3-2金属切削机床设计的基本理论.docx

第二节 金属切削机床设计的基本理论机床不同于一般的机械，它此在刚度、精度及运动特性方面有其特殊要求下面简单介绍一下与 上述特性相关的一些基础理论概念精度加工中保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度，并能在机 床长期使用中保持这些要求，机床本身必须具备的精度称为机床精 度各类机床按精度可分为在设计阶段主要从机床的精度分配、以上三种精度等级的机床均有相应的精度标准,其允差若以普通级为 1,则大致元件及材料选择等方面来提高机床精度1. 几何精度几何精度直接影响 加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标它主要决定于结构设计、制造和装配质量2. 运动精度对于高速精密机床，运动精 度是评价机床质量的一个重要指标它与结构设计及制造等因素有 关3. 传动精度影响传动精度的主要因索是传动系统的设计，传动元件的制造和装配精度4.定位精度定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度机床构件和进给控制 系统的精度、刚度以及其动态特性，机床测量系统的精度都将影响机床定位精度5.工作精度O工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变 形和刀具、工件的刚度及热变形等6・精度保持性影响精度保持性的主要因素是磨损。

磨损的影响因素十分复杂, 如结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等二、刚度（一）概述作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、 冲击振动干扰力等按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷, 即不随时间变化或变化极为缓慢的力称静载荷，如重力、切削力的静 力部分等凡随时间变化的力如冲击振动力及切削力的交变部分等称 动态力故 ，后者是抗振性的一部分二）整机刚度机床是由许多构件结合而成的,在载荷作用下各构件及结合部都要 产生变形，这些变形直接或间接的引起刀具和工件之间相对位移，这 个位移的大小代表了机床的整机刚度因此，机床整机刚度不能用某个零、部件的刚度评价，而显然，刀具和工件间的相对位移影响加 工精度，同时静刚度对机床抗振性、生产率等均有影响因此，在机 床设计中对如何提高其刚度是十分重视的国内外对结构刚度和接触 刚度做了大量的研究工作在设计中即要考虑提高各部件刚度，同时 也要考虑结合部刚度及各部件间刚度匹配各个部件和结合部对机床 整机刚度的贡献大小是不同的，设计中应进行刚度的合理分配或优 化三、抗振性机床抗振性指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力它包括 两个方面：抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。

前者有时习 惯上称之为抗振性，后者常称为切削稳定性nY；（一）受迫振动III机床受迫振动的频率与振源激振力的频率 相同，振幅与激振力大小及机床阻尼比有关当激振频率与机床的固 有频率接近时，机床将呈现“共振”现象，使振幅激增，加工表面的 粗糙度也将大大增加机床是由许多零、部件及结合部组成的复杂振 动系统，它属于多自由度系统，具有多个固有频率在其中某一个固 有频率下自由振动时，各点振幅的比值称为主振型对应于最低固有频 率的主振型称为一阶主振型，依次有二阶、三阶……等阶主振型机 床的振动乃是各阶主振型的合成一般只需要考虑对机床性能影响最 大的几个低阶振型，如整机摇摆、一阶弯曲、扭转等振型，即可较准 确地表示机床实际的振动二）自激振动它在切削过程中出现，由切削过程和机床结构动态特性之间的相互作用而产生的，其频率与机床系统的固有频率相接近自激振动一旦出现, 它的振幅由小到大增加很快在一般情况下，切削用量增加，切削力 愈大，自激振动就愈剧烈但切削过程停止，振动立即消失故自激 振动也称为切削稳定性三）振动影响因素 机床振动会降低加工精度、工件表面质量和刀具耐用度，影响生产率并加速机床的损坏，而且会产生噪声，使操作者疲劳等。

故提高 机床抗振性是机床设计中一个重要课题影响机床振动的主要原因 有:热变形（一）概述因不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的 变形不同,导致机床产生热变形它不仅会破坏机床的原始几何精度,加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转特别对精密机床、大型机床、自动化机床、数控机床等，热变形的影响尤其不能忽视III（二）热平衡的温度场O机床各部份机床工作时一方面产生热量，另一方面又要向周围发散热量，如 果机床热源单位时间产生的热量一定，由于开始时机床的温度较低, 与周围环境之间的温差小，散出的热量少，机床温度升高较快随着 机床温度的升高，温差加大，散热增加，所以机床温度的升高将逐渐 减慢当达到某一温度时，单位时间内发热量等于散出的热量，即达 到了热平衡温度不可能相同，热源处最高，离热源越远则温度越低，这就形成了 温度场通常，温度场是用等温曲线来表示通过温度场可分析机床 热源并了解热变形的影响在设计机床时应特别注意机床内部热源的影响五、噪声 （一）概述物体振动是产生噪声的源泉机床工作时各种振动频率不同，振 幅也不同，它们将产生不同频率和不同强度的声音这些声音无规律 地组合在一起即成噪声随着现代机床切削速度的提高、功率的增大、 自动化功能的增多，噪声污染问题也越来越严重。

