數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化加工設(shè)備。盡管數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，但仍然為機(jī)械制造廠家所普遍采用并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，其原因在于數(shù)控機(jī)床能自動(dòng)化地，高精度、高質(zhì)量、高效率地解決中、小批量的加工問(wèn)題。數(shù)控技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)床上的應(yīng)用，為數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化、高精度、高效率提供了可能性，但要將可能性變成現(xiàn)實(shí)，則必須要求數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性才能保證。這些特性包括結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦特性、幾何精度、傳動(dòng)精度等。
一、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度
機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度是指在切削力和其他力的作用下，機(jī)床抵抗變形的能力。
機(jī)床在加工過(guò)程中，受多種外力的作用，包括運(yùn)動(dòng)部件和工件的自重、切削力、驅(qū)動(dòng)力、加減速時(shí)的慣性力、摩擦阻力等。機(jī)床的各部件在這些力的作用下將產(chǎn)生變形，如 各基礎(chǔ) 件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，支承構(gòu)件的局部變形，固定 連接面和運(yùn)動(dòng)嚙合面的接觸變形等。這些變形都會(huì)直接或間接地引起刀具與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，破壞刀具和工件原來(lái)所占有的正確位置，從而影響機(jī)床的加工精度和切削過(guò)程的特性，所以，提高機(jī)床的靜剛度是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的普遍要求。數(shù)控機(jī)床為獲得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各種外力負(fù)載更加惡劣，而且加工過(guò)程的自動(dòng)化也使得加工誤差無(wú)法由人工干預(yù)來(lái)修正和補(bǔ)償，所以，數(shù)控機(jī)床的變形對(duì)加工精度的影響會(huì)更為嚴(yán)重。為了保證數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)化、高效率的切削條件下獲得穩(wěn)定的高精度，其機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更高的靜剛度，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機(jī)床高 50 ％。
1 ．合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件的截面形狀和尺寸，采用合理的筋板結(jié)構(gòu)
機(jī)床在外力的作用下， 各基礎(chǔ)件將 承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，其彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的大小則取決于基礎(chǔ)件的截面抗彎 和抗扭慣性矩 ，抗彎、 抗扭慣性矩大，變形則小，剛度就高。表 5-1 列出了在截面 積相同 （ 即重量相同 ） 時(shí)，不同截面形狀和尺寸的慣性矩。由表中數(shù)據(jù)可知：在形狀和截面積相同時(shí)，減小壁厚，加大截面輪廓尺寸，可大大增加剛度；封閉截面的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不封閉截面的剛度；圓形截面的抗扭剛度高于方形截面，抗彎剛度則低于方形截面；矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度。因此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)截面形狀和尺寸，可大大提高基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)靜剛度。
所示為 日本森精機(jī) SL 系列數(shù)控車床的床身截面，床身導(dǎo)軌傾斜布置，改善了排屑條件，同時(shí)截面形狀采用封閉式箱體結(jié)構(gòu)，從而加大了床身截面的外輪廓尺寸，使該床身具有很高的抗彎、抗扭剛度。這種傾斜布置的結(jié)構(gòu)為數(shù)控車床所普遍采用。
