典型部件设计(主轴、支承件、导轨)

3.1 主 轴 部 件 设 计功用：支承并带动工件或刀具选择进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封环及定位元件等组成。3.1.1主轴部件应满足的基本要求(1) 旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在低速、空载时，主轴前端定位面的径向跳动、端面跳动和倾角摆动。主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线在空间的漂移量即为运动精度。 (2) 刚度主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的能力，如图所示，即K=F/y(单位为N/im)，刚度的倒数y/F称为柔度。动 刚 度 指 机 床 在 额 定 载 荷 下 切 削 时 ， 主 轴组 件 抵 抗 变 形 的 能 力 。 动 刚 度 与 静 刚 度 成 正 比 ， 在 共 振区 ， 与 阻 尼 （ 振 动 的 阻 力 ） 近 似 成 正 比 ， 故 可 通 过 增 加静 刚 度 、 增 加 阻 尼 比 来 提 高 动 刚 度 。 主轴组件的刚度是综合刚度，它与主轴结构尺寸、所选用的轴承类型和配置及其预紧、支承跨距和主轴前端悬伸量、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等有关。 (3) 抗振性主轴部件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。主轴部件不仅受静载荷的作用，同时也受冲击载荷和交变载荷的作用，使主轴产生振动。随着机床向高精度、高效率方向发展，对抗振性要求越来越高。影响抗振性的主要因素有：主轴部件的刚度、固有频率、阻尼特性等。 (4) 温升和热变形主轴部件工作时由于摩擦形成热源以及切削热和齿轮啮合热的传递使主轴组件出现温度升高的情况。温升使主轴部件的形状和位置发生变化，称之为热变形。主轴热变形会引起轴承间隙变化，轴心位置偏移，严重影响加工精度。各类机床对温升都有一定限制，在室温为20，连续运转时：高精度机床允许温升为810；精密机床为1520 ；普通机床为3040 。在室温不是20时，温升的计算公式为：T t =T20+Kt ( t-20 )影响主轴部件温升、热变形的主要因素有：轴承的类型和布置方式，轴承间隙及预紧力的大小，润滑方式和散热条件等。 (5) 耐磨性（精度保持性） 主轴部件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。 主要磨损有：主轴轴承的疲劳磨损，主轴轴颈表面、装卡刀具的定位基面的磨损等。 磨损的速度与摩擦性质、摩擦副的结构特点、摩擦副材料的硬度、摩擦面积、摩擦面表面精度以及润滑方式等有关。 3.1.2主轴部件的传动方式齿 轮 传 动 的 特 点 是 结 构 简 单 、 紧 凑 ， 能 传 递 较 大 的 扭 矩 ， 能适 应 变 转 速 、 变 载 荷 工 作 ， 应 用 最 广 。 它 的 缺 点 是 线 速 度不 能 过 高 ， 通 常 小 于 12 15m s， 不 如 带 传 动 平 稳 。由 于 各 种 新 材 料 及 新 型 传 动 带 的 出 现 ， 带 传 动 的 应 用 日 益 广泛 。 常 用 有 平 带 、 三 角 带 、 多 楔 带 和 同 步 齿 形 带 等 。特 点 是 靠 摩 擦 力 传 动 (除 同 步 齿 形 带 外 )、 结 构 简 单 、 制 造 容易 、 成 本 低 ， 特 别 适 用 于 中 心 距 较 大 的 两 轴 间 传 动 。 皮 带有 弹 性 可 吸 振 ， 传 动 平 稳 ， 噪 声 小 ， 适 宜 高 速 传 动 。 带 传动 在 过 载 中 会 打 滑 ， 能 起 到 过 载 保 护 作 用 。缺 点 是 有 滑 动 ， 不 能 用 在 速 比 要 求 准 确 的 场 合 。 3.1.2主轴部件的传动方式同 步 齿 形 带 的 齿 形 有 两 种 ： 梯 形 齿 和 圆 弧 齿 。 圆 弧 齿 形 受 力 合 理 ， 较梯 形 齿 同 步 带 能 够 传 递 更 大 的 扭 矩 。同 步 齿 形 带 无 相 对 滑 动 ， 传 动 比 准 确 ， 传 动 精 度 高 ；厚 度 小 、 重 量 轻 、 传 动 平 稳 、 噪 声 小 ,适 于 高 速 传 动 ， 传 动 效 率 高 ；q 不 需 要 润 滑 ，耐 水 耐 腐 蚀 ，能 在 高 温 下 工作 ， 维 护 保 养方 便 ； 传 动 比大 ， 可 达 1： 10以 上 。q 缺 点 是 制 造 工 艺 复 杂 ， 安 装条 件 要 求 高 。 3.1.2主轴部件的传动方式电 动 机 转 子 轴 就 是 主 轴 ， 电 动 机 座 就 是 机 床 主 轴 单 元 的 壳体 。 主 轴 单 元 大 大 简 化 了 结 构 ， 有 较 宽 的 调 速 范 围 ； 有较 大 的 驱 动 功 率 和 扭 矩 ； 便 于 组 织 专 业 化 生 产。 3.1.3 主轴部件结构设计3.1.3.1 主轴部件的支承数目(1) 前后两个支承优点：构造简单，制造装配方便，容易保证精度。缺点：主轴刚度和抗振性不高。 3.1.3 主轴部件结构设计3.1.3.1 主轴部件的支承数目(2) 三个支承缺点：对三个支承孔的同心度要求较高，制造装配复杂。辅助支承一般不预紧。前后支承为主，中间支承为辅。前中支承为主，后支承为辅。 (使用较多) 3.1.3.2 推力轴承位置配置形式（重点）切削力轴向受力推力轴承(1) 前端配置缺点：前支承结构复杂，发热大，温升高优点：主轴受热后向后延伸，不影响轴向精度，精度高，可提高主轴部件刚度应用：高精度机床和数控机床(2) 后端配置优点：前支承结构简单，发热小，温升低缺点：主轴受热后向前延伸，影响轴向精度应用：普通立式铣床、多刀车床 3.1.3.2 推力轴承位置配置形式(3) 两端配置缺点：主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙，必须有消隙机构和热膨胀补偿机构应用：常用于短主轴，如组合机床主轴(4) 中间配置优点：可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热膨胀向后缺点：前支承复杂，温升大 3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置(1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置在力Q作用下，主轴上必然存在一个挠度为零的点A，称为节点。根据位移互等定理，若将传动件布置在节点处，则传动力引起的轴端受Q力处的挠度也为零。节点是传动件在主轴上布置的最佳位置。主轴节点通常很靠近前支承，因此前后支承之间的齿轮尽量靠近前支承 Q 3.1.3.3 主轴传动件位置的合理布置(1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置出发点：改善主轴受力情况，减小主轴变形，提高主轴抗振性原则：传动力Q引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前端在误差敏感方向上的位移要小结论：传动件(最大传动件)尽量靠近前支承传动件放在两个支承中间靠近前支承，受力情况好，使用广泛。 3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置(1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置传动件放在主轴前的悬伸端，主轴刚性好，主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床。传动件放在主轴的后悬伸端，较多用于带传动，可便于传动带的更换，如磨床。 3.1.3.3 主轴传动件位置的合理布置(2) 驱动主轴的传动轴位置的合理布置在布置传动轴的位置时，应尽量使传动力Q与切削力P两者引起的主轴轴端位移和轴承受力的影响能互相抵消一部分。 3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a，主轴主要支承间的跨距L。(共5个)这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。 3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定(1) 主轴前轴颈直径D1的选取主轴前轴颈D1一般可根据机床类型、主电动机功率以及主参数来选取，见表3-13。车床和铣床主轴后轴颈直径D2(0.70.9)D1，磨床主轴常为前后轴颈相等，中段较粗。 3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定(2) 主轴内孔直径d的确定 许多机床都是空心主轴，空心主轴能减轻主轴重量。内孔直径的大小，应在满足主轴刚度的前提下尽量取大值。卧式车床的d通常不小于主轴平均直径的55%60%；铣床主轴的d可比刀具拉杆直径大510mm。但一般情况下，要保证d/D0.7 3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定(3) 主轴前端悬伸量a的确定 主轴前端悬伸量是指主轴前支承径向反力作用点到前端受力作用点之间的距离。在满足结构要求的前提下尽可能取小值，以提高主轴部件的刚性和抗振性。初步取a=D1。为了缩短a，主轴前端部可采用短锥结构。 3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定(4) 主轴合理跨距L的确定主轴的跨距是指两支承反力作用点之间的距离，是影响主轴组件刚度的重要尺寸参数。合理确定主轴两主要支承间的跨距，可提高主轴部件的静刚度。支承跨距小，主轴自身的刚度较大，弯曲变形较小，但支承变形引起的主轴前端的位移量将增大；支承跨距大，支承变形引起的主轴前端的位移量较小，但主轴的弯曲变形将增大。 3.1.3.4 主轴主要结构参数的确定(4) 主轴合理跨距L的确定可见，支承跨距过大或过小都会降低主轴部件的刚度。有关资料对合理跨距选择的推荐值可作参考：1) L合理=(45)D1。2) L合理=(35)a，用于悬伸长度较小时，如车床、铣床、外圆磨床等。3) L合理=(12)a，用于悬伸长度较大时，如镗床、内圆磨床等。实际使用中，跨距L往往大于L 合理。 6.3.5 主轴(1) 主轴的结构主轴本身的结构和形状主要取决于主轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等因素。主轴轴端结构形状取决于机床的类型、安装夹具或刀具的方式。要保证夹刀或刀具装卸方便，具有较高的定位精度，并能传递一定的转矩。主轴轴端结构应尽量使悬伸长度短一些。通用机床的主轴轴端形状的尺寸已经标准化。 3.1.3.5 主轴(2) 主轴的材料和热处理主轴材料主要根据耐磨性、载荷特点和热处理后的变形大小来选择。机床主轴常用的材料及热处理要求可参见表3-14。 3.1.3.5 主轴(3) 主轴的技术要求主轴选择精度技术要求主轴前后轴颈的同轴度(A-B)；锥孔相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动；定心轴颈及其定位轴肩相对于前后轴颈中心连线的径向圆跳动和端面圆跳动。