§3.2金屬切削機床部件

本節對金屬切削機床的主要部件進行介紹。主軸部件機床支撐件機床導軌機床刀架和自動換刀裝置傳動系統本節內容：3.2.1機床的傳動系統傳動系統動力源如，電動機變速裝置執行件如，主軸、刀架、工作臺開停、換向和制動機構為執行件提供動力、使其得到速度和方向分類傳遞動力，變換運動速度執行機床運動：直線或旋轉控制機床運動：啟停、換向傳動系統主傳動系統進給傳動系統按驅動電機類型：按傳動裝置類型：按變速的連續性：直流驅動和交流驅動機械、液壓、電氣及其組合分級和無級變速傳動開環系統、閉環系統、半閉環系統主傳動系統分級變速傳動無級變速傳動進給傳動系統進給傳動系統機械進給傳動系統液壓進給傳動系統電氣伺服進給傳動系統機構復雜、制造裝配工作量大；可靠、便于檢查和維修在一定的變速范圍內只能得到某些轉速，變速級數一般不超過20～30級。可在一定的變速范圍內連續改變轉速，以便得到最有利的切削速度；可在運轉中變速，便于實現變速自動化；能在負載作用下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產效率的加工質量。不同類型的機床實現進給運動的傳動類型不同。根據加工對象、成形運動、進給精度、運動平穩性及生產率等因素的要求，主要有：電氣伺服進給傳動系統電氣伺服系統是數控裝置和機床之間的聯系環節，是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統，其作用是接收來自數控裝置發出的進給脈沖，經變換和放大后驅動工作臺按規定的速度和距離移動。電氣伺服進給系統的控制類型開環系統按有無檢測元件和反饋裝置分為：開環、閉環和半閉環系統開環伺服系統開環系統對工作臺實際位移量沒有檢測和反饋裝置。開環伺服系統的精度取決于步進電動機的步距角精度、步進電動機至執行部件間傳動系統的傳動精度。這類系統定位精度較低（±0.01~±0.02mm），但系統簡單、調試方便，成本低，適用于精度要求不高的數控機床中。閉環系統閉環系統1—數控裝置2—伺服電動機3—齒輪4—絲杠5—工作臺6—檢測元件該系統使用位移測量元件測量機床執行部件的移（轉）動量，將執行部件的實際移（轉）動量和控制量進行比較，比較后的差值用信號反饋給控制系統，對執行部件的移（轉）動進行補償，直至差值為零。檢測量還有執行件的速度。檢測反饋裝置：旋轉變壓器作為位置反饋+測速發電機作為速度反饋；脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。閉環控制可以消除整個系統的誤差、間隙和失動，其定位精度取決于檢測裝置的精度，其控制精度、動態性能較開環系統好；但系統部較復雜，安裝、調整和測試比較麻煩，成本較高，多用于精密型數控機床上。半閉環系統半閉環系統a)伺服電動機反饋b)、c)從動杠反饋1—反饋裝置2—伺服電動機3—齒輪檢測元件不是直接安裝在執行部件上，而是安裝在進給傳動系中間部位的旋轉部件上。半閉環系統只能補償環路內部傳動鏈的誤差，不能糾正環路之外的誤差。因此，半閉環系統的精度比閉環差。由于慣性較大的工作臺在閉環之外，系統穩定性較好。與閉環相比，半閉環系統結構簡單，調整容易，價格低，故應用較多。

