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            高速加工對機床結構的基本要求和設計原則

            由于高速加工中的切削速度,進給速度和加減速度都大,因此機床的發熱量,運動部件的慣量也大,容易導致機床結構的過量溫升、熱變形和產生沖擊振動,最終會影響到加工精度、質量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性。所以,高速加工對機床結構的基本要求,首先是要三高,即靜剛度高、動剛度高和熱剛度高,也就是說,“三剛”特性要好;其次是運動部件要輕量化,即要盡量減少傳動系統的慣量。為此,機床結構設計應采取的原則措施是:

            為了提高結構的靜剛度,首先是選擇彈性模量大的材料,如鋼、鑄鐵等作為結構件的基本材料;其次是根據受力的性質(拉,壓或扭)和條件(力的大小,方向和作用點)選擇合理的結構截面形狀、尺寸、筋壁布置和機床的總體布局;三是結構件間的接合面要平整,面積大小要適當,接觸點在接合面上的分布要均勻,連接要牢固等;四是盡量采用箱形和整體型結構。

            為了提高結構的動剛度,首先是在保證靜剛度的前提下,選擇阻尼系數大的材料,如人造花崗巖,鑄鐵等作為基礎結構件的材料;二是通過模型試驗或模態分析合理設計和調整結構的質量分布和結構接合面的剛度值,以改變結構系統本身的固有振動頻率,使其遠離切削過程中所產生的強迫振動頻率,避免產生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的結構設計,如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續焊接的焊件等;四是直線運動部件的支承導軌面間距離要盡可能寬闊,驅動力的作用線要居中并盡可能靠近運動部件的重心,傳動鏈中應無反向間隙,以保證運動平穩,無沖擊。

            為了提高結構的熱剛度,原則上首先應采用熱容量大、熱脹系數小的材料和熱脹系數相近的材料作為結構材料;其次是根據機床上的熱源和溫度場的分布情況,盡量采用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結構,包括采用熱補償措施的結構等,以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響。

            為了減少運動部件的重量和傳動系統的慣量,一是選用比重小的材料,如鋁合金和復合材料等,作為運動部件的結構材料;二是在保證剛度和承載能力的前提下,盡量去除多馀的材料;三是采用直接傳動,簡化傳動系統,縮短傳動鏈,以提高機床的運動品質。

            現實中能同時滿足上述條件要求的材料和結構是沒有的,只能按實際要求進行綜合評估后選取。

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