设计基准检测基准工艺基准 径向圆跳动端面圆跳动 3.1.4 主轴滚动轴承主轴轴承的类型、配置方式、精度、安装、调整、润滑和冷却等都直接影响主轴部件的工作性能。常用主轴轴承有滚动轴承、液体动压轴承，液体静压轴承、空气静压轴承等。轴承的轴向承载能力和刚度，由强到弱依次为：推力球轴承、推力角轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承；承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低依次为：角接触球轴承、推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承。 3.1.4 主轴滚动轴承主轴轴承的要求：选择精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(1) 角接触球轴承接触角a是球轴承的一个主要设计参数。接触角a是滚动体与滚道接触点处的公法线与主轴轴线垂直平面间的夹角。 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(1) 角接触球轴承(向心推力球轴承)角接触球轴承极限转速较高；可以同时承受径向和一个轴向的载荷，a越大，可承受的进给力越大。主轴用的a一般取15 o或25o。 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(1) 角接触球轴承球轴承为点接触，刚度不高，为提高刚度，同一支承处可多联组配。组配方式有三种：背靠背组合；面对面组合；同向组合。 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(2) 双列短圆柱滚子轴承特点：内圈有1:12的锥孔，轴向移动内圈可以调整轴承的径向间隙和预紧；轴承的滚子能承受较大的径向载荷和转速；轴承由两列滚子交叉排列，数量较多，因此刚度很高；不能承受轴向载荷。 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(3) 圆锥滚子轴承特点：刚度和承载能力大，既可承受径向力，又可承受双向轴向力。适用于中低速、中等以上载荷机床的主轴前支承，但发热较大，极限转速受限制。Gamet(加梅)轴承:空心滚子，两列滚子数量相差一个，改善了轴承的动态刚度。 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(4) 推力轴承特点：只能承受轴向载荷，且承载能力和刚度较大。由于离心力的作用以及滚道深度较小，其极限转速一般较低。 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(5) 双向推力角接触球轴承常用的有234400 (接触角= 60o)。常与双列圆柱滚子轴承(NN3000K)组配用于主轴前支承，专作推力轴承使用。该轴承的轴向刚度、允许转速均较高。 234400型轴承 3.1.4.1 主轴部件主支承常用滚动轴承(6) 陶瓷滚动轴承特点：与钢制轴承相比，重量轻，离心力小；温升较低，刚度较大。(7) 磁悬浮轴承 利用磁力来支承运动部件使其与固定部件脱离接触来实现轴承功能。特点：无机械磨损，无速度限制，不需要润滑，工作温度范围宽，噪声小，温升低，能耗小。 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式主轴轴承，应根据刚度、旋转精度和极限转速来选择配置型式。大多数机床主轴部件采用两支承结构，其配置和选用的一般原则如下：(1) 速度型 主轴前后轴承都采用角接触球轴承(两联或三联)。轴向切削力越大，角度应越大，且大角度的刚度也大。优点：具有良好的高速性能缺点：承载能力小应用：高速轻载或精密机床，如高速镗削单元、高速CNC车床等。 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(1) 速度型 角接触球轴承 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(2) 刚度型 前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60度角接触双列向心推力轴承承受轴向载荷；后支承采用双列短圆柱滚子轴承， 应用：中等转速和切削力较大，刚求要求高的机床，如数控车床主轴、镗削主轴单元等。 双列短圆柱滚子轴承角接触双列向心推力轴承双列短圆柱滚子轴承 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(3) 速度刚度型 前轴承采用三联角接触球轴承，后支承采用双列短圆柱滚子轴承。前轴承的配置特点是外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力；第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大支承跨，以提高承受颠覆力矩的刚度。优点：径向刚度好，可承受较大转速应用：卧式铣床等。 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(3) 速度刚度型 承受轴向力三联角接触球轴承双列短圆柱滚子轴承承受径向力起支承作用 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(4) 配置圆锥滚子轴承的机床主轴 优点：结构比采用双列圆柱滚子轴承简单，承载能力和刚度比角接触球轴承高。