提高机床刚度的措施

摘 要： 机床的刚度是指机床在负载的作用下抵制变形的一种能力。如果机床刚度不够，那么在切削力及机床自身重力等作用下，机床的各部件因为受力而变形，导致工件和刀具相对位置的变化，从而影响机床的加工精度。本文着重从多方面探讨机床刚度提高的基本措施。

关键词： 机床 刚度 提高措施

近几年，在机床构造设计过程中，经常采纳有限元法分析计算，但是在设计时仍然需要对实物、模型或样机进行试验、分析及对比，从而确定适合的结构方案，虽然如此，但如果我们按照以下措施和原则，就能提高机床的结构刚度。

1.合理选择构件的结构形式

1.1选择适合的构件截面尺寸和形状

构件在经受扭转载荷和弯曲之后，它的断面扭转惯性矩和抗弯决定其变形的大小，抗弯和转惯性矩大的，它的刚度就较高。反之，抗弯和转惯性矩小的，它的刚度就较低；在断面积一致的前提条件下，经过对各断面形状的惯矩分析可以知道：外形一致的断面，如果保持一致的截面积，应当适当减少壁厚，同时应当增加截面的外形轮廓尺寸，方形抗扭刚度要比圆形的小，抗弯刚度要比圆形的大；不封闭截面刚度要比封闭式的刚度小很多；壁上开孔会使得其刚度降低，在孔的周围加上凸缘能使抗弯刚度得以恢复[1]。

1.2合理选择及布置隔板和筋条

支承件的隔板和筋条，如果合理布置能够提高构件的静刚度和动刚度。如下图所示为七种立柱的基本结构，内部布置有横、纵和对角筋板，假如对它们做静刚度和动刚度试验，结果表明交叉筋板的作用是最好的。

内部布置横、纵和对角筋板的立柱

对于某些薄壁构件来说，为了减少构件截面畸变和壁面翘曲，可以在壁板上设置筋条，实验表明设置蜂窝状增强筋效果比较好，它除了能提高构件刚度以外，还能减小铸造时收缩应力。

1.3提高构件的局部刚度

机床支承件和导轨的连接部件，通常是局部刚度最为薄弱的一部分，然而连接方式对局部刚度的影响却非常大，如果导轨的尺寸比较宽时，应当采用双壁连接型式。如果导轨比较窄时，可以采用单壁或加厚的单壁连接型式，或者在单壁上加上垂直筋条用以提升其局部刚度。

1.4选用焊接结构的构件

机床的床身和立柱等支承件，采纳型钢和钢板焊接而成，具备减少质量，提升刚度的优势。钢的弹性模量约为铸铁的2倍，在外形和轮廓尺寸相同的情况下，如果使得焊接件与铸件的刚度完全相同，那么焊接件的壁厚只需要铸件的一半即可；如果使得局部刚度一致，那么由于局部刚度和壁厚的三次方是成正比的，故而焊接件的壁厚仅仅需要铸件壁厚的80%左右即可。另外，不管刚度相同用以减少质量，或质量相同用以提升刚度，均可提高构件的谐振频率，使得共振不容易发生。用钢板焊接或许会把构件做成全封闭的箱形结构，这样对于提升构件的刚度有利。

2.合理的结构布局可以提高刚度

以卧式镗床为例，其主轴箱大多是单面悬挂在立柱侧面上，其重量会让立柱发生弯曲变形，从而影响卧式镗床的加工精度。而如果主轴箱的中心处于立柱对称面内部，其主轴箱的重量由于平衡而不会使得立柱变形，从而在同一切削力下所导致的立柱的扭转和弯曲变形也大大减小，从另一方面来说，相当于提高机床的刚度。数控机床的拖板和工作台，因为结构尺寸的限制，数控机床工作台和拖板的厚度尺寸不能设计的太大，然而跨度或宽度也不能减少，所以导致刚度不足，为了弥补这一缺陷，除了主导轨以外，还要在悬伸部位增加辅助导轨，这样就能大幅度提高工作台和拖板的刚度。

3.采取补偿构件变形的结构措施

当能够测出着力点相对变形的方向和大小，或能够预知所用构件的变形规律时，即可以采用相应的措施补偿变形用以消除影响，其补偿的效果相当于提升机床本身的刚度。当大型龙门铣床主轴部件当移动到梁的中间时，横梁弯曲变形是最大的。由此可以把横梁导轨作成中间为凸起的抛物线形状，结果可以让它的变形得以补偿，或经过在横梁的里面安装预校正螺钉和辅助横梁对主导轨来预校正，同时也能够用加平衡重的措施减小横梁同主轴箱自身重量而导致的变形。卧式铣床主轴滑枕在伸出的时候，其自身重量下垂，且落地镗铣床主轴套筒在伸出的时候，其重量也会下降，这两者都能用加平衡重的措施减小或解除下垂。

4.采用正T字形布局方式，侧挂式主轴箱，实现主轴的高转速、大扭矩、高刚性

卧式铣镗床的主轴是水平设置的，普通卧式加工中心有三个直线坐标轴和一个回转轴（或者回转工作台），能够加工零件的各个侧面，也能够做多坐标的合运动以用来加工复杂的空间曲面。卧式铣镗床比较适宜于孔系类零件的加工。卧式铣镗床的结构一般情况下包括以下六个部分：（1）基础构造：它是卧式铣镗床的基本构造，是由工作台和床身等构成，它承受机床的静载荷和在加工时所带来的大部分切削负载，所以必须有足够的刚度。（2）主轴系统是机床能够旋转动的主要执行部分，主要是由主轴、主轴电动机和轴承等零部件有机组成的。（3）电动机进给驱动系统是由伺服驱动电动机和进给构造等组成的，主要是用来实现铣镗床坐标轴回转运动或者直线运动，对于铣镗床的运动和使用性能等相关方面起到关键的作用。（4）数字控制部分：铣镗床的数字控制系统是选用SIEMENS系统，是由PLC、伺服驱动执行装置和操作面板等组成的。（5）自动换刀部分是由附件头等部件构成[1]。（6）辅助部分是由液压、排屑、冷却、、防护和检测系统等构成的，它们不直接参与切削运动，然而对于卧式铣镗床的加工精度连贯性、效率和可靠性能起到一定的保障，所以是数控加工中心必不可少的一部分[2]。

在高速精密卧式铣镗床的结构设计中，除了要考虑其结构特点外，还需要着重考虑实现高速和高精度的要求。因此这一类机床应具有特殊的结构要求。譬如对机床基本部件的要求为：高速加工对卧式铣镗床基本结构的主要要求是热刚度高、静刚度高及动刚度高。为此需要在卧式铣镗床的布局上要充分考虑到整体型结构形式和高刚性的箱形；同时，在选择材料时必须选择阻尼系数较高、弹性模量较大的合适材料，比如铸铁等作为床身、工作台等构造部件的基础材料[3]。

5.结语

通过分析研究，我们在研制机床时，其结构如果采用侧挂式主轴箱，正T字形布局方式，具有可伸出镗杆，就可以大大提高整个系统的刚性。

参考文献：

[1]姜华.高速精密卧式加工中心开发的关键技术研究[M].2007.

[2]李庆兴.异型轧辊数控车床切削进给系统的设计理论及其关键技术研究[M]，2009.

[3]陈施光，赵宏林等.XK713数控镗铣床整机静动态特性分析[J].2010（38）.