數(shù)控車床機械部分分析(已修改)
2025-06-29 07:14 本頁面
【正文】 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)分析：數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化加工設(shè)備。盡管數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，但仍然為機械制造廠家所普遍采用并取得很好的經(jīng)濟效益，其原因在于數(shù)控機床能自動化地，高精度、高質(zhì)量、高效率地解決中、小批量的加工問題。數(shù)控技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展及在機床上的應(yīng)用，為數(shù)控機床的自動化、高精度、高效率提供了可能性，但要將可能性變成現(xiàn)實，則必須要求數(shù)控機床的機械結(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、低速運動的平穩(wěn)性及運動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度等。 一、提高機床結(jié)構(gòu)的靜剛度 機床結(jié)構(gòu)的靜剛度是指在切削力和其他力的作用下，機床抵抗變形的能力。 機床在加工過程中，受多種外力的作用，包括運動部件和工件的自重、切削力、驅(qū)動力、加減速時的慣性力、摩擦阻力等。機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，固定連接面和運動嚙合面的接觸變形等。這些變形都會直接或間接地引起刀具與工件之間產(chǎn)生相對位移，破壞刀具和工件原來所占有的正確位置，從而影響機床的加工精度和切削過程的特性，所以，提高機床的靜剛度是機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的普遍要求。數(shù)控機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載更加惡劣，而且加工過程的自動化也使得加工誤差無法由人工干預(yù)來修正和補償，所以，數(shù)控機床的變形對加工精度的影響會更為嚴重。為了保證數(shù)控機床在自動化、高效率的切削條件下獲得穩(wěn)定的高精度，其機械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更高的靜剛度，有標準規(guī)定數(shù)控機床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機床高 50 ％。 1 ．合理設(shè)計基礎(chǔ)件的截面形狀和尺寸，采用合理的筋板結(jié)構(gòu) 機床在外力的作用下， 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 51 列出了在截面 積相同 （ 即重量相同 ） 時，不同截面形狀和尺寸的慣性矩。由表中數(shù)據(jù)可知：A在形狀和截面積相同時，減小壁厚，加大截面輪廓尺寸，可大大增加剛度；B封閉截面的剛度遠遠高于不封閉截面的剛度；C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；D矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度。因此，通過合理設(shè)計截面形狀和尺寸，可大大提高基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)靜剛度。 圖51 所示為 日本森精機 SL 系列數(shù)控車床的床身截面，床身導(dǎo)軌傾斜布置，改善了排屑條件，同時截面形狀采用封閉式箱體結(jié)構(gòu)，從而加大了床身截面的外輪廓尺寸，使該床身具有很高的抗彎、抗扭剛度。這種傾斜布置的結(jié)構(gòu)為數(shù)控車床所普遍采用。圖52 所示為臥式加工中心普遍采用的框式立柱結(jié)構(gòu)。從正面看，立柱截面成封閉框形，輪廓尺寸大，從而保證以高扭轉(zhuǎn)剛度承受切削扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷。從俯視截面看，兩個立柱截面形狀為矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用產(chǎn)生大的彎曲載荷的方向。因而這種結(jié)構(gòu)具有很高的剛度。合理布置基礎(chǔ)件的筋板可以提高靜剛度，表52 給出了立柱的幾種不同筋板布置時的相對靜剛度。從表中可知：A縱向筋板能提高立柱的抗彎和抗扭剛度，提高抗扭剛度效果更為顯著；B對角線斜置筋板和對角線交叉筋板對提高立柱的剛度更為有效。表52 不同筋板布置時立柱的靜剛度對比 圖53 所示為兩種立式加工中心立柱的橫截面圖。由于該立柱承受彎扭組合載荷，故截面采用接近正方形的封閉外形，為了進一步提高抗彎、抗扭剛度，內(nèi)部采用了斜方雙層壁（ 相當于斜縱向筋板） 和對角線交叉筋板。所以，這兩種立柱都有很高的抗彎、抗扭剛度。（a）XK716 型立式加工中心； （b）STAMA MCll8 型立式加工中心圖53 立柱橫截面 合理布置筋板還可提高基礎(chǔ)件的局部剛度，圖54 所示為日本三井精機 HS 6A 型超精密重切削臥式加工中心采用的床身結(jié)構(gòu)。該床身為整體式結(jié)構(gòu)，截面為封閉箱形結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)剛度很高。為了加強導(dǎo)軌連接的局部剛度，采用兩條成 Y 形的斜筋支撐導(dǎo)軌。圖54 三井精機HS 6A 型加工中心的床身結(jié)構(gòu)2 ．采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善機床的受力狀態(tài)，提高機床的靜剛度 在切削力、自重等外力相同的情況下，如果能改善機床的受力狀態(tài)，減小變形，則能達到提高剛度的目的。以機床主軸為例，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。 采用合理的機床結(jié)構(gòu)布局，可以顯著地改善機床的受力狀況，提高機床的剛度。 圖55 所示為傳統(tǒng)的車床床身布局 （ 見圖55（a）） 與數(shù)控車床床身布局 （ 見圖55（b）） 的受力狀況的分析比較。圖55 車床床身布局設(shè)床身截面積和慣性矩及其所受切削力 P 相等，對傳統(tǒng)車床，床身水平布局，床身所受扭矩為 ： （51）對數(shù)控車床，床身傾斜布局，設(shè)傾角為 β ，床身所受扭矩為 ： （52） 比較式 （51） 和式 （52） 可看出，采用傾斜布局的數(shù)控車床床身所承受的扭矩要比采
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