缺点：发热大，温升高，极限转速低应用：载荷较大，转速不太高，精度一般。 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(5) 卧式镗铣床主轴部件 优点：前端采用双列圆锥滚子轴承，可以承受双向轴向力和径向力，承载能力大，刚性好，结构简单。镗主轴铣主轴 3.1.4.2 几种典型的主轴轴承配置形式(6) 摇臂钻床主轴部件 优点：采用推力球轴承，可以承受两个方向的轴向力，主轴刚度高。应用：承受轴向载荷大的机床主轴，如钻床。 3.1.4.3 几种典型的主轴轴承配置形式大多数机床主轴部件采用两支承结构，其配置和选用的一般原则如下：(1) 适应承载能力和刚度的要求 v圆柱或圆锥滚子轴承，其径向承载能力和刚度要比点接触的球轴承好；v在轴向承载能力和刚度方面，以推力球轴承最高，圆锥滚子轴承次之，角接触球轴承为最低;v有冲击载荷时，宜选用滚子轴承；v前支承所受载荷通常大于后支承，且前支承变形对主轴轴端位移(即刚度)影响较大，故前支承处轴承的承载能力和刚度应比后支承处大。 3.1.4.2几种典型的主轴轴承配置形式(2) 适应转速的要求 v相同类型的轴承，其规格越小、精度等级越高，允许的最高转速也越高；v相同规格的轴承，点接触的球轴承比线接触的滚子轴承允许的转速高，滚子轴承比滚锥轴承允许的转速高。(3) 适应结构要求 v为了使主轴部件具有高的刚度，且结构紧凑，主轴直径应选大一些较好，这时轴承选用轻型或特(超)轻型，或者可在同一支承处(尤其是前支承)配置两联或多联轴承。 3.1.4.3 滚动轴承精度等级的选择(1) 前后轴承的精度对主轴旋转精度是影响是不同的； (2) 前支承对主轴的旋转精度影响较大，因此前轴承的精度比后轴承高一级；(3) 偏移量是有方向的，前后轴承的偏移方向应该放在同一侧，以抵消主轴端部的偏移。a1=(L+a)a/L b1=ab/L 3.1.4.3 滚动轴承精度等级的选择机床主轴轴承精度有P2、P4、P5、P6以及SP和UP等6级。目前精度都在P4(SP)以上，P6级轴承处于淘汰的状态。 3.1.4.4 主轴滚动轴承的预紧（重点）预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段，但预紧量不能太大，过紧则会使内外圈变形，同样会影响主轴部件的旋转精度、加速轴承的磨损、增加温升和热变形，降低轴承寿命。预紧力通常分为三级：轻预紧(高速主轴)、中预紧(中、低速主轴)和重预紧(分度主轴)，代号为A、B、C。 3.1.4.4 主轴滚动轴承的预紧调整环过盈套 双列短圆柱滚子轴承双向推力角接触球轴承1） 螺 母 轴 向 移 动 内 圈 2） 调 整 环 长 度 实 现 预 紧 3.1.4.4 主轴滚动轴承的预紧轴 承 预 紧 后 对 主 轴 系 统 的 影 响 ：1、 预 紧 后 主 轴 的 旋 转 精 度 提 高 ；2、 预 紧 后 主 轴 的 刚 度 提 高 ；3、 预 紧 后 主 轴 的 磨 损 加 剧 ；4、 预 紧 后 主 轴 的 发 热 量 增 加 。 3.1.4.5 滚动轴承的润滑和密封滚动轴承所用的润滑剂主要有润滑脂和润滑油。密封的方式主要有非接触式和接触式 。 选 择 密 封 形 式 考 虑 因 素 : 轴 的 转 速 轴 承 的 润 滑 方 式 轴 端 结 构 轴 承 工 作 温 度 轴 承 工 作 外 界 环 境 3.1.5 主轴滑动轴承滑动轴承应有良好的抗振性，旋转精度高，运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精密机床和数控机床中。l按产生油膜的方式，可分为：动压轴承静压轴承液体滑动轴承气体滑动轴承l按照流体介质不同可分为：注 意 对 比 二 者 特 点 3.1.5.1 动压轴承原理：当主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力p将主轴浮起。特点：转速越高，间隙越小，油膜承载能力越大。动压轴承按油楔数分为单油楔和多油楔。多油楔轴承形成的油膜压力在几个方向上支承轴径，轴心位置稳定性好，抗振动和冲击性能好。故多采用多油楔轴承。 3.1.5.1 动压轴承(1) 固定多油楔滑动轴承 偏心圆弧或阿基米德螺旋线a) 主 轴 组 件 ， b) 轴 瓦 主 轴 旋 转 方 向 恒 定 ， 不 须换 向 ， 转 速 变 化 小 时转 速 变 化 ， 且 换 向 3.1.5.1 动压轴承(2) 活动多油楔滑动轴承浮动轴瓦b 00.4Bh1/h2=2.2缺点：单向、刚度低 3.1.5.2 液体静压轴承原理：由专门的供油系统提供压力油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压力支承载荷，轴颈始终浮在压力油中。特点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在低速下工作，也能在高速下工作（速度特性好）；摩擦小，轴承寿命长。v固定节流器v可变节流器 3.1.5.3 气体静压轴承用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。特点：摩擦小，功耗小，能在极高转速或极低温度下工作，震动、噪声特别小，旋转精度高，寿命长，基本不需要维护，常用于高速、超高速、高精度机床中。 3.1.5.3 气体静压轴承具有气体静压轴承的主轴结构形式主要有三种：(1) 具有径向圆柱与平面止推型轴承的主轴部件 (2) 采用双半球形气体静压轴承 (3) 前端为球形，后端为圆柱形或半球形 3.2 支承件设计3.2.1 支承件的功能和应满足的基本要求支承件是指床身、立柱、横梁、摇臂、底座、箱体和升降台等大件，它们相互连接构成机床基础，保证机床零部件的相对位置和相对运动精度。 