所示為臥式加工中心普遍采用的框式立柱結(jié)構(gòu)。從正面看，立柱截面成封閉框形，輪廓尺寸大，從而保證以高扭轉(zhuǎn)剛度承受切削扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷。從俯視截面看，兩個(gè)立柱截面形狀為矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用產(chǎn)生大的彎曲載荷的方向。因而這種結(jié)構(gòu)具有很高的剛度。
合理布置基礎(chǔ)件的筋板可以提高靜剛度，表5-2 給出了立柱的幾種不同筋板布置時(shí)的相對(duì)靜剛度。從表中可知：縱向筋板能提高立柱的抗彎和抗扭剛度，提高抗扭剛度效果更為顯著；對(duì)角線斜置筋板和對(duì)角線交叉筋板對(duì)提高立柱的剛度更為有效。
表5-2 不同筋板布置時(shí)立柱的靜剛度對(duì)比
所示為兩種立式加工中心立柱的橫截面圖。由于該立柱承受彎扭組合載荷，故截面采用接近正方形的封閉外形，為了進(jìn)一步提高抗彎、抗扭剛度，內(nèi)部采用了斜方雙層壁（ 相當(dāng)于斜縱向筋板） 和對(duì)角線交叉筋板。所以，這兩種立柱都有很高的抗彎、抗扭剛度。
（a）XK-716 型立式加工中心； （b）STAMA MCll8 型立式加工中心
圖5-3 立柱橫截面
合理布置筋板還可提高基礎(chǔ)件的局部剛度，圖5-4 所示為日本三井精機(jī) HS 6A 型超精密重切削臥式加工中心采用的床身結(jié)構(gòu)。該床身為整體式結(jié)構(gòu)，截面為封閉箱形結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)剛度很高。為了加強(qiáng)導(dǎo)軌連接的局部剛度，采用兩條成 Y 形的斜筋支撐導(dǎo)軌。
三井精機(jī)HS 6A 型加工中心的床身結(jié)構(gòu)
2 ．采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善機(jī)床的受力狀態(tài)，提高機(jī)床的靜剛度
在切削力、自重等外力相同的情況下，如果能改善機(jī)床的受力狀態(tài)，減小變形，則能達(dá)到提高剛度的目的。以機(jī)床主軸為例，在其他條件不變的情況下，縮短主軸前端的懸伸長(zhǎng)度，可以減小主軸承受的彎矩，從而減小主軸前端的撓度，提高主軸的剛度。
采用合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局，可以顯著地改善機(jī)床的受力狀況，提高機(jī)床的剛度。
圖5-5 所示為傳統(tǒng)的車床床身布局 （ 見(jiàn)圖5-5（a）） 與數(shù)控車床床身布局 （ 見(jiàn)圖5-5（b）） 的受力狀況的分析比較。
車床床身布局
設(shè)床身截面積和慣性矩及其所受切削力 P 相等，對(duì)傳統(tǒng)車床，床身水平布局，床身所受扭矩為 ：
（5-1）
對(duì)數(shù)控車床，床身傾斜布局，設(shè)傾角為 β ，床身所受扭矩為 ： （5-2）
比較式 （5-1） 和式 （5-2） 可看出，采用傾斜布局的數(shù)控車床床身所承受的扭矩要比采用水平布局的傳統(tǒng)車床床身的要小，因而機(jī)床的剛度得到了提高。
圖5-6 所示為傳統(tǒng)的臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)布局和臥式加工中心 （ 臥式自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床 ） 的結(jié)構(gòu)布局的比較。
傳統(tǒng)的臥式鏜銑床由于主軸箱單面懸掛在立柱側(cè)面，主軸箱自重將使立柱承受彎矩 ，切削力將使立柱承受扭矩 ，而加工中心的布局使主軸箱的主軸中心位于立柱的對(duì)稱面內(nèi)，立柱則不再承受由主軸箱自重產(chǎn)生的彎矩和由切削力產(chǎn)生的扭矩，從而改善了立柱的受力狀況，減小了立柱的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，提高了剛度 。
臥式鏜銑床與臥式加工中心的結(jié)構(gòu)布局比較
3 ．補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形
在外力的作用下，機(jī)床的變形是不可避免的，如果能采取措施使變形對(duì)加工精度的影響減小，其結(jié)果相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。依照這一思路，產(chǎn)生了許多補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形的方法，這種方法普遍用于補(bǔ)償因自重而引起的靜力變形。
如圖5-7 所示的大型龍門銑床，當(dāng)主軸部件移到橫梁中部時(shí)，橫梁的彎曲變形 （ 下凹 ） 最大。為此可將橫梁導(dǎo)軌加工成中部凸起的拋物線形，或者通過(guò)在橫梁內(nèi)部安裝輔助梁和預(yù)校正螺釘將主導(dǎo)軌預(yù)調(diào)校正為中凸拋物線形，這樣可以補(bǔ)償主軸箱移動(dòng)到橫梁中部時(shí)引起的彎曲變形 （ 圖5-7（a）） 。
