数控车床机械部分分析

数控机床的结构分析：

数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备。尽管数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，但仍然为机械制造厂家所普遍采用并取得很好的经济效益，其原因在于数控机床能自动化地，高精度、高质量、高效率地解决中、小批量的加工问题。数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。

一、提高机床结构的静刚度

机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。

机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如各基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和切削过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50 ％。

1 ．合理设计基础件的截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构

机床在外力的作用下，各基础件将承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯和抗扭惯性矩，抗弯,抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就高。表5-1 列出了在截面积相同（即重量相同）时，不同截面形状和尺寸的惯性矩。

由表中数据可知：

A在形状和截面积相同时，减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度；

B封闭截面的刚度远远高于不封闭截面的刚度；

C圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度则低于方形截面；

D矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗弯刚度。

因此，通过合理设计截面形状和尺寸，可大大提高基础件的结构静刚度。

图5-1 所示为日本森精机SL 系列数控车床的床身截面，床身导轨倾斜布置，改善了排屑条件，同时截面形状采用封闭式箱体结构，从而加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床身具有很高的抗弯、抗扭刚度。这种倾斜布置的结构为数控车床所普遍采用。

图5-2 所示为卧式加工中心普遍采用的框式立柱结构。从正面看，立柱截面成封闭框形，轮廓尺寸大，从而保证以高扭转刚度承受切削扭矩产生的扭转载荷。从俯视截面看，两个立柱截面形状为矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用产生大的弯曲载荷的方向。因而这种结构具有很高的刚度。

合理布置基础件的筋板可以提高静刚度，表5-2 给出了立柱的几种不同筋板布置时的相对静刚度。从表中可知：

A纵向筋板能提高立柱的抗弯和抗扭刚度，提高抗扭刚度效果更为显著；

B对角线斜置筋板和对角线交叉筋板对提高立柱的刚度更为有效。

表5-2 不同筋板布置时立柱的静刚度对比

图5-3 所示为两种立式加工中心立柱的横截面图。由于该立柱承受弯扭组合载荷，故截面采用接近正方形的封闭外形，为了进一步提高抗弯、抗扭刚度，内部采用了斜方双层壁（相当于斜纵向筋板）和对角线交叉筋板。所以，这两种立柱都有很高的抗弯、抗扭刚度。

（a）XK-716 型立式加工中心；（b）STAMA MCll8 型立式加工中心

图5-3 立柱横截面

合理布置筋板还可提高基础件的局部刚度，图5-4 所示为日本三井精机HS 6A 型超精密重切削卧式加工中心采用的床身结构。该床身为整体式结构，截面为封闭箱形结构，整体结构刚度很高。为了加强导轨连接的局部刚度，采用两条成Y 形的斜筋支撑导轨。

图5-4 三井精机HS 6A 型加工中心的床身结构

2 ．采用合理的结构布局，改善机床的受力状态，提高机床的静刚度

在切削力、自重等外力相同的情况下，如果能改善机床的受力状态，减小变形，则能达到提高刚度的目的。以机床主轴为例，在其他条件不变的情况下，缩短主轴前端的悬伸长度，可以减小主轴承受的弯矩，从而减小主轴前端的挠度，提高主轴的刚度。

采用合理的机床结构布局，可以显著地改善机床的受力状况，提高机床的刚度。

图5-5 所示为传统的车床床身布局（见图5-5（a））与数控车床床身布局（见图5-5（b））的受力状况的分析比较。

图5-5 车床床身布局

设床身截面积和惯性矩及其所受切削力P 相等，对传统车床，床身水平布局，床身所受扭矩为：

（5-1）

对数控车床，床身倾斜布局，设倾角为β ，床身所受扭矩为：

（5-2）

比较式（5-1）和式（5-2）可看出，采用倾斜布局的数控车床床身所承受的扭矩要比采用水平布局的传统车床床身的要小，因而机床的刚度得到了提高。

图5-6 所示为传统的卧式镗铣床的结构布局和卧式加工中心（卧式自动换刀数控镗铣床）的结构布局的比较。

传统的卧式镗铣床由于主轴箱单面悬挂在立柱侧面，主轴箱自重将使立柱承受弯矩，切削力将使立柱承受扭矩

内，立柱则不再承受由主轴箱自重产生的弯矩和由切削力产生的扭矩，从而改善了立柱的受力状况，减小了立柱的弯曲、扭转变形，提高了刚度。

图5-6 卧式镗铣床与卧式加工中心的结构布局比较

3 ．补偿有关零、部件的静力变形

在外力的作用下，机床的变形是不可避免的，如果能采取措施使变形对加工精度的影响减小，其结果相当于提高了机床的刚度。依照这一思路，产生了许多补偿有关零、部件的静力变形的方法，这种方法普遍用于补偿因自重而引起的静力变形。

如图5-7 所示的大型龙门铣床，当主轴部件移到横梁中部时，横梁的弯曲变形（下凹）最大。为此可将横梁导轨加工成中部凸起的抛物线形，或者通过在横梁内部安装辅助梁和预校正螺钉将主导轨预调校正为中凸抛物线形，这样可以补偿主轴箱移动到横梁中部时引起的弯曲变形（图5-7（a））。