3.2.1.1 支承件的功用:(1) 支承机床部件的作用，承受重力、切削力、惯性力、摩擦力等；(2) 保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的运动精度。(3)支承件内部空间常作为变速箱、液压油箱，或安置电气箱、冷却和润滑装置及电动机。 3.2.1.2 支承件应满足的基本要求(1) 应具有足够的刚度和较高的刚度质量比(a) 自身刚度。支承件抵抗自身变形的能力，称为自身刚度。支承件的自身刚度主要为弯曲刚度和扭转刚度。(b) 局部刚度。支承件抵抗局部变形的能力，称为局部刚度。局部变形主要发生在支承件上载荷较集中的局部结构处。(c) 接触刚度。支承件的结合面在外载荷作用下抵抗接触变形的能力，称为接触刚度。(2) 良好的动态特性。在规定的切削条件下工作时，不产生受迫振动和自激振动，保证切削的稳定性。 3.2.1.2 支承件应满足的基本要求(3) 热稳定性好机床热变形无法消除，只能采取一定措施予以改善。 (a) 散热和隔热 隔离热源，如将主要热源与机床分离。适当加大散热面积。(b) 均衡温度场(c) 热对称结构 采用热对称结构，可使热变形后对称中心线的位置基本不变，这样可减少对工作精度的影响。(4) 排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性。 3.2.2 支承件的结构设计考虑因素：机床的类型、布局、支承件的形状、工艺性、结构、静态刚度、动态特性等。3.2.2.1 机床的类型、布局、支承件的形状1.机床的类型根据所受外载的特点，机床类型可分为三类：(1) 中小型机床：外载荷以切削力为主，工件重力、移动部件重力等相对较小，可忽略不计，如车床；(2) 精密和高精密机床：以移动件的重力和热应力为主，主要用于精加工，如双立柱坐标镗床；(3) 大型和重型机床：重力和切削力必须同时考虑，如重型车床、落地镗床、龙门式机床等。 2.机床的布局形式对支承件形状的影响中型卧式车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，优点是排屑简单，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。平床身平拖板后倾床身平拖板平床身前倾拖板前倾床身前倾拖板 3. 支承件的形状(1) 箱形类：三个方向的尺寸差不多，如各类箱体、底座、升降台等；(2) 板块类：两个方向的尺寸比第三个大得多，如工作台、刀架等；(3) 梁类：一个方向的尺寸比另两个大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。 7.2.2 支承件的截面形状和选择支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面面积，其抗弯和扭转惯性矩也不同。比较后可知：(1) 空心截面的刚度都比实心的大。(2) 圆(环)形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。(3) 封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。 3.2.2.2 支承件的截面形状和选择车床类床身，主要承受弯曲和扭转载荷，需要排除大量切削和切削。镗床、龙门刨床类床身，主要承受弯曲载荷，床身不需要排除切削和切削液，顶面多采用封闭结构。大型和重型机床类床身，常采用三道壁结构，以提高刚度。 3.2.2.3 支承件肋板和肋条的布置肋板：指连接支承件四周外壁的内板。作用：它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。水平：提高支承件水平面内的弯曲刚度垂直：提高支承件垂直面内的弯曲刚度斜向：同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度 3.2.2.3 支承件肋板和肋条的布置肋条一般配置在支承件的某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。肋条的布置：纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列。 3.2.2.4 合理选择支承件的壁厚铸铁：根据当量尺寸C来选择。C=(2L+B+H)/3L、B、H分别为支承件的长、宽、高。焊接件：由于钢的弹性模量比铸铁大一倍，壁厚可以比铸件薄2/34/5；但是钢的抗振性差。 3.2.3 支承件的材料3.2.3.1 铸铁一般支承件用灰口铁制成，在铸铁中加入少量合金元素如铬、硅、稀土等可提高耐磨性。 铸铁铸造性能好，容易得到复杂的形状，阻尼大，有良好的抗振性能。 铸造后必须进行时效处理，消除铸造应力。（自然时效；人工时效；振动时效） 镶装导轨的支承件灰口铁牌号为HT150；与导轨制作一体的支承件，常采用的牌号为HT200；齿轮箱体常采用的牌号为HT250；主轴箱箱体常采用的牌号为HT300、HT350。 3.2.3 支承件的材料3.2.3.2 钢板焊接结构用钢板和型钢焊接支承件，制造周期短，不用制作木模；钢的弹性模量约为铸铁的1.7倍，抗弯刚度好，重量轻；焊接床身的缺点是阻尼小，抗振性差。3.2.3.3 预应力钢筋混凝土优点：刚度比铸铁高几倍，阻尼比铸铁大，抗振性能优于铸铁，制造工艺简单，成本低。缺点：脆性大，耐腐蚀性差。 钢精混凝土床身，抗振性好内封砂芯，提高床身阻尼 3.2.3.4 天然花岗岩优点是：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。缺点是：抗冲击性能差，脆性大，难于加工成复杂形状的零件。