机械制造装备设计3机床主要部件设计课件

1、2022年7月28日机械制造装备设计 模块三 机床主要部件的结构设计 模块三 机床主要部件设计知识目标 掌握主轴部件的设计及支承件、导轨的结构设计。技能目标 知道主部件的组成形式，主轴组件设计原理及支承件、导轨件的结构性分析教学重点 主部件的组成形式，主轴组件设计原理 ，导轨的结构设计。教学难点 主轴组件设计原理教学方案（情景） 多媒体教学，案例教学以及视频 选用工程应用案例 CA6140型普通车床主轴。建议学时 6-8学时 组成机床的部件很多，本模块仅就其比较重要的部件如主轴部件、支承部件和导轨等的结构、作用及设计的敏感性问题进行介绍。项目一 主轴部件的设计主轴组件包括 主轴、支承轴承、传动

2、件、定位元件、密封件。功用 支承并带动工件或刀具旋转进行切削；承受切削力和驱动力，完成表面成形运动。 任务一 主轴部件的性能要求及传动方式 基 本 要 求 旋转精度 刚度 抗振性 温升和热变性 精度保持性.旋转精度 旋转精度 指主轴装配后，在空载、低速转动状态下，安装刀具或工件的主轴部位的径向跳动和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔的制造、装配和调整精度。 主轴组件的旋转精度直接影响工件的加工精度。 刚度 指主轴组件在外载荷作用下抵抗变形的能力。 2.刚度 刚度的量化 以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向所施加的作用力大小来表示。 当主轴外伸端受径向作用力F，主轴受力方向上的

3、弹性位移为时，其刚度K 的表达式为 主轴主件的刚度不足直接影响零件的加工精度和机床的性能 （2）动刚度 主轴组件在交变载荷作用下抵抗变形的能力，表示为 Kd =Fd /d 。 （1）静刚度 主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力，表示为 Kj =Fj /j 。 主轴组件的刚度受主轴的尺寸和形状，滚动轴承的类型、数量、预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴组件的制造精度和装配质量等因素影响。 在切削过程中，主轴部件受到静态力的作用，也受到冲击力和交变力的作用而产生振动。冲击力和交变力是由材料硬度不均匀、加工余量的变化、断续切削、主轴部件不平衡、轴承或齿轮存在缺陷以及切削过程中的颤振等引起。 抗振性

4、 是指机床在额定载荷切削时，主轴组件抵抗受迫振动和自激振动的能力。 3.抗振性 主轴振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿命，并产生噪声。 热变形 是主轴组件运动时，各相对运动处的摩擦，切削区的切削热等使主轴组件的温度升高，造成形状、尺寸及位置变化。 4.温升和热变形 热变形会引起轴承间隙变化，润滑油粘度降低，影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。 精度保持性影响机床使用寿命内的加工精度和工作稳定性。 精度保持性 指主轴组件长期保持其原始制造精度的能力。 5.精度保持性 精度保持性决定于主轴组件的耐磨性能。影响耐磨性的因素有主轴、轴承的材料、热处理方法、轴承类型及润滑防护措施等。 明确：

5、 主轴组件丧失原始制造精度的原因磨损。如主轴轴承、主轴轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损。 1. 传动方式 （1）齿轮传动 轮齿的啮合传动，结构简单、紧凑；能传递较大的扭矩，适应变转速、变载荷工作。 不足：线速度需1.3 设计要点：在满足刚度的前提下，尽量减小支承件的质量 m，提高固有频率o。 2.良好的动态特性 支承件有较高静刚度、固有频率、还应有 较大阻尼，薄壁面积应小于400mm400mm，避免薄壁振动。 3.结构合理 通过失效处理，能充分消除内应力，形状稳定。 4.排屑畅通，工艺性好，成本低，吊运安装方便。 机床支承件要承受切削力、零部件重量、传动力等载荷。 支承件所承受的载荷不