為補(bǔ)償主軸箱自重的影響，也可以用加平衡重塊或其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于橫梁上的自重，從而減小橫梁因主軸箱自重引起的彎曲變形 （ 圖5-7（b）） 。
4 ．提高機(jī)床各部件的接觸剛度
在機(jī)床各部件的固定連接面和運(yùn)動(dòng)副的結(jié)合面之間，總會(huì)存在宏觀和微觀不平，兩個(gè)面之間真正接觸的只是一些高點(diǎn)，實(shí)際接觸面積小于兩接觸表面的面積 （ 名義接觸面積 ） ，因此，在承載時(shí)，作用于這些接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)要比平均壓強(qiáng)大得多，從而產(chǎn)生接觸變形。平均壓強(qiáng) p 與變形 δ 之比稱為接觸剛度 ，即
（5-3）
由于機(jī)床總有為數(shù)較多的靜、動(dòng)連接面，如果不注意提高接觸剛度，各連接面的接觸變形就會(huì)大大降低機(jī)床的整體剛度，對(duì)加工精度產(chǎn)生非常不利的影響。
橫梁彎曲變形補(bǔ)償
影響接觸剛度的根本因素是實(shí)際接觸面積的大小，任何增大實(shí)際接觸面積的方法都能有效地提高接觸剛度。如機(jī)床的導(dǎo)軌常采用人工鏟刮工藝作為最終的精加工工序，通過(guò)刮 研 ，可以增加單位面積上的接觸點(diǎn)，并使接觸點(diǎn)分布均勻，從而增加 導(dǎo)軌副結(jié)合面的實(shí)際接觸面積，提高接觸剛度。又如采用滾動(dòng)軸承作為支承的主軸部件，都要設(shè)計(jì)預(yù) 緊結(jié)構(gòu)調(diào)整軸承間隙，使軸承在有預(yù)加載荷的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，以提高主軸的支承剛度。預(yù)加載荷增大了實(shí)際接觸點(diǎn)的面積，從而達(dá)到提高接觸剛度的目的。采用螺紋緊固的固定連接面，合理布置一定數(shù)量的螺栓，并對(duì)螺栓的擰緊力矩提出嚴(yán)格要求以保證適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，也是為提高接觸剛度而常采用的措施。
5 ．采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)
長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)床基礎(chǔ)件主要采用鑄鐵件。近年來(lái)，以鋼板焊接結(jié)構(gòu)代替鑄鐵件的趨勢(shì)不斷擴(kuò)大，從開(kāi)始在單件和小批量的重型和超重型機(jī)床上的應(yīng)用，逐步發(fā)展到有一定批量的中型機(jī)床。
表 5-3 列出了 Star-Turn1200 型數(shù)控車床焊接床身和鑄造床身的剛度的對(duì)比結(jié)果。從結(jié)果看，焊接床身的剛度高于鑄造床身。這是因?yàn)閮煞N床身的筋板布置不同，鋼板焊接結(jié)構(gòu)容易采第五章數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)用最有利于提高剛度的筋板布置形式，能充分發(fā)揮壁板和筋板的承載及抵抗變形的作用；焊接結(jié)構(gòu)還無(wú)需鑄造結(jié)構(gòu)所需的出砂口，有可能將基礎(chǔ)件做成完全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。另外，鋼板的彈性摸量 E 為 MPa ，而鑄鐵的彈性模量 E 僅 MPa ，兩者幾乎相差一倍， E= σ / ε ，在應(yīng)力 σ 相同時(shí)， E 大則產(chǎn)生的應(yīng)變 ε 小， E 的大小反映了材料抵抗彈性變形的能力。因此，在結(jié)構(gòu)相同時(shí)， E 值大的材料剛度則高。
表5-3 焊接床身與鑄造床身的剛度對(duì)比
二、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性
機(jī)床的振動(dòng)會(huì)在被加工工件表面留下振紋，影響工件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)則使加工過(guò)程難以進(jìn)行下去。機(jī)床加工時(shí)可能產(chǎn)生兩種形式的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。機(jī)床的抗振性指的是抵抗這兩種振動(dòng)的能力。
強(qiáng)迫振動(dòng)是在各種動(dòng)態(tài)力 （ 如高速回轉(zhuǎn)零件的不平衡力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的換向沖擊力、周期變化的切削力等 ） 作用下被迫產(chǎn)生的振動(dòng)。如果動(dòng)態(tài)力的頻率與機(jī)床某部件的固有頻率重合，則將發(fā)生共振。機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)的能力可以用動(dòng)剛度大小來(lái)表示。