3.2.3.5 树脂混凝土（人造花岗岩） 3.2.3.5 树脂混凝土（人造花岗岩）优点：刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。缺点：某些机械性能差，但是可以预埋金属或添加高强度纤维来提高性能。对于高速、高效、高精度机床应用广泛。树脂混凝土床身有整体结构形式、分块结构形式和框架结构形式。 7.3.5 树脂混凝土（人造花岗岩）框架结构形式：床身框架由金属 型材焊接而成，在框架内进行浇铸。整体结构形式：导轨是金属件，可直接浇铸，也可浇铸后安装。分块结构形式：主要针对结构比较复杂的大型床身结构。 3.2.4 提高支承件结构性能的措施提高支承件的结构性能，主要是提高系统的静刚度、固有频率以及增加系统的阻尼。以避免共振，提高动刚度。3.2.4.1 提高支承件的静刚度和固有频率根据支承件受力情况合理选择支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理的布置肋板和肋条，以提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。 3.2.4.1 提高支承件的静刚度和固有频率床身采用倾斜式空心封闭箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。床身采用三角形肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。 3.2.4.1 提高支承件的静刚度和固有频率 床身采用双层壁加强肋的结构，内腔有冷却系统，防止热变形；立柱设计成双重壁加强肋的封闭式框架结构，刚度好。立式加工中心立柱床身分别采用菱形和X形加强肋板，截面近似正方形，两个方向的抗弯刚度基本相同，抗扭刚度也较高，常用于受复杂空间载荷作用的机床。 3.2.4.2 提高动态特性1. 改善阻尼特性对于铸件支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼材料，可以起到减振作用。 1. 改善阻尼特性对焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用结合面间的摩擦阻尼来减小振动（即分段焊缝可增大阻尼）。或者采用阻尼涂层。 不 同 焊 缝 尺 寸 对 构 件动 刚 度 影 响 1. 改善阻尼特性铁块钢球高黏度油采 用 合 理 设 计 得 到 的 阻 尼 是 本 身 阻 尼 的 10-100倍 2. 采用新材料制造支承件研发并采用刚性高、抗振性好，热变形小、耐化学腐蚀的新材料。（树脂混凝土）3.2.4.3 提高热稳定性主要有三种方法：控制温升：采用分离或隔绝热源方法。采用热对称结构：所谓热对称结构是指在发生热变形时，其工件或刀具回转中心线的位置基本保持不变，因而减小了对加工精度的影响。采用热补偿装置：采用热补偿装置的基本方法是在热变形的相反方向上采取措施，产生相应的反方向热变形，使两者之间影响互相抵消，减少综合热变形。 床身结构图 对称的床身结构，排屑器能从床身中部迅速地将炙热的切屑排除，并且冷却油的对称循环保证了机床的热稳定性。 高 刚 性 结 构 3.3 导轨设计3.3.1 导轨的功能和应满足的基本要求3.3.1.1 支承件的功用和分类导轨的功用是承受载荷(重力和切削力)和导向。在导轨副中，运动的一方叫动导轨，不动的一方叫支承导轨。动导轨相对于支承导轨通常只有一个自由度的直线运动或回转运动。1) 按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨。2) 按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨按两导轨面间的摩擦状态又可分为液体静压导轨、液体动压导轨、普通滑动导轨等。滚动导轨是在两导轨面间装有滚珠、滚柱或滚针等滚动体，具有滚动摩擦的性质。 3.3.1 导轨的功能和应满足的基本要求3.3.1.1 导轨的功用和分类3) 按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨(能够承受较大颠覆力矩)。 压 板 3.3.1.2 导轨应满足的要求(1) 导向精度 导向精度是指动导轨沿支承导轨运动时，直线运动导轨的直线度、平行度和圆周运动导轨的圆度，以及导轨同其它运动部件(如主轴)之间相互位置的准确性。影响导向精度的因素有: 导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式和装配精度、导轨和支承件的刚度和热变形等。其中导轨的几何精度对导向精度影响最大。 3.3.1.2 导轨应满足的要求(2) 精度保持性 即导轨的耐磨性；影响精度保持性的主要因素是磨损，导轨的耐磨性是决定导向精度能否长期保持的关键；常见磨损的形式有磨粒磨损、咬合磨损(咬焊)、疲劳磨损；滑动导轨磨损的基本形式是磨粒磨损和咬合磨损；滚动导轨则主要是疲劳磨损；导轨耐磨性与导轨材料及热处理、导轨面的摩擦性质、导轨受力情况及导轨相对运动速度等有关。 3.3.1.2 导轨应满足的要求(3) 刚度和承载能力若导轨承载后变形，则直接影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度，因此要求导轨有足够的刚度。导轨的变形包括接触变形、扭转变形以及由于导轨支承件变形而引起的导轨变形。导轨的变形主要取决于导轨的形状、尺寸及与支承件的连接方式、受载情况等。 3.3.1.2 导轨应满足的要求(4) 低速运动平稳性 要保证在低速运动或微量位移时不出现爬行现象(低速时运动速度不平稳现象)。进给运动时的爬行将使加工表面粗糙度增大；定位运动时的不平稳，将降低定位精度。