機床的剛度是指在切削力和其他力作用下,抵抗變形能力。數控機床比普通機床要求具有更高的靜剛度和動剛度,有標準規定數控機床的剛度系數應比類似的普通機床高50%。
機床在切削加工過程中,要承受各種外力的作用,承受的靜態力有運動部件和被加工零件的自重,承受的動態力有:切削力、驅動力、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。機床的結構部件在這些力作用下,將產生變形,如固定連接表面或運動嚙合表面的接觸變形;各支承零件部的彎曲和扭轉變形,以及某些支承件的局部變形等,這些變形都會直接或間接地引起刀具和工件之間的相對位移,從而導致工件的加工誤差,或者影響機床切削過程的特性。
由于加工狀態的瞬時多變情況復雜,通常很難對結構剛度進行精確的理論計算。設計者只能對部分構件(如軸、絲杠等)用計算方法計算其剛度,而對床身、立柱、工作臺和箱體等零件的彎曲和扭轉變形,接合面的接觸變形等,只能將其簡化后進行近似計算,其計算結果往往與實際相差很大,故只能作為定性分析的參考。近年來,雖然在機床結構設計中采用有限元法進行分析計算,但是一般來講,在設計時仍需要對模型、實物或類似的樣機進行試驗、分析和對比以確定合理的結構方案,盡管如此,遵循下列原則和措施,仍可以合理地提高機床的結構剛度。
1.合理選擇構件的結構形式
(1)正確選擇截面的形狀和尺寸
構件在承受彎曲和扭轉載荷后,其變形大小取決于斷面的抗彎和扭轉慣性矩,抗彎和扭轉慣性矩大的其剛度就高。表7-1列出了在斷面積相同(即重力相同)時各斷面形狀的慣性矩。從表中的數據可知:形狀相同的斷面,當保持相同的截面積時,應減小壁厚、加大截面的輪廓尺寸,圓形截面的抗扭剛度比方形截面的大,抗彎剛度則比方形截面的小;封閉式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多;壁上開孔將使剛度下降,在孔周加上凸緣可使抗彎剛度得到恢復。
(2)合理選擇及布置隔板和筋條
合理布置支承件的隔板和筋條,可提高構件的靜、動剛度。圖7—1所示的幾種立柱的結構,在內部布置有縱、橫和對角筋板,對它們進行靜、動剛度試驗的結果列于表7—2中。其中以交叉筋板(序號5)的作用最好。
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