为补偿主轴箱自重的影响，也可以用加平衡重块或其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于横梁上的自重，从而减小横梁因主轴箱自重引起的弯曲变形（图5-7（b））。

4 ．提高机床各部件的接触刚度

在机床各部件的固定连接面和运动副的结合面之间，总会存在宏观和微观不平，两个面之间真正接触的只是一些高点，实际接触面积小于两接触表面的面积（名义接触面积），因此，在承载时，作用于这些接触点的压强要比平均压强大得多，从而产生接触变形。平均压强p 与变形δ 之比称为接触刚度，即

（5-3）

由于机床总有为数较多的静、动连接面，如果不注意提高接触刚度，各连接面的接触变形就会大大降低机床的整体刚度，对加工精度产生非常不利的影响。

图5-7 横梁弯曲变形补偿

影响接触刚度的根本因素是实际接触面积的大小，任何增大实际接触面积的方法都能有效地提高接触刚度。如机床的导轨常采用人工铲刮工艺作为最终的精加工工序，通过刮研，可以增加单位面积上的接触点，并使接触点分布均匀，从而增加导轨副结合面的实际接触面积，提高接触刚度。又如采用滚动轴承作为支承的主轴部件，都要设计预紧结构调整轴承间隙，使轴承在有预加载荷的条件下运转，以提高主轴的支承刚度。预加载荷增大了实际接触点的面积，从而达到提高接触刚度的目的。采用螺纹紧固的固定连接面，合理布置一定数量的螺栓，并对螺栓的拧紧力矩提出严格要求以保证适当的预紧力，也是为提高接触刚度而常采用的措施。

5 ．采用钢板焊接结构

长期以来，机床基础件主要采用铸铁件。近年来，以钢板焊接结构代替铸铁件的趋势不断扩大，从开始在单件和小批量的重型和超重型机床上的应用，逐步发展到有一定批量的中型机床。

表5-3 列出了Star-Turn1200 型数控车床焊接床身和铸造床身的刚度的对比结果。从结果看，焊接床身的刚度高于铸造床身。这是因为两种床身的筋板布置不同，钢板焊接结构容易采第五章数控机床的结构与传动用最有利于提高刚度的筋板布置形式，能充分发挥壁板和筋板的承载及抵抗变形的作用；焊接结构还无需铸造结构所需的出砂口，有可能将基础件做成完全封闭的箱形结构。另外，钢板的弹性摸量E 为MPa ，而铸铁的弹性模量E 仅MPa ，两者几乎相差一倍，E= σ / ε ，在应力σ相同时，E 大则产生的应变ε 小，E 的大小反映了材料抵抗弹性变形的能力。因此，在结构相同时，E 值大的材料刚度则高。

表5-3 焊接床身与铸造床身的刚度对比

二、提高机床结构的抗振性

机床的振动会在被加工工件表面留下振纹，影响工件的表面质量，严重时则使加工过程难以进行下去。机床加工时可能产生两种形式的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。

强迫振动是在各种动态力（如高速回转零件的不平衡力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等）作用下被迫产生的振动。如果动态力的频率与机床某部件的固有频率重合，则将发生共振。机床结构抵抗强迫振动的能力可以用动刚度大小来表示。

自激振动是在投有外加动态力的情况下，由切削过程自身所激发的振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振型的低阶固有频率，振幅较大，对加工过程产生极为不利的影响。当机床的刚度、刀具切削角度、工件与刀具材料、切削速度和进给量都一定时，影响自激振动的主要因素就是切削宽度b ，因此，可以把不产生自激振动的最大切削宽度，称为临界切削宽度，作为判断机床切削稳定性（抵抗自激振动的能力）的指标。

高速切削是产生动态力的直接因素，强力切削也意味着切削宽度大。数控机床在追求高速度、高切削效率的同时，也埋下了容易产生受迫振动和自激振动的根源。切削过程的自动化又使得振动难以由人工来控制和消除，数控机床只有靠自身机床结构的高抗振性来减小和克服振动对加工精度、加工过程的影响。

提高机床的抗振性，可以从提高静刚度、固有频率和增加阻尼几个方面着手。提高静刚度的措施已在前面有详细的介绍。因为固有频

率（其中，K 为静刚度，m 为结构质量），所以在提高静刚度时，能相对减小结构件的重量，即提高单位重量的刚度，则能提高固有频率。前面介绍的合理布置筋板，采用钢板焊接结构等提高静刚度的措施，同样能达到提高固有频率的目的。下面将主要介绍数控机床在增加阻尼方面采取的措施。

1 ．基础件内腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料

图5-8 两种车床床身的动态特性比较

在基础件内腔充填泥芯、混凝土，振动时可利用相对摩擦来耗散振动能量，从而提高结构的阻尼特性。图5-8 所示为两种车床床身结构及动态特性的对比，充填泥芯的床身阻尼显著增加。图5-9 所示为DNE 480L 型数控车床的底座和床身结构，底座内所充填的混凝土的内摩擦阻尼较高，再配以封砂的床身，使机床有较高的抗振性。

2 ．表面采用阻尼涂层