6、同，设计时分析其受力方式不同。 1.中小型机床 支承件受力分析以切削力为主。 2.精密和高精度机床 支承部件载荷以移动部件的质量和热应力为主。如：双柱立式坐标镗床的横梁，受力分析考虑主轴箱位于横梁中部时，横梁的弯曲和扭转变形。 3.大型机床 支承件受力分析应考虑工件重力，移动部件重力和切削力等。一、支承件的受力分析方式任务二 支承件的结构设计 二、支承件的截面形状设计原则 支承件变形主要是弯扭变形。且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。设计原则： 截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大，满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。 承受一个方向弯矩的支承件，当高度方向为受弯

7、方向时，截面形状应为矩形。 承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。 承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。 不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度，尽量将支承件制成封闭形状。 截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。 三、提高支承件静刚度的措施 从抗弯刚度、铸造工艺、支承件功用综合考虑，支承件截面不能完全封闭，存在刚度损失。 导轨与床身的过渡连接处存在局部刚度损失。 箱体轴承孔处存在刚度损失。 为什么要进行刚度补偿？ 纵向隔板应布置在弯曲平面内，即隔板的高度方向与作用力F 的方向一致，如图。纵向隔板能提高抗弯刚度。 1.隔板和加强肋 （1）隔板（肋板）是连接外壁间的内壁。作用是将局部载荷传递给

8、其它壁板，使整个支承件较均匀地承受载荷。 纵向隔板 无横向隔板时，相对抗扭刚度很低；增加一个端面横向隔板时，抗扭刚度成倍增加，均匀布置三个横向隔板后，抗扭刚度又成倍增加。 支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。 斜板是多个横隔板和纵隔板组合形成。支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度。 斜向隔板 横向隔板 （2）加强肋（肋条） 配置在外壁内侧或内壁上，其作用是加强局部刚度和减少薄壁振动。 注意：肋条高应约为支承件壁厚的5倍。 图a，用加强肋 提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度。 图b，用加强肋 提高箱体轴承孔处的局部刚度。 图 c、d、e 为工作台等板形支承件的加强肋。提高抗弯刚度，避免薄壁振动。

9、 2.支承件开孔后的刚度补偿 立柱或横梁中为安装机件或工艺需要，需要开孔，从而造成抗扭、抗弯刚度的损失。 （1）在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上。 （2）也可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板。刚度补偿方法： 3.提高接触刚度 相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研，以增加接触面积。 紧固螺栓应使结合面有2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大结合面积。 结合面承受弯矩时，应使较多的紧固螺栓布置在受拉面，承受拉应力。 结合面承受转矩时，螺栓远离扭转中心，均匀分布在四周。第二节 支承件设计 五、支承件的材料 灰口铸铁的铸造、切削性能好，易得到复杂形状；阻尼大，有良好

10、的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。 （1）机床支承件常采用铸铁 1.铸铁 是加入少量的铬、硅、稀土等合金元素的灰口铸铁。（2）支承铸件消除应力的方式 铸件壁厚不均匀，铸造冷却中产生铸造应力，铸造后应进行自然失效处理。 精密机床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除铸造应力。 床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。 2.钢材 特点及应用 不用铸模，制作周期短。 钢件抗弯刚度大于铸铁件。 满足刚度要求时，钢件比铸件壁厚薄一半，重量减轻20%30%。但阻尼为铸件的1/3，抗振性能差。 适合于生产数量少，品种多的大型床身的制造。 常用Q235-A，20钢的钢板和型钢焊接成支

11、承件。 3.树脂混凝土 阻尼比是灰口铸铁的810倍，抗振性好。 耐腐蚀性好。与金属粘接力强，可按结构要求，预埋金属件，减少金属加工量。 浇注的床身静刚度比铸铁高16%40%。 可增加钢筋或加强纤维，提高抗拉强度。 树脂混凝土即人造花岗岩，是制造床身的新型材料。 钢板焊成框架，充入树脂混凝土，适合构成大、中型机床结构简单的支承件。特点及应用第二节结束 移置导轨 可调整部件之间的相对位置，在机床中没有相对运动。如：卧式车床的尾座导轨。项目三 导轨的设计任务一 导轨的性能要求及分类 1.功用：承受载荷和导向。承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，引导运动部件沿一定的轨迹运动。 主运动导轨