自激振動(dòng)是在投有外加動(dòng)態(tài)力的情況下，由切削過(guò)程自身所激發(fā)的振動(dòng)。自激振動(dòng)的頻率接近或略高于機(jī)床主振型的低階固有頻率，振幅較大，對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生極為不利的影響。當(dāng)機(jī)床的剛度、刀具切削角度、工件與刀具材料、切削速度和進(jìn)給量都一定時(shí)，影響自激振動(dòng)的主要因素就是切削寬度 b ，因此，可以把不產(chǎn)生自激振動(dòng)的最大切削寬度，稱為臨界切削寬度 ，作為判斷機(jī)床切削穩(wěn)定性 （ 抵抗自激振動(dòng)的能力 ） 的指標(biāo)。
高速切削是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力的直接因素，強(qiáng)力切削也意味著切削寬度大。數(shù)控機(jī)床在追求高速度、高切削效率的同時(shí)，也埋下了容易產(chǎn)生受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的根源。切削過(guò)程的自動(dòng)化又使得振動(dòng)難以由人工來(lái)控制和消除，數(shù)控機(jī)床只有靠自身機(jī)床結(jié)構(gòu)的高抗振性來(lái)減小和克服振動(dòng)對(duì)加工精度、加工過(guò)程的影響。
提高機(jī)床的抗振性，可以從提高靜剛度、固有頻率和增加阻尼幾個(gè)方面著手。提高靜剛度的措施已在前面有詳細(xì)的介紹。因?yàn)楣逃蓄l率 （ 其中， K 為靜剛度， m 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量 ） ，所以在提高靜剛度時(shí)，能相對(duì)減小結(jié)構(gòu)件的重量，即提高單位重量的剛度，則能提高固有頻率。前面介紹的合理布置筋板，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等提高靜剛度的措施，同樣能達(dá)到提高固有頻率的目的。下面將主要介紹數(shù)控機(jī)床在增加阻尼方面采取的措施。
1 ．基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料
圖5-8 兩種車床床身的動(dòng)態(tài)特性比較
在基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土，振動(dòng)時(shí)可利用相對(duì)摩擦來(lái)耗散振動(dòng)能量，從而提高結(jié)構(gòu)的阻尼特性。圖5-8 所示為兩種車床床身結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性的對(duì)比，充填泥芯的 床身阻尼顯著增加。圖5-9 所示為 DNE 480L 型數(shù)控車床的底座和床身結(jié)構(gòu)，底座內(nèi)所充填的混凝土的內(nèi)摩擦阻尼較高，再配以封砂的 床身，使機(jī)床有較高的抗振性。
2 ．表面采用阻尼涂層
對(duì)于彎曲振動(dòng)結(jié)構(gòu)件，在其表面噴涂一層具有較高內(nèi)阻尼和較高彈性的粘滯材料 （ 如瀝青基制成的膠泥減振劑、高分子聚合物和油漆膩?zhàn)拥?） ，涂層厚度愈大，阻尼愈大。采用阻尼涂層，既可不改變?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和剛度，又能獲得較高的阻尼比，其阻尼比 ξ 值可達(dá) 0.05~0.1 。這種措施常用于鋼板焊接的結(jié)構(gòu)。
3 ．采用新材料制造基礎(chǔ)件
最近 10 年來(lái)，德國(guó)和瑞士在應(yīng)用聚合物混凝土制造基礎(chǔ)件的研究中取得了進(jìn)展。德國(guó)布格哈特—韋貝爾 （BURKHARUT&WEBER） 公司為 HYOP80 NC W 型加工中心制成了丙烯酸樹(shù)脂混凝土床身，其動(dòng)剛度比鑄鐵件的高 6 倍。瑞士的精密磨床生產(chǎn) 廠家斯 圖德 （STUDER） 公司制成了 S40 和 S50 系列數(shù)控外圓磨床的樹(shù)脂混凝土床身，具有剛度高、 抗振性好 、耐化學(xué)腐蝕和耐熱的特點(diǎn)。
4 ．充分利用接合面間的阻尼
在焊接結(jié)構(gòu)上，壁板和 筋板 之間采用間斷焊接 （ 即焊一段，空一段，再焊一段 ） ，空的那一段振動(dòng)時(shí)互相摩擦，可消耗振動(dòng)能量，從而獲得良好的阻尼特性。
三、減小機(jī)床的熱變形
熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。機(jī)床在工作時(shí)，有許多部件和部位會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如電機(jī)、滾動(dòng)軸承、切屑及刀具與工件的切削部位、液壓系統(tǒng)等。這些產(chǎn)生熱量的部件和部位稱為熱源。熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳遞給機(jī)床的各個(gè)部件，引起溫升，產(chǎn)生熱膨脹。由于熱源分布不均勻，各熱源產(chǎn)生的熱量不等，零部件各處質(zhì)量不均勻，形成機(jī)床各部位溫升不一致，從而產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)和不均勻的熱膨脹變形，以致破壞刀具與工件的正確相對(duì)位置，影響加工精度。
