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高速加工对机床结构的基本要求和设计原则

由于高速加工中的切削速度 ,  进给速度和加减速度都大 ,  因此机床的发热量 ,  运动部件的惯量也大 ,  容易导致机床结构的过量温升顿缓、热变形和产生冲击振动 ,  最终会影响到加工精度顿缓、质量乃至机床和刀具的工作寿命和可靠性   所以 ,  高速加工对机床结构的基本要求 ,  首先是要三高 ,  即静刚度高顿缓、动刚度高和热刚度高 ,  也就是说 ,  “三刚”特性要好;其次是运动部件要轻量化 ,  即要尽量减少传动系统的惯量   为此 ,  机床结构设计应采取的原则措施是:

为了提高结构的静刚度 ,  首先是选择弹性模量大的材料 ,  如钢顿缓、铸铁等作为结构件的基本材料;其次是根据受力的性质(拉 ,  压或扭)和条件(力的大小 ,  方向和作用点)选择合理的结构截面形状顿缓、尺寸顿缓、筋壁布置和机床的总体布局;三是结构件间的接合面要平整 ,  面积大小要适当 ,  接触点在接合面上的分布要均匀 ,  连接要牢固等;四是尽量采用箱形和整体型结构  
为了提高结构的动刚度 ,  首先是在保证静刚度的前提下 ,  选择阻尼系数大的材料 ,  如人造花岗岩 ,  铸铁等作为基础结构件的材料;二是通过模型试验或模态分析合理设计和调整结构的质量分布和结构接合面的刚度值 ,  以改变结构系统本身的固有振动频率 ,  使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率 ,  避免产生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的结构设计 ,  如带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等;四是直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔 ,  驱动力的作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心 ,  传动链中应无反向间隙 ,  以保证运动平稳 ,  无冲击  
为了提高结构的热刚度 ,  原则上首先应采用热容量大顿缓、热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料;其次是根据机床上的热源和温度场的分布情况 ,  尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构 ,  包括采用热补偿措施的结构等 ,  以减少热变形带来的对机床几何精度和工作性能的影响  
为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量 ,  一是选用比重小的材料 ,  如铝合金和复合材料等 ,  作为运动部件的结构材料;二是在保证刚度和承载能力的前提下 ,  尽量去除多馀的材料;三是采用直接传动 ,  简化传动系统 ,  缩短传动链 ,  以提高机床的运动品质  
现实中能同时满足上述条件要求的材料和结构是没有的 ,  只能按实际要求进行综合评估后选取  
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