12、用于刨床、拉床、插齿机的主运动导轨。 进给运动导轨 用于机床的进给系统中。（1）按运动性质分为 2.分类及应用 （2）按摩擦性质分为 滑动导轨、滚动导轨。 静压滑动导轨 液体摩擦，导轨间有压力油膜层，靠液压系统提供压力油膜。用于高精度机床进给导轨。 动压滑动导轨 液体摩擦，动压油膜的形成是利用滑移速度带动润滑油从大间隙处向狭窄处流动形成的。 适用于主运动导轨。 普通滑动导轨 混合摩擦，导轨间有一定动压效应，速度较低，导轨面处于接触状态。用于大多数普通机床。 滚动导轨 导轨面之间装有滚动元件（钢球），靠钢球的滚动摩擦引导部件运动。广泛用于数控、精密和高精度机床。 （3）按结构形式分为 开式导轨、

13、闭式导轨 。 开式导轨 是利用部件质量和载荷，使导轨副在全长上始终保持接触的导轨。 开式导轨不能承受较大颠覆力矩。用于大型机床的水平导轨。 闭式导轨能保持导轨副始终接触，故能承受较大的颠覆力矩。 如图，压板和床身导轨下底面 a 组成的辅助导轨。闭式导轨 是在开式导轨上增加辅助导轨而构成。任务二 、滑动导轨结构设计 1.导轨的截面形状选择 要使动导轨严格按规定的轨迹运动，必须限制五个自由度。因导轨的摩擦面宽度较小，故导轨可视为 窄定位板。 两个窄支承平面 a、b 构成一个定位面，限制 3 个自由度 窄支承平面 c 限制 2 个自由度 双矩形导轨 导轨制造容易，刚度和承载能力大，安装调整方便。但侧

14、导向需用镶条调整间隙补偿导轨面的磨损。广泛用于普通精度的中型车床、组合机床、升降台铣床、数控机床等。 三角形和矩形导轨的组合 导轨的导向性好，制造方便、刚度高。广泛用于车床、磨床、龙门铣床、龙门刨、滚齿机、坐标镗床的床身导轨。 对于三角形导轨，减小其顶角，导轨的导向性能提高，但承载能力下降。 一般机床取= 900，重型机床取900，精密机床和滚齿机取 900。 双三角形导轨 这种导轨不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。但工艺性差，加工、检验和维修不方便，只能配加工。 多用于精密机床，如丝杠车床、导轨磨床、齿轮磨床等。 燕尾形和矩形导轨的组合 这组导轨调整方便，承载力矩大。广泛

15、用在机床的横梁、立柱、摇臂导轨中。 双燕尾形导轨 是一种不用辅助导轨副的闭式导轨。导轨高度小，可承受颠覆力矩。 燕尾导轨是过定位，必须用镶条调整摩擦面的间隙。由于结构原因，此导轨刚度差，加工、检验、维修不方便。 用于受力小，结构层数多，间隙调整方便处，如牛头刨床滑枕导轨、卧式车床的刀架导轨等。 2.导轨间隙的调整 （1）辅助导轨间隙调整 采用压板 调整辅助导轨面间隙，承受颠覆力矩。 图a ：通过精磨或刮削压板厚度调整间隙。 图b：通过改变垫片层数和垫片厚度调整间隙。 图c：通过压板和导轨间的平镶条调节间隙。 （2）矩形导轨和燕尾导轨的间隙调整 图a、图b：平镶条较薄，全长只由几个螺钉调整间隙，

16、镶条在几个点上受力，因此镶条易变形，刚度较低。 图c：间隙调整后，再拧紧紧固螺栓。平镶条调整方便。 采用镶条来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧面间隙。镶条应装在导轨受力较小的一侧，以提高刚度。 平镶条调整间隙 斜镶条调整间隙 调整方式：将动导轨的一面做成与镶条斜度相同，方向相反的斜面，通过斜面配合，纵向移动镶条来调整导轨横向间隙。 缺点：螺钉的凸肩和镶条沟槽间的间隙会引起镶条在运动中窜动。 图a：用螺钉推动镶条纵向移动，结构简单，调整方便。 图c：将螺钉凸肩变为带圆柱销的调整套，圆柱销与圆孔配作，通过配合精度控制镶条的窜动。调整方便，但纵向尺寸较长。 图b：用双螺钉调节，能避免镶条窜动，性能较好。