与导轨的材料及结构尺寸、润滑状况、动静摩擦系数之差、导轨运动的传动系统刚度有关。(5) 结构简单、工艺性好 应尽量使导轨的结构简单，便于制造和维护。对于刮研导轨，应尽量减少刮研量；对于镶装导轨，应做到更换容易。 3.3.2 导轨的截面形状选择和间隙的调整（重点）3.3.2.1 直线运动导轨的截面形状直线导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，它们可互相组合，每种导轨副中还有凹、凸之分。(1) 矩形导轨矩形导轨具有承载能力大、刚度高、制造简单、检验和维修方便等优点。但存在侧向间隙，导向性差。适用于载荷较大而导向要求略低的机床。 3.3.2.1 直线运动导轨的截面形状(2) 三角形导轨三角形导轨磨损时自动补偿磨损量，不产生间隙。导轨顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。小顶角用于轻载荷精密机械，大顶角用于大型或重型机床。三角形导轨结构有对称式和不对称式两种。 3.3.2.1 直线运动导轨的截面形状(3) 燕尾形导轨燕尾形导轨承载较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但刚度较差，加工检验维修都不太方便。适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。 3.3.2.1 直线运动导轨的截面形状(4) 圆柱形导轨圆柱形导轨制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于承受轴向载荷的导轨，应用较少。3.3.2.2 回转运动导轨的截面形状(1) 平面环形导轨平面环形导轨结构简单、制造方便、能承受较大的轴向力；但不能承受径向力，因而必须与主轴联合使用，由主轴来承受径向载荷。 3.3.2.2 回转运动导轨的截面形状(2) 锥面环形导轨锥面环形导轨除能承受轴向载荷外，还能承受一定的径向载荷；但不能承受较大的颠覆力矩。导向性比平面环形好，但制造较困难。(3) 双锥面导轨双锥面导轨能承受较大的径向力，轴向力和一定的颠覆力矩，制造研磨均较困难。 3.3.2.3 导轨的组合形式(1) 双三角形导轨双三角形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、检验和维修都不方便。 3.3.2.3 导轨的组合形式(2) 双矩形导轨双矩形导轨承载能力大、制造简单。多用在普通精度机床和重型机床中，如重型车床、组合机床、升降台铣床等。导向方式有两种宽式组合和窄式组合。 宽 式 组 合 窄 式 组 合 3.3.2.3 导轨的组合形式(3) 矩形和三角形导轨矩形和三角形导轨的组合导向性好，刚性高，制造方便，应用最广。(4) 矩形和燕尾形导轨矩形和燕尾形导轨的组合能承受较大力矩，调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。 3.3.2.4 导轨间隙的调整导轨面间的间隙对机床工作性能有直接影响，如果间隙过大，会影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快。导轨常用压板、镶条来调整。(1) 压板压板用来调整导轨面的间隙和承受颠覆力矩。 磨 、 刮 磨 、 刮 垫 片 平 镶 条 3.3.2.4 导轨间隙的调整(2) 镶条镶条调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。(点受力、易变形、刚度低) 矩 形 截 面 梯 形 截 面 平 行 四 边 形 截 面平镶条 3.3.2.4 导轨间隙的调整(2) 镶条镶条调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。斜 镶 条 3.3.2.4 导轨间隙的调整(3) 导向调整板采用导向调整板调整间隙，调整方便，接触良好，磨损小。 3.3.3 导轨的结构类型和特点滑动导轨静压导轨卸荷导轨滚动导轨 3.3.3.1 滑动导轨滑动导轨具有一定动压效应的混合摩擦状态。导轨的动压效应主要与导轨的摩擦速度、润滑油粘度、导轨面的油沟尺寸和形式等有关。速度较高的主运动导轨，应合理设计油沟型式和尺寸，选择合适粘度的润滑油，以产生较好的动压效果。 3.3.3.1 滑动导轨优点是结构简单、制造方便和抗振性好。缺点是磨损快。措施：为提高耐磨性，广泛采用塑料导轨和镶钢导轨。塑料导轨使用粘结法或涂层法覆盖在导轨面上。通常对长导轨用喷涂法、对短导轨用粘结法。(1) 粘结塑料软带导轨(2) 塑料涂层(3) 金属塑料复合导轨(4) 镶钢导轨 3.3.3.2 静压导轨工作原理与静压轴承相似，通常在动导轨面上均匀分布有油腔和封油面，把具有一定压力的液体或气体介质经节流器送到油腔内，使导轨面间流体产生压力，将动导轨微微抬起，与支承导轨脱离，浮在压力油膜或气膜上。优点：摩擦系数小，在启动和停止时没有磨损，精度保持性好。缺点：结构复杂，需要一套专门液压或气压设备，维修、调整比较麻烦。多用于精密和高精密机床或低速运动机床中。静压导轨按结构形式分为开式和闭式两大类。 3.3.3.2 静压导轨 开 式 静 压 导 轨闭 式 静 压 导 轨 3.3.3.3 卸荷导轨卸荷导轨用来降低导轨面的压力，减少摩擦阻力，从而提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，尤其是对大、重型机床来说，工作台和工件的质量很大，导轨面上的摩擦阻力很大，常用卸荷导轨。导轨的卸荷方式有机械卸荷、液压卸荷和气压卸荷。(1) 机械卸荷导轨卸荷力不能随外载荷的变化而调节。 