數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn) 給速度 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)床，并且大切削用量產(chǎn)生的熾熱切屑也多，故發(fā)熱遠(yuǎn)較傳統(tǒng)機(jī)床嚴(yán)重，而熱變形對(duì)加工精度的影響往往難以由操作者修正，因此對(duì)如何減小機(jī)床的熱變形應(yīng)予以特別重視。
1 ．改進(jìn)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1） 采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)相對(duì)熱源是對(duì)稱的。這樣在產(chǎn)生熱變形時(shí)，可保證工件或刀具回轉(zhuǎn)中心對(duì)稱線的位置不變，從而減小熱變形對(duì)加工精度的影響。最典型的實(shí)例是許多臥式加工中心所采用的框式雙立柱結(jié)構(gòu)，主軸箱嵌入框式立柱內(nèi) （ 見(jiàn)圖 5-9） ，且以立柱左、右導(dǎo)軌兩內(nèi)側(cè)定位，在熱變形時(shí)，主軸中心在水平方向的位置保持不變，從而減小了熱變形的影響。
（2） 采用預(yù)拉伸的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)
數(shù)控機(jī)床中的滾珠絲杠是在預(yù)加載荷大、轉(zhuǎn)速高、散熱差的條件下工作的，容易發(fā)熱，滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。采用預(yù)拉伸的方法可以減小絲杠的熱變形。這種方法是在加工滾珠絲杠時(shí)，使螺距略小于名義值，裝配時(shí)對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，即使其螺距值達(dá)到名義值，當(dāng)絲杠工作受熱，絲杠中的拉應(yīng)力補(bǔ)償了熱應(yīng)力，從而 減小熱 伸長(zhǎng)。
（3） 在機(jī)床布局時(shí)，盡量減少內(nèi)部熱源
內(nèi)部熱源的發(fā)熱是造成熱變形的主要原因，因此，在機(jī)床布局設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量考慮將熱源從主機(jī)中分離出去，如將電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓泵站等置于機(jī)床主機(jī)以外。
加工過(guò)程所產(chǎn)生的熾熱切屑是一個(gè)不可忽視的熱源。在機(jī)床布局時(shí)，應(yīng)考慮使排屑通暢，應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排屑裝置以隨時(shí)將切屑排到機(jī)床外，同時(shí)應(yīng)在工作臺(tái)或?qū)к壣显O(shè)置隔熱防護(hù)罩，使 數(shù)控技術(shù)
切屑的熱量隔離在機(jī)床外。圖 5-10 所示的數(shù)控車床采用的斜床身、平床身和斜滑板結(jié)構(gòu)，配置傾斜的防護(hù)罩和自動(dòng)排屑裝置，就是這一措施的典型例子。
（a） 斜床身； （b） 平床身和斜滑板
圖5-10 數(shù)控車床的床身及滑板結(jié)構(gòu)
2 ．控制溫升
對(duì)機(jī)床發(fā)熱部位采取散熱、風(fēng)冷、液冷等控制溫升的辦法來(lái)吸收熱源發(fā)出的熱量，是在各類數(shù)控機(jī)床上使用較多的一種減少熱變形影響的對(duì)策。其中，強(qiáng)制冷卻是比較有效的方法。所謂強(qiáng)制冷卻，就是利用冷卻裝置對(duì)潤(rùn)滑油或冷卻液進(jìn)行冷卻，然后將潤(rùn)滑油送至摩擦副潤(rùn)滑或?qū)⒗鋮s液送至切削部位冷卻。
3 ．熱變形補(bǔ)償
預(yù)測(cè)熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型并存人計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。熱變形附加修正裝置已在國(guó)外產(chǎn)品上作為商品供貨，圖 5-11 所示為日本大阪機(jī)的熱變形自動(dòng)補(bǔ)償修正裝置。
四、改善運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦特性