伺服系統的基本要求：

影響伺服系統性能的因素：進給傳動件的間隙、扭轉、撓曲；機床運動部件的振動、摩擦；機床剛度和抗振性；系統的質量和慣量；低速下運動平穩性。穩——穩定性好；快——快速響應性好；準——定位精度高。電氣伺服進給系統驅動部件步進電動機步進電動機又稱脈沖電動機，是將電脈沖信號變換成角位移（或線位移）的一種機電式數模轉換器。它每接受數控裝置輸出的電脈沖信號，電動機就轉過一定的角度，稱為步距角（0.5°~3°）。角位移與輸入脈沖個數成嚴格的比例關系，步進電動機的轉速與控制脈沖的頻率成正比。轉速可在很寬的范圍內調節。改變繞組通電順序，可以控制電機動的正反轉。其優點是：無累積誤差、結構簡單、使用維修方便、制造成本低、帶動負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度、精度要求不高的的地方。缺點：效率較低、發熱大、有時會“失步”。電氣伺服進給系統由伺服驅動部件和機械傳動部件組成。伺服驅動部件有步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等。直流伺服電動機機床上常用的直流伺服電動機主要有小慣量直流電動機和大慣量直流電動機。a）小慣量直流電動機優點：轉子直徑較小、軸向尺寸大。長徑比約為5，故轉動慣量小，僅為普通直流電動機的1/10左右，因此響應時間快；缺點是額定轉矩較小，一般必須與齒輪降速裝置相匹配。故常用于高速輕載的小型數控機床中。b）大慣量直流電動機又稱寬調速直流電動機，有電勵磁和永久磁鐵勵磁兩種類型。電勵磁的優點是勵磁量便于調整，成本低。永磁性直流電動機能在較大過載轉矩下長期工作，并能直接與絲杠相連而不需要中間傳動裝置，還可以在低速下平穩地運轉，輸出轉矩大。寬調速電動機可以內裝測速發電機，還可以根據用戶需要，在電機內部加裝旋轉變壓器和制動器，為速度環提供較高的增益，能獲得低速剛度和動態性能。電動機頻率高、定位精度好、調整簡單、工作平穩。缺點是轉子溫度高、轉動慣量大、時間響應較慢。交流伺服電動機

自20世紀80年代中期開始，以異步電動機和永磁同步電動機為基礎的交流伺服電動機得到迅速發展。

優點：它采用新型的磁場適量變換控制技術，對交流電動機作磁場的矢量控制；將電動機定子的電壓矢量或電流矢量作為操作量，控制其幅值和相位。沒有電刷和換向器，故可靠性好、結構簡單、體積小、質量輕、動態響應好。同體積下交流伺服電動機的輸出功率比直流的提高10%~70%。與同容量的直流電動機相比，質量約輕一半，價格僅為三分之一，效率高、響應頻率高。

缺點：本身雖有較大的轉矩—慣量比，但它帶動慣性負載能力較差，一般需要用齒輪減速裝置，多用于中小型數控機床。直線伺服電動機

直線伺服電動機是一種能直接將電能轉化為直線運動機械能的電子驅動裝置，使適應超高速加工技術發展的需要而出現的一種新型電動機。

直線伺服電動機工作原理同旋轉電動機相似，可以看作是將旋轉型伺服電動機沿徑向剖開，向兩邊拉開展平后演變而成。

采用直線伺服電動機驅動方式，省去減速器（齒輪、同步齒形帶等）和滾珠絲杠副等中間環節，簡化了機床結構，避免了中間環節的彈性變形、磨損、間隙、發熱等因素帶來的傳動誤差。電氣伺服進給系統中的機械傳動部件

機械傳動部件主要指齒輪(或同步齒輪帶)和絲杠螺母傳動副。電氣伺服進給系統中，運動部件的移動是靠脈沖信號來控制，要求運動部件動作靈敏、低慣量、定位精度好，具有適宜的阻尼比及傳動機構不能有反向間隙。滾珠絲杠螺母副的結構

1—密封環2、3—回珠器4—絲杠5—螺母6—滾珠滾珠絲杠是將旋轉運動轉換為執行件的直線運動的轉換機構，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環等組成。其摩擦系數小，傳動效率高。采用雙向推力圓柱滾子軸承的支承方式采用角接觸球軸承的支承方式

滾珠絲杠主要承受軸向載荷，因此對絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高，常采用角接觸球軸承或雙向推力圓柱滾子軸承與滾針軸承的組合支承方式。3.2.2主軸部件主軸部件的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成形運動。其由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。主軸部件應滿足的基本要求旋轉精度

剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產生單位位移的彈性變形時，在位移方向上所施加的作用力來定義。主軸的尺寸和形狀、滾動軸承的類型和數量、預緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質量都影響其剛度。