3.3.3.3 卸荷导轨(2) 液压卸荷导轨将高压油压入工作台导轨上的一串纵向油槽，产生向上的浮力，分担工作台的部分外载，起到卸荷的作用。(3) 自动调节气压卸荷导轨压缩空气进入工作台的气囊，经导轨面间由于表面粗糙度而形成的微小沟槽流入大气，导轨间的气压呈梯形分布，形成一个气垫，产生的上浮力对导轨进行卸荷。 3.3.3.4 滚动导轨与滑动导轨相比，滚动导轨其特点如下：优点是摩擦系数小，动、静摩擦因数很接近。因此摩擦力小，起动轻便，运动灵敏，不易爬行；磨损小，精度保持性好，寿命长。常用于对运动灵敏度要求高的地方，如数控机床和机器人或者精密定位微量进给机床等。缺点是抗振性差，但可以通过预紧方式提高，结构复杂，成本高。（一） 滚动导轨的类型1. 按滚动体的类型分类滚动体主要有滚珠、滚柱、滚针等。 （一） 滚动导轨的类型1. 按滚动体的类型分类(1) 滚珠导轨由于滚珠和导轨面是点接触，故运动轻便，但刚度低，承载能力小。常用于运动件重量、载荷不大的场合。 （一） 滚动导轨的类型1. 按滚动体的类型分类(2) 滚柱(滚针)导轨滚柱导轨中的滚柱与导轨面是线接触，故它的承载能力和刚度比滚珠导轨大，耐磨性较好，灵活性稍差。滚柱对导轨的不平度较敏感，容易产生侧向偏移和滑动，而使导轨的阻力增加，磨损加快，精度降低。滚柱的直径越大，对导轨的不平度越为敏感。 （一） 滚动导轨的类型2. 按循环方式分类(1) 循环式滚动导轨（滚动体在运行过程中沿自己的工作轨道和返回轨道作连续循环运动）(2) 非循环式滚动导轨滚动体在运动过程中不循环，形程有限。 滚 针 不 循 环 型滚 柱 循 环 型滚 珠 循 环 型 导 轨 条端 面 挡 板 密 封 垫 滚 珠滑 块 （二） 直线滚动导轨副的工作原理导 轨 条端 面 挡 板密 封 垫 滚 珠滑 块 （三） 滚动导轨块（规模化，承载能力大，刚度高，系列化） （四） 滚动导轨的预紧方法是靠螺钉、垫块或斜块移动导轨实现、还可靠尺寸差达到预紧。 3.3.3.5 导轨的设计1.滑动导轨的设计滑动导轨的设计主要有如下内容选择滑动导轨的类型和截面形状；根据机床的工作条件、使用性能，选择合适的导轨类型；选择合适的导轨材料、热处理方法，保证导轨耐磨性和使用寿命；进行滑动导轨的结构设计和计算；设计导轨调整间隙装置和补偿方法；设计润滑、防护系统装置；制定出导轨制造加工、装配的技术要求。 3.3.3.5 导轨的设计2. 滚动导轨的设计目前，直线滚动导轨副和滚动导轨块基本上已经系列化、规格化和模块化。用户可根据需要进行外购。滚动导轨的设计，主要是根据导轨的工作条件、受力情况、使用寿命等要求，选择直线滚动导轨副或滚动导轨块的类型、数量，并进行合理的配置。 3.3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施3.3.4.1 合理选择导轨的材料和热处理(1) 导轨副材料的选用原则 对导轨材料的主要要求：耐磨性好、工艺性好、成本低。 常用的导轨材料有铸铁、钢、有色金属和塑料。 为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同的材料，一般动导轨采用较软的材料，以便维修。 若选用相同的材料时，则应采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。 3.3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施3.3.4.1 合理选择导轨的材料和热处理(2) 铸铁导轨 铸铁具有低成本、良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工的特点。 导轨常用的铸铁有灰铸铁HT200、孕育铸铁HT300和耐磨铸铁。 铸铁导轨经常采用高频淬火、超音频淬火、中频淬火及电接触自冷淬火等来提高表面硬度，表面淬火硬度一般为4555HRC左右，耐磨性可提高12倍。 3.3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施3.3.4.1 合理选择导轨的材料和热处理(3) 镶钢导轨 淬火钢的耐磨性比普通铸铁高5 10倍，镶钢导轨常采用材料有45、40Cr等，表面淬硬或全淬透，硬度达到5258HRC，或者采用20Cr、20CrMnTi等渗碳淬硬至5562HRC。镶装方法很多。国内有的数控机床和加工中心采用镶钢导轨。镶钢导轨工艺复杂，加工较困难、成本也较高，为便于热处理和减小变形，可把钢导轨分段，钉接在床身上。 3.3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施3.3.4.1 合理选择导轨的材料和热处理(4) 有色金属导轨 有色金属镶装导轨耐磨性高，可以防止咬合磨损。材料主要有锡青铜、铝青铜等。(5) 塑料导轨通过粘接或喷涂把塑料覆盖在导轨面上。常用的塑料导轨有聚四氟乙烯(PTFE)导轨软带、环氧型耐磨导轨涂层、复合材料导轨板等。摩擦系数小，具有良好的防止爬行的性能；具有优异的耐热性；化学稳定性极好。 3.3.4 提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施3.3.4.2 导轨的预紧合理地将滚动导轨预紧可以提高其承载能力、运动精度和刚度。3.3.4.3 导轨的润滑和防护导轨的良好润滑和可靠防护，可以降低摩擦力，减少磨损，降低温度和防止生锈，延长寿命。3.3.4.4 导轨的磨损争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补偿磨损量磨损的原因：导轨结合面在一定压强作用下直接接触并相对运动而造成。争取不磨损的条件：让结合面在运动时不接触。方法：保证完全的液体润滑。