17、孕育铸铁广泛应用在卧式车床、转塔车床、升降台铣床及磨床等机床上。任务三 、滑动导轨的材料及选择 （1）铸铁导轨 常用的有灰铸铁、孕育铸铁、耐磨铸铁等。 1.滑动导轨的材料 1）对耐磨性能要求高、精加工为磨削、且与床身做成一体的导轨，广泛采用孕育铸铁HT300。 孕育铸铁 是在铁水中加入少量孕育剂硅、锰、铝、稀土等，以获得均匀的珠光体和细片状石墨组织，而提高强度和硬度。并通过电接触淬火或高频淬火，进一步提高耐磨性。 铬钼铜耐磨铸铁 可用于制造中、小型精密机床、仪表机床的床身导轨。 2）耐磨铸铁 是在灰铸铁中添加磷、铜、钛、钼、钒等细化晶粒的元素，其耐磨性比HT300提高12倍以上。 高磷耐磨铸铁

18、 可用于普通机床的床身、溜板、工作台及其导轨，且应用日趋广泛。 钒钛耐磨铸铁 适用于制造各类中、小型机床的导轨，其机械性能好，优于高磷耐磨铸铁 ，溶铸工艺简单，耐磨性能比孕育铸铁HT300提高近2倍。 磷铜钛耐磨铸铁 铸件质量较高，适用于制造坐标镗床、螺纹磨床等精密机床的床身、立柱和工作台等导轨。 （2）镶钢导轨 是将淬硬的碳素钢或合金钢导轨，分段地镶装在铸铁和或钢制的床身上。以提高导轨的耐磨性。 镶钢导轨工艺复杂、加工较困难。 主要用于数控机床和加工中心的导轨中。 在铸铁床身上，镶装钢导轨常用螺钉或楔块挤紧固定。 在钢制床身上，镶装钢导轨一般用焊接方法连接。 适用于中小型精密机床和数控机床，

19、特别是润滑不良（如立式导轨）或无法润滑的导轨。 （3）塑料导轨 是用粘结法或喷涂法覆盖在导轨面上。以提高耐磨性。 粘贴软带以聚四氟乙烯为基体，添加各种无机物和有机粉末等填料制成。 1） 粘贴塑料软带导轨 聚四氟乙烯软带导轨的特点是：摩擦系数小，耗能低；动静摩擦系数接近，低速运动平稳性好；阻尼特性好，抗振性好；耐磨性好，能自身润滑，使用寿命长；结构简单，维修方便，磨损易更换，经济性好。刚性较差，受力后产生变形，对高精度的机床有影响。 塑料涂层 都是以环氧树脂为基体，加入固体润滑剂和胶体石墨及其它铁粉填充剂混合而成。 2）塑料涂层导轨 根据涂层材料的组织和性能不同，可分别适用于大、中、小型精密机床

20、导轨和数控机床导轨。 涂塑导轨在西欧国家，普遍用于数控机床的制造中。 环氧树脂塑料涂层的特点：有较高的耐磨性、硬度、强度和热导率；在无润滑情况下，能防止爬行，改善导轨的运动特性，特别是低速运动平稳性较好。 塑料涂层 应用较多的有环氧涂层、含氟涂层和HNT涂层。 5）精密和高精度机床，导轨面需刮削，可采用耐磨铸铁导轨副，但动导轨的硬度比支承导轨的硬度低1545HB。 1）导轨副应采用不同的材料制造，以提高导轨副的耐磨性，防止粘结磨损。导轨副材料的选用原则： 2）采用相同的材料，应采用不同的热处理，使其双方具有不同的硬度。 3）滑动长导轨各处的使用机率不等，磨损不匀。因此，长导轨应采用耐磨性好、硬

