【文章內(nèi)容簡介】 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(jī)床的變形對加工精度的影響會更為嚴(yán)重。為了保證數(shù)控機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更高的靜剛度，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機(jī)床高 50 ％。 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(jī)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 ： 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 ； 封閉截面的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不封閉截面的剛度 ； 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 ； 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 。 11 圖 21 所示為 日本 森精機(jī) 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。 12 圖 22 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 。 13 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 ： 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 ； 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 22 不同筋板布置時立柱的靜剛度對比 14 圖 23 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(jìn)一步提高抗彎、抗扭剛度 ， 內(nèi)部采用了斜方雙層壁 （ 相當(dāng)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 23 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(jī) 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(qiáng)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 24 三井精機(jī) HS 6A 型加工中心的床身結(jié)構(gòu) 15 采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善機(jī)床的受力狀態(tài)，提高機(jī)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(jī)床的受力狀態(tài)，減小變形，則能達(dá)到提高剛度的目的。以機(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)布局，可以顯著地改善機(jī)床的受力狀況，提高機(jī)床的剛度。 圖 25 所示為傳統(tǒng)的車床床身布局 （ 見圖 25（ a）） 與數(shù)控車 床床身布局 （ 見圖 25（ b）） 的受力狀況的分析比較。 圖 25 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 ： （ 21） 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 ： （ 22） 比較式 （ 21） 和式 （ 22） 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用水平布局的傳統(tǒng)車床床身的要小，因而機(jī)床的剛度得到了提高。 16 圖 26 所示為傳統(tǒng)的臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)布局和臥式加工中心 （ 臥式自動換刀數(shù)控鏜銑床 ） 的結(jié) 構(gòu)布局的比較。 傳統(tǒng)的臥式鏜銑床由于主軸箱單面懸掛在立柱側(cè)面，主軸箱自重將使立柱承受彎矩 ，切削力將使立柱承受扭矩 M2，而加工中心的布局使主軸箱的主軸中心位于立柱的對稱面內(nèi)，立柱則不再承受由主軸箱自重產(chǎn)生的彎矩和由切削力產(chǎn)生的扭矩，從而改善了立柱的受力狀況，減小了立柱的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，提高了剛度 。 圖 26 臥式鏜銑床與臥式加工中心的結(jié)構(gòu)布局比較 補償有關(guān)零、部件的靜力變形 在外力的作用下，機(jī)床的變形是不可避免的，如果能采取 措施 使變形對加工精度的影響減小，其結(jié)果相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。