主軸靜剛度不足對加工精度和機床性能有直接影響，并會影響主軸部件中的齒輪、軸承的正常工作，降低工作性能和壽命，影響機床抗振性，容易引起切削顫振，降低加工質量。旋轉精度是指裝配后，在無載荷、低速轉動條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和軸向跳動。剛度抗振性抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質量分布以及阻尼。

溫升和熱變形主軸部件運轉時，因各相對運動處的摩擦生熱，切削區的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發生變化，造成其所謂的熱變形。主軸熱變形可引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高后會使粘度降低，這些變化都會影響主軸部件工作性能，降低加工精度。溫升和熱變形主軸部件的傳動方式齒輪傳動

主軸部件的傳動方式主要有齒輪傳動、帶傳動、電動機直接驅動等。主軸傳動方式的選擇，主要決定于主軸的轉速、所傳遞的轉矩、對運動平穩性的要求，以及結構緊湊、裝卸維修方便等要求。齒輪傳動的特點是結構簡單、緊湊，能傳遞較大的轉矩，能適應變轉速、變載荷工作，應用最廣。其缺點是線速度不能過高，通常小于12~15m/s，不如帶傳動平穩。帶傳動常用的有平帶、V帶、多楔帶和齒形同步帶等。帶傳動的優點：靠摩擦力傳動（除同步齒形帶外）、結構簡單、制造容易、成本低，特別適用于中心距較大的兩軸間傳動。傳動帶有彈性可吸振、傳動平穩、噪聲小，適宜高速傳動。帶傳動在過載中會打滑，能起到過載保護作用。帶傳動的缺點：有滑動，不能用在速比要求準確的場合。同步齒形帶是通過帶上的齒形與帶輪上的輪齒相嚙合傳遞運動和動力。同步齒形帶的齒形有兩種：梯形齒和圓弧齒。圓弧齒形受力合理，較梯形齒同步帶能夠傳遞更大的轉矩。同步齒形帶無相對滑動，傳動比準確，傳動精度高；采用伸縮率小、抗拉抗彎疲勞強度高的承載繩，如鋼絲、聚酰纖維等，因此強度高，可傳遞超過100kW以上的動力；厚度小、質量輕、傳動平穩、噪聲小，適用于高速傳動，可達50m/s；無需特別張緊，對軸和軸承壓力小，傳動效率高；不需潤滑，耐水耐腐蝕，能在高溫下工作，維護保養方便；傳動比大，可達1：10以上。缺點是：制造工藝復雜，安裝條件要求高。主軸部件結構

多數機床的主軸采用前、后兩個支承。這種方式結構簡單，制造裝配方便，容易保證精度。為提高主軸部件的剛度，前后支承應消除間隙或預緊。為提高剛度和抗振性，有的機床主軸采用三個支承。三個支承中可以前、后支承為主要支承，中間支承為輔助支承；也可以前、中支承為主要支承，后支承為輔助支承。主軸的支承形式三個支承方式對三支承孔的同心度要求高，制造裝配復雜。主支承也應消除間隙或預緊，“輔”支承則應保留一定的徑向游隙或選用較大游隙的軸承。由于三個軸頸和三個箱體孔不可能絕對同軸，三個軸承不能都預緊，以免發生干涉，惡化主軸的工作性能，使空載功率大幅度上升和軸承溫升過高。在三支承主軸部件中，采用前、中支承為主要支承的較多。主軸的構造主軸的構造和形狀主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數量、位置和安裝定位方法等。主軸一般為空心階梯軸，前端徑向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，尾部徑向尺寸最小。主軸的前端形式取決于機床類型和安裝夾具或刀具的形式。主軸頭部的形狀和尺寸已經標準化，應遵照標準進行設計。