機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床基本結(jié)構(gòu)的要素之一。機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量，而對(duì)數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌則有更高的要求，如：高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)， 低速進(jìn) 給時(shí)不爬行；有高的靈敏度，能在重載下長(zhǎng)期連續(xù)工作；耐磨性要高，精度保持性要好等。這些都與 導(dǎo)軌副的摩擦特性有關(guān)，要求摩擦系數(shù)小，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差小�，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用的導(dǎo)軌主要有塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。
（ 一 ） 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌
數(shù)控機(jī)床采用的塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌有鑄鐵 - 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌 和鑲鋼 - 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，與之相配的金屬導(dǎo)軌為鑄鐵或鋼質(zhì)。鑄鐵牌號(hào)為 HT300 ，表面淬硬至 HRC45~50 ，表面粗糙度磨削至 0.20~0.10 ；鑲鋼導(dǎo)軌常用 50 號(hào)鋼或其他合金鋼，淬硬至 HRC58~62 。導(dǎo)軌上的塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層兩類。
軸向補(bǔ)償； （b） 立柱熱平衡補(bǔ)償
圖5-11 熱變形自動(dòng)補(bǔ)償裝置
1 ．聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶
聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)，并做成軟帶狀。這種軟帶有以下特點(diǎn)：
（1） 摩擦特性好
圖 5-12 為廣州機(jī)床研究所對(duì)三種不同摩擦副試驗(yàn)測(cè)得的摩擦速度曲線，圖中 Turcite-B 和 TSF 分別是美國(guó)霞板 （SHAMBAN） 公司和廣州機(jī)床研究所生產(chǎn)的聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。從圖可以看出，采用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的摩擦副的摩擦系數(shù)小，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差別小，且曲線斜率為正值。這種良好的摩擦特性能防止導(dǎo)軌低速爬行，使運(yùn)行平穩(wěn)和獲得高的定位精度。
1 一鑄鐵 - 鑄鐵 （ 機(jī)油 ） ； 2 — Turcite-B- 鑄鐵 （ 干摩擦 ） ；
3 — Turcite-B- 鑄鐵 （ 機(jī)油 ） ； 4 — TSF- 鑄鐵 （ 干摩擦 ） ；
摩擦 - 速度曲線
（2） 耐磨性好
聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶中含有青銅、二硫化鉬和石墨，本身具有自潤(rùn)滑作用，對(duì)潤(rùn)滑油的供油量要求不高。此外，塑料質(zhì)地較軟，即便嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不致?lián)p傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長(zhǎng)導(dǎo)軌副的使用壽命。
（3） 減振性好
塑料的阻尼特性好，其減振消聲的性能對(duì)提高導(dǎo)軌副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有很大意義。
（4） 工藝性好
可降低對(duì)待粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量要求，而且塑料易于加工 （ 銑、刨、磨、刮 ） ，使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。
導(dǎo)軌軟帶的使用工藝簡(jiǎn)單。首先，將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度為 3.2~1.6 的表面，為了對(duì)軟帶起定位作用，導(dǎo)軌粘貼面應(yīng)加工成 0.5~ 1.0mm 深的凹槽，如圖 5-13 所示。然后，用汽油或金屬清潔劑或丙酮清洗粘接面后，用膠粘劑粘合，加壓初固化 1~2 小時(shí)后再合攏到配對(duì)的固定導(dǎo)軌或?qū)Ｓ脢A具上，施以一定壓力，并在室溫下固化 24 小時(shí)，取下清除余膠，即可開(kāi)油槽和進(jìn)行精加工。由于這類導(dǎo)軌軟帶采用粘貼方法，故習(xí)慣上稱 軟帶導(dǎo)軌的粘接
