導致導軌磨損加快；若選取過小，又會增加導軌尺寸。,提高滑動導軌耐磨性的措施,動導軌材料為鑄鐵、支承導軌材料為鑄鐵或鋼時，中型通用機床，主運動導軌和滑動速度較大的進給運動導軌，平均許用壓強為0.40.5 ，最大許用壓強為0.81.0 ；滑動速度較低的進給運動導軌，平均許用壓強為1.21.5 ，最大許用壓強為2.53.0 。,提高滑動導軌