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机床的刚度是指在切削力和其他力作用下,抵抗变形能力。数控机床比普通机床要求具有更高的静刚度和动刚度,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%。

机床在切削加工过程中,要承受各种外力的作用,承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重,承受的动态力有:切削力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等。机床的结构部件在这些力作用下,将产生变形,如固定连接表面或运动啮合表面的接触变形;各支承零件部的弯曲和扭转变形,以及某些支承件的局部变形等,这些变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移,从而导致工件的加工误差,或者影响机床切削过程的特性。

由于加工状态的瞬时多变情况复杂,通常很难对结构刚度进行精确的理论计算。设计者只能对部分构件(如轴、丝杠等)用计算方法计算其刚度,而对床身、立柱、工作台和箱体等零件的弯曲和扭转变形,接合面的接触变形等,只能将其简化后进行近似计算,其计算结果往往与实际相差很大,故只能作为定性分析的参考。近年来,虽然在机床结构设计中采用有限元法进行分析计算,但是一般来讲,在设计时仍需要对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理的结构方案,尽管如此,遵循下列原则和措施,仍可以合理地提高机床的结构刚度。

1.合理选择构件的结构形式

(1)正确选择截面的形状和尺寸

构件在承受弯曲和扭转载荷后,其变形大小取决于断面的抗弯和扭转惯性矩,抗弯和扭转惯性矩大的其刚度就高。表1列出了在断面积相同(即重力相同)时各断面形状的惯性矩。从表中的数据可知:形状相同的断面,当保持相同的截面积时,应减小壁厚、加大截面的轮廓尺寸,圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大,抗弯刚度则比方形截面的小;封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多;壁上开孔将使刚度下降,在孔周加上凸缘可使抗弯刚度得到恢复。

(2)合理选择及布置隔板和筋条

合理布置支承件的隔板和筋条,可提高构件的静、动刚度。所示的几种立柱的结构,在内部布置有纵、横和对角筋板,对它们进行静、动刚度试验的结果。其中以交叉筋板(序号5)的作用最好。

对一些薄壁构件,为减小壁面的翘曲和构件截面的畸变,可以在壁板上设置所示的筋条,其中以蜂窝状加强筋较好,所示。它除了能提高构件刚度外,还能减小铸造时的收缩应力。

(3)提高构件的局部刚度

机床的导轨和支承件的联接部件,往往是局部刚度最弱的部分,但是联接方式对局部刚度的影响很大。给出了导轨和床身联接的几种形式,如果导轨的尺寸较宽时,应用双壁联接型式, (d)、(e)、(f)。导轨较窄时,可用单壁或加厚的单壁联接,或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度。

(4)选用焊接结构的构件

机床的床身、立柱等支承件,采用钢板和型钢焊接而成,具有减小质量提高刚度的显著优点。钢的弹性模量约为铸铁的两倍,在形状和轮廓尺寸相同的前提下,如要求焊接件与铸件的刚度相同,则焊接件的壁厚只需铸件的一半;如果要求局部刚度相同,则因局部刚度与壁厚的三次方成正比,所以焊接件的壁厚只需铸件壁厚的80%左右。此外,无论是刚度相同以减轻质量,或者质量相同以提高刚度,都可以提高构件的谐振频率,使共振不易发生。用钢板焊接有可能将构件做成全封闭的箱形结构,从而有利于提高构件的刚度。

2.合理的结构布局可以提高刚度

以卧式镗床或卧式加工中心为例进行分析,所承的几种布局形式中,(a)、(b)、(c)三种方案的主轴箱是单面悬挂在立柱侧面,主轴箱的自重将使立柱产生弯曲变形;切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形。这些变形将影响到加工精度。方案(d)的主轴箱中心位于立柱的对称面内,主轴箱的自重不再引起立柱的变形,相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小,这就相当子提高了机床的刚度。

数控机床的拖板和工作台,由于结构尺寸的限制,厚度尺寸不能设计得太大,但是宽度或跨度又不能减小,因而刚度不足,为弥补这个缺陷,除主导轨外,在悬伸部位增设辅助导轨,可大大提高拖板和工作台的刚度。

3.采取补偿构件变形的结构措施

当能够测出着力点的相对变形的大小和方向,或者预知构件的变形规律时,便可以采,取相应的措施来补偿变形以消除其影响,补偿的结果相当于提高了机床的刚度。所示的大型龙门铣床,当主轴部件移到横梁的中部时,横梁的弯曲变形最大。为此可将横梁导轨作成“拱形”,即中部为凸起的抛物线形,可使其变形得到补偿。或者通过在横梁内部安装的辅助横梁和预校正螺钉对主导轨进行预校正。也可以用加平衡重的办法,减少横梁同主轴箱自重而产生的变形。落地镗床主轴套筒伸出时的自重下垂,卧式铣床主轴滑枕伸出时的自重下垂,均可用加平衡重的办法来减少或消除其下垂。

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