2 ．環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層
環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層是以環(huán)氧樹(shù)脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份，以固化劑為另一組份的雙組份塑料涂層。它有良好的可加工性，可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工；也有良好的摩擦特性和耐磨性，而且抗壓強(qiáng)度比聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶要高，固化時(shí)體積不收縮，尺寸穩(wěn)定。特別是可在調(diào)整好固定導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌間的相關(guān)位置精度后注入涂料，這樣可節(jié)省 許多加工工時(shí)，故它特別適用于重型機(jī)床和不能用導(dǎo)軌軟帶的復(fù)雜配合型面。
耐磨導(dǎo)軌涂層的使用工藝也很簡(jiǎn)單。首先，將導(dǎo)軌涂層表面粗刨或粗銑成如圖 5-14 所示
注塑導(dǎo)軌
的粗糙表面，以保證有良好的粘附力。然后，與塑料導(dǎo)軌相配的金屬導(dǎo)軌面 （ 或模具 ） 用溶劑清洗后涂上一薄層硅油或?qū)Ｓ妹撃苑琅c耐磨涂層粘接。將按配方加入固化劑調(diào)好的耐磨涂層材料抹于導(dǎo)軌面上，然后疊合在金屬導(dǎo)軌面 （ 或模具 ） 上進(jìn)行固化。疊合前可放置形成油槽、油腔用的模板，固化 24 小時(shí)后，即可將兩導(dǎo)軌分離。涂層硬化三天后可進(jìn)行下一步加工。涂層面的厚度及導(dǎo)軌面與其他表面的相對(duì)位置精度可借助 等高塊或?qū)Ｓ脢A具保證。由于這類塑料導(dǎo)軌采用 涂刮或 注入膏狀塑料的方法，故習(xí)慣上稱為“涂塑導(dǎo)軌”或“注塑導(dǎo)軌”。
（ 二 ） 滾動(dòng)導(dǎo)軌
滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小 （ 一般在 0.003 左右 ） ，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差小，且?guī)缀醪皇苓\(yùn)動(dòng)變化的影響，定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優(yōu)點(diǎn)�，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床常采用的滾動(dòng)導(dǎo)軌有滾動(dòng)導(dǎo)軌塊和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。
1 ．滾動(dòng)導(dǎo)軌塊
滾動(dòng)導(dǎo)軌塊是一種滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)如圖 5-15 所示。 1 為防護(hù)板，端蓋 2 與導(dǎo)向片 4 引導(dǎo)滾動(dòng)體 （ 滾柱 3） 返回， 5 為保持器， 6 為本體。使用時(shí)，滾動(dòng)導(dǎo)軌塊安裝在運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面上，每一導(dǎo)軌至少用兩塊，導(dǎo)軌塊的數(shù)目取決于導(dǎo)軌的長(zhǎng)度和負(fù)載的大小，與之相配的導(dǎo)軌 多用鑲鋼淬火導(dǎo)軌。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)，滾柱 3 在支承部件的導(dǎo)軌面與本體 6 之間滾動(dòng)，同時(shí)又繞本體 6 循環(huán)滾動(dòng)，滾柱 3 與運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面不接觸：因而該導(dǎo)軌面不需淬硬磨光。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊的特點(diǎn)是剛度高，承載能力大，便于拆裝。
滾動(dòng)導(dǎo)軌塊的結(jié)構(gòu)
2 ．直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌是近年來(lái)新出現(xiàn)的一種滾動(dòng)導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)如圖 5-16 所示，主要由導(dǎo)軌體 1 、滑塊 7 、滾珠 4 、 保持器 3 、端蓋 6 等組成。由于它將支承導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌組合在一起，作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn) 導(dǎo)軌副部件 （ 單元 ） 由專門生產(chǎn)廠家制造，故又稱單元式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。