主軸的技術要求，應根據機床精度標準有關項目制定。

右圖為簡化后的車床主軸簡圖，A和B是主支承軸頸，主軸中心線是A和B的圓心連線，就是設計基準。主軸的材料和熱處理主軸的材料應根據載荷特點、耐磨性要求、熱處理方法和熱處理后變形情況選擇。普通機床主軸可選用中碳鋼(如45鋼)，調質處理后，在主軸端部、錐孔、定心軸頸或定心錐面等部位進行局部高頻淬硬，以提高其耐磨性。只有載荷大和有沖擊時、或精密機床需要減小熱處理后的變形時、或有其它特殊要求時，才考慮選用合金鋼。當支承為滑動軸承，則軸頸也需淬硬，以提高耐磨性。主軸軸承主軸部件中最重要的組件是軸承。軸承的類型、精度、結構、配置方式、安裝調整、潤滑和冷卻等狀況，都直接影響主軸部件的工作性能。

對主軸軸承的要求是旋轉精度高、剛度高、承載能力強、極限轉速高、適應變速范圍大，摩擦小、噪聲低、抗振性好、使用壽命長、制造簡單、使用維護方便等。

常用的主軸軸承有：角接觸軸承、液體動壓軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承等。此外，還有自調磁浮軸承等新型軸承。

主軸部件主支承常用滾動軸承有角接觸球軸承、雙列短圓柱磙子軸承、圓錐滾子軸承、推力軸承、陶瓷滾動軸承等。典型的主軸軸承a)、b)雙列短圓柱滾子軸承c)雙列空心圓錐滾子軸承d)單列空心圓錐滾子軸承e)圓錐軸承f)雙列圓錐軸承g)雙向推力角接觸球軸承h)角接觸球軸承1、4—內圈2—外圈3—隔套3.2.3機床支撐件

機床支承件是指床身、立柱、橫梁、底座等大件，相互固定連接成機床的基礎和框架。

機床支承件的主要功能：保證機床各零、部件之間的相互位置和相對運動精度，并保證機床有足夠的靜剛度、抗振性、熱穩定性和耐用度，是機床設計的重要環節之一。支承件應滿足的基本要求：應具有足夠的剛度和較高的剛度—質量比。應具有較好的動態特性，包括較大的位移阻抗(動剛度)和阻尼；整機的低階頻率較高，各階頻率不致引起結構共振；不會因薄壁振動而產生噪聲。熱穩定性好，熱變形對機床加工精度的影響較小。排屑暢通、吊運安全，并具有良好的結構工藝性。支承件的結構支承件的總體結構形狀基本可分為三類：箱形類：支承件在三個方向上的尺寸都差不多，如各類箱體、底座、升降臺等。板塊類：支承件在兩個方向上的尺寸比第三個方向大得多，如工作臺、刀架等。梁支類：支承件在一個方向上的尺寸比另兩個方向大得多，如立柱、橫梁、搖臂、滑枕、床身等。

支承件的截面形狀設計時應保證在最小質量條件下，具有最大靜剛度。剛度主要包括彎曲剛度和扭轉剛度，均與截面慣性矩成正比。支承件截面形狀不同，即使同一材料，其抗彎和抗扭慣性矩也不相同。一般而言：無論方形、圓形或矩形，空心截面的剛度都比實心大，而且同樣斷面形狀和相同大小面積，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面抗彎強度和抗扭強度都高。但壁厚不能太薄，以免出現薄壁振動。圓（環）形截面的抗扭剛度比方形好，而抗彎剛度比方形低。封閉截面的剛度遠遠大于開口截面的剛度，特別是抗扭剛度。支承件的材料支承件常用的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然花崗巖、預應力鋼筋混凝土等。鑄鐵一般支承件用灰鑄鐵制成，在鑄鐵中加入少量合金元素可提高耐磨性。鑄鐵鑄造性能好，容易獲得復雜結構的支承件，同時鑄鐵的內摩擦力大，阻尼系數大，使振動衰減的性能好，成本低。但鑄件需要木模心盒，制造周期長，有時產生縮孔，氣泡等，單件成本高，適用于成批生產。常用的鑄鐵牌號有：HT200、HT150、HT100。HT200稱為I級鑄鐵，抗壓、抗彎性能較好，可制成帶導軌的支承件，不易制成結構太復雜的支承件。HT150稱為II級鑄鐵，它的流動性好，鑄造性能好，但力學性能較差，適用于形狀復雜的鑄件、重型機床床身和受力不大的床身及底座。HT100稱為III級鑄鐵，力學性能較差，一般用于鑲裝導軌的支承件。為增加耐磨性，可采用高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵、鉻鉬鑄鐵等合金鑄鐵。鑄造支承件要進行時效處理，以消除內應力。鋼板和型鋼焊接結構其特點是制造周期短，省去制造木模和鑄造工藝；支承件可做成封閉結構，剛性好；便于結構改進和產品更新；鋼板焊接支承件固有頻率比鑄鐵高；在剛度要求相同的情況下鋼板焊接支承件比鑄鐵支承件壁厚減少一半，質量減輕20%~30%。缺點是：鋼板材料內摩擦阻尼約為鑄鐵的1/3，抗振性較鑄鐵差，為提高機床抗振性能，可采用提高阻尼的方法來改善動態性能。預應力鋼筋混凝土天然花崗巖