依照這一思路，產(chǎn)生了許多補償有關(guān)零、部件的靜力變形的方法，這種方法普遍用于補償因自重而引 起的靜力變形。 如圖 27 所示的大型龍門銑床，當(dāng)主軸部件移到橫梁中部時，橫梁的彎曲變形 （ 下凹 ） 最大。為此可將橫梁導(dǎo)軌加工成中部凸起的拋物線形，或者通過在橫梁內(nèi)部安裝輔助梁和預(yù)校正螺釘將主導(dǎo)軌預(yù)調(diào)校正為中凸拋物線形，這樣可以補償主軸箱移動到橫梁中部時引起的彎曲變形 （ 圖 27（ a）） 。 為補償主軸箱自重的影響，也可以用加平衡重塊或其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于橫梁上的自重，從而減小橫梁因主軸箱自重引起的彎曲變形 （ 圖 27（ b）） 。 提高機(jī)床各部件的 接觸剛度 在機(jī)床各部件的固定連接面和運動副的結(jié)合面之間，總會存在宏觀和微觀不平，兩個面之間真正接觸的只是一些高點，實際接觸面積小于兩接觸表面的面積 （ 名義接觸面積 ） ，因此，在承載時，作用于這些接觸點的壓強(qiáng)要比平均壓強(qiáng)大得多，從而產(chǎn)生接觸變形。平均壓強(qiáng) p 與變形 δ 之比稱為接觸剛度 ， 17 即 （ 23） 由于機(jī)床總有為數(shù)較多的靜、動連接面，如果不注意提高接觸剛度，各連接面的接觸變形就會大大降低機(jī)床的整體剛度，對加工精度產(chǎn)生非常不利的影響。 圖 27 橫梁彎曲變形補償 影響接觸剛度的根本 因素 是實際接觸面積的大小，任何增大實際接觸面積的方法都能有效地提高接觸剛度。如機(jī)床的導(dǎo)軌常采用人工鏟刮 工藝 作為最終的精加工工序，通過刮 研 ，可以增加單位面積上的接觸點，并使接觸點分布均勻，從而增加 導(dǎo)軌副結(jié)合面的實際接觸面積，提高接觸剛度。又如采用 滾動軸承 作為支承的主軸部件，都要設(shè)計預(yù) 緊結(jié)構(gòu)調(diào)整軸承間隙，使軸承在有預(yù)加載荷的條件下運轉(zhuǎn)，以提高主軸的支承剛度。預(yù)加載荷增大了實際接觸點的面積， 從而達(dá)到提高接觸剛度的目的。采用 螺紋 緊固的固定連接面，合理布置一定數(shù)量的螺栓，并對螺栓的擰緊力矩提出嚴(yán)格要求以保證適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，也是為提高接觸剛度而常采用的措施。 18 采用鋼板 焊接 結(jié)構(gòu) 長期以來，機(jī)床基礎(chǔ)件主要采用 鑄鐵 件。近年來，以鋼板焊接結(jié)構(gòu)代替鑄鐵件的 趨勢 不斷擴(kuò)大，從開始在單件和小批量的重型和超重型機(jī)床上的應(yīng)用，逐步發(fā)展到有一定批量的中型機(jī)床。 表 23 列出了 StarTurn1200 型數(shù)控車床焊接床身和 鑄造 床身的剛度的對比結(jié)果。從結(jié)果看，焊接床身的剛度高于鑄造床身 。這是因為兩種床身的筋板布置不同，鋼板焊接結(jié)構(gòu)容易采第五章數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動用最有利于提高剛度的筋板布置形式，能充分發(fā)揮壁板和筋板的承載及抵抗變形的作用；焊接結(jié)構(gòu)還無需鑄造結(jié)構(gòu)所需的出砂口，有可能將基礎(chǔ)件做成完全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。另外，鋼板的彈性摸量 E 為 MPa ，而鑄鐵的彈性模量 E 僅 MPa ，兩者幾乎相差一倍， E= ζ / ε ，在應(yīng)力 σ 相同時， E 大則產(chǎn)生的應(yīng)變 ε 小， E 的大小反映了材料抵抗彈性變形的能力。因此，在結(jié)構(gòu)相同時， E 值大的材料剛度則高。 表 23 焊接床身與鑄造床身的剛度對 比 床身結(jié)構(gòu) Py/y Px/x 焊接床身 3156N/μm 1891N/μm 鑄造 床身 1881N/μm 1372N/μm 機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性 機(jī)床的振動會在被加工工件表面留下振紋，影響工件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時則使加工過程難以進(jìn)行下去。機(jī)床加工時可能產(chǎn)生兩種形式的振動：強(qiáng)迫振動和自激振動。機(jī)床的抗振性指的是抵抗這兩種振動的能力。 強(qiáng)迫振動是在各種動態(tài)力 （ 如高速回轉(zhuǎn)零件的不平衡力、往復(fù)運動件的換向沖擊力、周期變化的切削力等 ） 作用下被迫產(chǎn)生的振動。如果動態(tài)力的頻率與機(jī)床某部件的固有頻率重合，則將發(fā)生共振。機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)迫振動的能力可以用動剛度大小來表示。 自激振動是在投有外加動態(tài)力的情況下，由切削過程自身所激發(fā)的振動。自激振動的頻率接近或略高于機(jī)床主振型的低階固有頻率，振幅較大，對加工過程產(chǎn)生極為不利的影響。