21、度较高的材料制造。 4）普通机床的动导轨多采用聚四氟乙烯导轨软带，支承导轨采用淬硬的孕育铸铁。 静压导轨 是依靠液压系统产生的压力油，形成承载油膜的导轨任务四、静压导轨 静压导轨的优点： 摩擦系数小，机械效率高；导轨面被油膜隔开，不产生粘结磨损，导轨精度保持好；导轨的油膜较厚，有均化表面误差的作用；油膜的阻尼比大，导轨的抗振性能良好；导轨低速运动平稳，防爬行性能良好 。 静压导轨 结构复杂，需要一套完整的液压系统。 工作原理 能够将具有一定压强的润滑油，经节流器通入动导轨的纵向油槽中，形成承载油膜，使导轨副的摩擦面隔开，实现液体摩擦。 应用： 静压导轨适用于具有液压传动系统的精密机床和高精度机

22、床的水平进给运动导轨。 导轨面的油腔形成一个个独立的液压支承点，在液压的作用下，动导轨及其运动部件便浮动起来，形成液体摩擦。 如图：常用的闭式静压导轨，液压泵产生的压力油，经可变节流器节流后，通入导轨面油腔A和辅助导轨面油腔B 1）爬行 是进给传动机构的一种低速运动的不均匀现象，即在传动件以很低的速度匀速转动时，工件台出现速度不均匀的跳跃式运动，或出现间歇式运动，速度时快时慢，时走时停。任务五、低速运动平稳性 1. 爬行现象及产生原因 运动不均匀的低速爬行，影响机床的加工精度、定位精度，使工件表面精度降低。 爬行严重时会导致机床不能正常工作。特别是在精密机床、数控机床及大型机床中，爬行危害极大

23、。2）爬行现象的危害 通常，爬行的临界速度是评价机床性能的一个重要指标。 爬行是一种摩擦自激振动。主要原因是摩擦面上的动摩擦系数小于静摩擦系数，且由于摩擦阻尼，动摩擦系数随滑移速度的增加而减小，以及传动系统的弹性变形。3）爬行的产生原因 2）提高传动系统的刚性（适当加大丝杠直径以提高拉压刚度，轴承适度预紧。缩短传动链，合理分配传动比。防止液压传动进给机构的气穴、冲击现象）。2.消除爬行的措施 降低爬行临界速度的措施有： 1）减少静动摩擦系数之差，改变动摩擦系数随速度变化的特性（滚动摩擦代替滑动摩擦，液体摩擦代替滑动摩擦，减摩材料，专用导轨油）。 3）尽量减少动导轨及工作台的质量。第三节结束2.

24、工作原理 项目四 滚珠丝杠螺母副机构 任贸一、滚珠丝杠副的工作原理及特点1.结构 滚珠丝杠副 是将丝杠和螺母都加工成凹半圆弧形螺纹，且圆弧半径略大于钢珠半径。在螺纹副间放入钢珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动的传动机构。 当丝杠、螺母相对转动时，钢珠沿螺旋滚道滚动，使螺纹摩擦为滚动摩擦。滚珠通过螺母两端的回程导引装置，自动返回入口而循环流动。从而实现高精度、高效率的传动。 轴承钢，淬硬磨削3.特点及应用 传动效率高达 85%98%，是普通滑动丝杠副的24倍，摩擦损失小，功率消耗小。 适当预紧，能消除反向螺纹间隙，定位精度、刚度高。 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 摩擦角小于10，不能自锁。

25、如果驱动升降运动，必须增加制动装置。 滚珠丝杠螺母副常用于数控机床行程不太长的进给系统中，以提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。 1.滚珠循环方式 如图，丝杠螺母之外置有插管式回珠器5，螺母之内装有挡珠器。 （1）外循环滚珠丝杠副 任务二、滚珠循环方式及轴向间隙调整 钢珠每一个循环称为一列，每一列内每个导程称为一圈，外循环每列有1.5圈、2.5圈、 3.5圈，剩下的半圈用作回珠。 丝杠匀速转动时，挡珠器能迫使滚珠转几圈后，经回珠器返回入口，完成一个滚动循环，同时准备开始新的循环。 内循环滚珠丝杠副的螺母内孔中，装有接通相邻滚道的返向回珠器，迫使滚珠翻越螺纹的牙顶进入相邻滚道。 内循环滚珠丝杠的每一个循环（每列）只有一圈