主要用于制作不常移動的大型機械的機身，底座、立柱等支撐件。其剛度和阻尼比鑄鐵大幾倍，抗振性好，成本較低。缺點：脆性大，耐腐蝕性差。其性能穩定，精度保持性好，抗振性好，抗氧化性強，不導電，抗磁，與金屬不粘合，加工方便，通過研磨和拋光容易得到很高的精度和表面粗糙度。缺點：抗沖擊性能差，脆性大，油和水易于滲入晶界中，使表面局部脹大。3.2.4機床導軌導軌的功用：承受載荷和導向。承受安裝在導軌上的運動部件及工件的質量和切削力，運動部件可以沿導軌運動。導軌的分類：按運動與否分為動導軌和靜導軌（或支承導軌），動導軌相對于靜導軌可以作直線運動或回轉運動；導軌的主要技術要求：承載能力大，剛度好導向性按導軌面的摩擦性質可分為滑動導軌和滾動導軌；滑動導軌副又有普通滑動導軌、靜壓導軌、卸荷導軌等。導向精度是導軌副在空載荷或切削條件下運動時，實際運動軌跡與給定運動軌跡之間的偏差。影響導向精度的因素有：導軌的幾何精度和接觸精度、導軌的結構形式、導軌和支承件的剛度、導軌的油膜厚度和油膜剛度、導軌和支承面的熱變形等。根據導軌承受載荷的性質、方向和大小，合理選擇導軌的截面和尺寸，使導軌具有足夠的剛度，保證機床的加工精度。精度保持性好低速運動平穩精度保持性主要是由導軌的耐磨性決定的。常見磨損形式有：磨料（或磨粒）磨損、粘著磨損或咬焊、接觸疲勞磨損等。影響耐磨性因素有：導軌材料、載荷狀況、摩擦性質、工藝方法、潤滑和防護條件等。當動導軌作低速運動或微量進給時，應保證運動始終平穩，不出現爬行現象。導軌的截面形狀和組合形式直線導軌的截面形式：矩形導軌凸形導軌易清除掉切屑，但不易存留潤滑油，凹形導軌則相反。矩形導軌特點：承載能力大、剛度高、制造簡便、檢驗和維修方便等；缺點：存在側向間隙，需用鑲條調整，導向性差。適用場合：載荷較大而導向性要求略低的機床。矩形、三角形、燕尾形和圓柱形，并可以相互組合，每種導軌副中還有凸、凹之分。三角形導軌燕尾形導軌可以承受較大的顛覆力矩，導軌的高度較小，結構緊湊，間隙調整方便；但剛度差，加工、檢驗維修不方便。適用于受力小、層次多，要求間隙調整方便的部件。圓柱形導軌其制造方便，工藝性好，但磨損后較難調整和補償間隙。它主要用于受軸向負荷的導軌，應用較少，上述四種截面導軌尺寸已標準化，可參見有關機床標準。三角形導軌結構有對稱式和不對稱式兩種。當水平力大于垂直力，兩側壓力不均時，采用不對稱式。頂角α一般在90°~120范圍內變化,α角越小,導向性越好,但