當(dāng)機(jī)床的剛度、刀具切削角度、工件與刀具材料、切削速度和進(jìn)給量都一定時，影響自激振動的主要因素就是切削寬度 b ，因此，可以把不產(chǎn)生自激振動的最大切削寬度，稱為臨界切削寬度 ，作為判斷機(jī)床切削穩(wěn)定性 （ 抵抗自激振動的能力 ） 的指標(biāo)。 高速切削是產(chǎn)生動態(tài)力的直接因素，強(qiáng)力切削也意味著切削寬度大。數(shù)控機(jī)床在追求高速度、高切削效率的同時，也埋下了容易產(chǎn)生受迫振動和自激振動的 19 根源。切削過程的自動化又使得振動難以由人工來控制和消除，數(shù)控機(jī)床只有靠自身機(jī)床結(jié)構(gòu)的高抗振性來減小和克服振動對加工精度、加工過程的影響。 提高機(jī)床的抗振性，可以從提高靜剛度、固有頻率和增加阻尼幾個方面著手。提高靜剛度的措施已在前面有詳細(xì)的介紹。因為固有頻率 （ 其中， K 為靜剛度， m 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量 ） ，所以在提高靜剛度時，能相對減小結(jié)構(gòu)件的重量，即提高單位重量的剛度，則能提高固有頻率。前面介紹的合理布置筋板，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等提高靜剛度的措施，同樣能達(dá)到提高固有頻率的目的。下面將主要介紹數(shù)控機(jī)床在增加阻尼方面采取的措施。 基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料 圖 28 兩種車床床身的動態(tài)特性比較 在基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土，振動時可利用相對摩擦來耗散振動能量，從而提高結(jié)構(gòu)的阻尼特性。圖 28 所示為兩種車床床身結(jié)構(gòu)及動態(tài)特性的對比，充填泥芯的床身阻尼顯著增加。圖 29 所示為 DNE 480L 型數(shù)控車床的底座和床身結(jié)構(gòu)，底座內(nèi)所充填的混凝土的內(nèi)摩擦 阻尼較高，再配以封砂的床身，使機(jī)床有較高的抗振性。 20 表面采用阻尼涂層 對于彎曲振動結(jié)構(gòu)件，在其表面噴涂一層具有較高內(nèi)阻尼和較高彈性的粘滯材料 （ 如瀝青基制成的膠泥減振劑、高分子聚合物和油漆膩子等 ） ，涂層厚度愈大，阻尼愈大。采用阻尼涂層，既可不改變原設(shè)計的結(jié)構(gòu)和剛度，又能獲得較高的阻尼比，其阻尼比 ξ 值可達(dá) ~ 。這種措施常用于鋼板焊接的結(jié)構(gòu)。 采用新材料制造基礎(chǔ)件 最近 10 年來，德國和瑞士在應(yīng)用聚合物混凝土制造基礎(chǔ)件的研究中 取得了進(jìn)展。德國布格哈特 —韋貝爾 （ BURKHARUTamp。WEBER） 公司為 HYOP80 NC W 型加工中心制成了丙烯酸樹脂混凝土床身，其動剛度比鑄鐵件的高 6 倍。瑞士的精密磨床生產(chǎn) 廠家斯 圖德 （ STUDER） 公司制成了 S40 和 S50 系列數(shù)控外圓磨床的樹脂混凝土床身，具有剛度高、 抗振性好 、耐化學(xué)腐蝕和耐熱的特點。 充分利用接合面間的阻尼 在焊接結(jié)構(gòu)上，壁板和 筋板 之間采用間斷焊接 （ 即焊一段，空一段，再焊一段 ） ，空的那一段振動時互相摩擦，可消耗 振動能量，從而獲得良好的阻尼特性。 機(jī)床的熱變形 熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。機(jī)床在工作時，有許多部件和部位會產(chǎn)生大量熱量，如電機(jī)、滾動軸承、切屑及刀具與工件的切削部位、液壓 21 系統(tǒng)等。這些產(chǎn)生熱量的部件和部位稱為熱源。熱源產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)、對流、輻射傳遞給機(jī)床的各個部件，引起溫升，產(chǎn)生熱膨脹。由于熱源分布不均勻，各熱源產(chǎn)生的熱量不等，零部件各處質(zhì)量不均勻，形成機(jī)床各部位溫升不一致，從而產(chǎn)生不均勻的溫度場和不均勻的熱膨脹變形，以致破壞刀具與工件的正確相對位置，影響加工精度。 數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn) 給速度 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)床，并且大切削用量產(chǎn)生的熾熱切屑也多，故發(fā)熱遠(yuǎn)較傳統(tǒng)機(jī)床嚴(yán)重，而熱變形對加工精度的影響往往難以由操作者修正，因此對如何減小機(jī)床的熱變形應(yīng)予以特別重視。 改進(jìn)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計 采用熱對稱結(jié)構(gòu) 。 這種結(jié)構(gòu)相對熱源是對稱的。這樣在產(chǎn)生熱變形時，可保證工件或刀具回轉(zhuǎn)中心對稱線的位置不變，從而減小熱變形對加工精度的影響。最典型的實例是許多臥式加工中心所采用的框式雙立柱結(jié)構(gòu)，主軸箱嵌入框式立柱內(nèi) （ 見圖 29） ，且以立柱左、右導(dǎo)軌兩內(nèi) 側(cè)定位，在熱變形時，主軸中心在水平方向的位置保持