降低机床噪声，保 护环境是机床设计者的任务之一二）噪声的度量指标噪声是声音的一种，声音是一种在弹性介质中传播的机械波当这种渡的频率在20Hz到20kHz范围内时，人们有可能感觉到声音 为了能反映人对声音的响应，声音的度量指标有客观和主观两种方 法1・客观度量以下以声压和声压级的表示方法为例说明当声波 在介质中传播，介质中的压力与静压的差值为声压，通常用P表示, 其单位是Pa (N/m)o正常人人耳能听到的最小声压称为听阈，把听 阈作为基准声压，用相对量的对数值来表示，称之为声压级Lp (dB) 2.噪声的主观度量人耳对声音的感觉不仅和声压有关，而且和频率有关，声压级相 同而频率不同的声音听起来不一样根据这一特征人们引人将声压级 和频率结合起来表示声音强弱的主观度量有响度、响度级和声级等O(三) 机床噪声1)如齿轮、滚动轴承及其它传动元件的振动、摩擦等一般速度增加一倍噪声增加6dBo载荷增加一倍噪声增加3dBo故机床速度提高，功率加大都可能增加噪声污染2) 声如泵、阀、管道等的液压冲击，气穴，紊流产生噪3)4)产生噪声如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声O如电动机风扇、转子高速旋转对空气的搅动等六、低速运动平稳性(一)爬行现象和机理机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。

如 精密机床和数控机床加工中的定位运动速度很低或位移极小,产生爬行影响定位精度F图3・2进给传动的力学模型爬行是个很复杂的现象,来说明 力学模 3之间的进以下以直线运动的爬行为例 将机床直线运动传动系统简化为型，如图3—2所不图中1为主动件，3为被动件1、给系统2（包括齿轮、丝杠、螺母等）可简化为等效弹簧八和等效粘性阻 尼器C （可合称为复弹簧），3在支承导轨4上沿直线移动，摩擦力F 随着3的速度变化而变化当主动件1以匀速v低速移动时，压缩弹 簧2使被动件3受力，但由于被动件与导轨问的静摩擦力F大于件3 受的驱动力，件3静止不动，进给系统2处于储能状态随着件1 的继续移动，件2储能增加，件3所受的驱动力越来越大，当驱动力 大于静摩擦力F时，件3开始移动，这时静摩擦转化为动摩擦，摩 擦系数迅速下降，使件3移动速度增大由于动摩擦力随速度的增加 而降低，又使件3的移动速度进一步加大这时2的弹簧力减小，当 弹簧力减到等于动摩擦力时，系统处于平衡状态但是由于惯性，件 3仍以较大的速度移动，弹簧力则进一步减小，直到小于动摩擦力时, 件3加速度变为负值，移动速度减慢，动摩擦力增大，其速度进一步 下降。

当弹簧力和件3的惯性不能克服摩擦力时，件3便停止运动 件1再重新开始压缩弹簧，上述过程重复发生就产生时停时走的爬 行当摩擦面处在边界和混合摩擦状态下，摩擦系数的变化是非线性 的因此，在弹簧重新被压缩的过程中，在被动件3的速度尚未降至 零时，弹簧力有可能大于动摩擦力，使件3的速度又再次增大，将出 现时慢时快的爬行二) 爬行的度量(1) 爬行量 用机床部件位移一时间曲线表示，用它直观地描 述时走时停的爬行现象2) 速度波动量 用机床部件速度时间曲线表示用它描述时 快时慢的爬行现象II(3) 爬行的临界速度机床运动部件不产生爬行的最低驱动速度 称为爬行临界速度，(三) 消除爬行的措施减少静、动摩擦系数之差的方法有；用滚动摩擦代替滑动摩擦；采 用卸荷导轨或静压导轨；采用减摩材料，如导轨上镶装铝青铜、锌青 铜或聚四氟乙烯塑料与铸铁或钢支承导轨相搭配;采用特殊的导轨油 等。