使用時(shí)，導(dǎo)軌 體固定在不運(yùn)動(dòng)部件上，滑塊固定在運(yùn)動(dòng)部件上。當(dāng)滑塊沿導(dǎo)軌體運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠在導(dǎo)軌體和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動(dòng)，并通過(guò)端蓋內(nèi)的滾道從工作負(fù)載區(qū)到非工作負(fù)載區(qū)，然后再 滾動(dòng)回 工 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)作負(fù)載區(qū)，不斷循環(huán)，從而把導(dǎo)軌體和滑塊之間的移動(dòng)，變成了滾珠的滾動(dòng)。
圖5-16 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)
單元式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌除有一般滾動(dòng)導(dǎo)軌的共性優(yōu)點(diǎn)外，還有以下特點(diǎn)：
（1） 具有自調(diào)整能力，安裝基面許用誤差大。
（2） 制造精度高。
（3） 可高速運(yùn)行，運(yùn)行速度可大于 60m /min 。
（4） 能長(zhǎng)時(shí)間保持高精度。
（5） 可預(yù)加負(fù)載，提高剛度。
（ 三 ） 靜壓導(dǎo)軌
靜壓導(dǎo)軌是在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面間通以壓力油，將運(yùn)動(dòng)件浮起，使導(dǎo)軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)。由于承載的要求不同，靜壓導(dǎo)軌分為開(kāi)式和閉式兩種。
開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌的工作原理如圖 5-17（a） 所示。油泵 2 啟動(dòng)后，油經(jīng)濾油器 1 吸人，用溢流閥 3 調(diào)節(jié)供油壓力 ，再經(jīng)濾油器 4 ，通過(guò)節(jié)流器 5 降壓至 （ 油腔壓力 ） 進(jìn)入導(dǎo)軌的油腔，并通過(guò)導(dǎo)軌間隙向外流出，回到油箱 8 。油腔壓力形成浮力將運(yùn)動(dòng)部件 6 浮起，形成一定的導(dǎo)軌間隙 。當(dāng)載荷增大時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件下沉，導(dǎo)軌間隙減小，液阻增加，流量減小，從而使油經(jīng)過(guò)節(jié)流器時(shí)的壓力損失減小，油腔壓力 增大，直至與載荷 W 平衡。
圖5-17 靜壓導(dǎo)軌的工作原理圖
開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌只能承受垂直方向的負(fù)載，承受顛覆力矩的能力差。而閉式靜壓導(dǎo)軌能承受較大的顛覆力矩，導(dǎo)軌剛度也較高，其工作原理如圖 5-17（b） 所示。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件 6 受到顛覆力矩 M 后，油腔 3 、 4 的間隙增大，油腔 1 、 6 的間隙減小。由于各相應(yīng)節(jié)流器的作用，使油腔 3 、數(shù)控技術(shù)
4 的壓力減小，油腔 1 、 6 的壓力增高，從而產(chǎn)生一個(gè)與顛覆力矩相反的力矩，使運(yùn)動(dòng)部件保持平衡。在承受載荷 W 時(shí)，油腔 1 、 4 間隙減小，壓力增大；油腔 3 、 6 間隙增大，壓力減小，從而產(chǎn)生一個(gè)向上的力，以平衡載荷 W 。
由于導(dǎo)軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)，故導(dǎo)軌不會(huì)磨損，精度保持性好，壽命長(zhǎng)，而且導(dǎo)軌摩擦系數(shù)極小 （ 約為 0.0005） ，功率消耗少。壓力油膜厚度幾乎不受速度影響，油膜承載能力大，剛度高，吸振性好，導(dǎo)軌運(yùn)行平穩(wěn)，既無(wú)爬行，也不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。但靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并需要有一個(gè)具有良好過(guò)濾效果的液壓裝置，制造成本較高。
1 、 4 —濾油器； 2 —油泵； 3 —溢流閥； 5 —節(jié)流器； 6 —運(yùn)動(dòng)部件； 7 —固定部件； 8 —油箱
1 —導(dǎo)軌體； 2 —側(cè)面密封墊； 3 —保持器 ； 4 —滾珠；
5 —端部密封墊； 6 —端蓋； 7 —滑塊； 8 —潤(rùn)滑油杯
1 —防護(hù)板； 2 —端蓋； 3 —滾柱； 4 —導(dǎo)向片； 5 —保持器 ； 6 —本體
1 —滑座 ； 2 —膠條； 3 —注塑層
