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機床本體是數控機床的主要部分。為了實(shí)現數控機床的功能，保證數控機床的性能要求，來(lái)自數控裝置的各種運動(dòng)和動(dòng)作指令必須從機床本體轉換為真實(shí)準確的機械運動(dòng)和動(dòng)作。

(數控機床結構)

CNC機床本體由以下幾個(gè)部分組成：

(1)主傳動(dòng)系統，其作用是實(shí)現主運動(dòng)。

(2)進(jìn)給系統，其作用是實(shí)現進(jìn)給運動(dòng)。

(3)機床基礎零件通常指床體、底座、立柱、滑座、工作臺等。它的作用是支撐機床本體的零件和零件，并確保這些零件和零件在切削過(guò)程中占據準確的位置。

(4)液壓、氣動(dòng)、潤滑、冷卻、防護、排屑等裝置，可實(shí)現某些部件動(dòng)作和某些輔助功能。

(5)實(shí)現工件旋轉、分度定位的裝置和附件，如旋轉工作臺。

(6)刀庫、刀架和自動(dòng)換刀裝置(6)(ATC)。

(7)自動(dòng)托盤(pán)交換裝置(APC)。

(8)刀具損壞檢測、精度檢測和監控裝置等特殊功能裝置。

其中，機床基本部件、主傳動(dòng)系統、進(jìn)給系統、液壓、潤滑、冷卻等輔助裝置是構成數控機床的機床本體的基本部件，其他部件根據數控機床的功能和需求進(jìn)行選擇。雖然數控機床的機床本體的基本構成與傳統機床非常相似，但數控機床的機床本體在整體布局、結構和性能上與傳統機床有很大不同，出現了許多完全新穎的機械結構和部件，以適應數控機床的功能特點(diǎn)。

數控機床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化加工設備。雖然數控機床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，但由于數控機床能夠自動(dòng)化、高精度、高質(zhì)量、高效率地解決中小批量的加工問(wèn)題，仍然被機械制造商廣泛使用，并取得了良好的經(jīng)濟效益。數控技術(shù)、伺服驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和在機床上的應用為數控機床的自動(dòng)化、高精度和高效率提供了可能性，但要將可能性轉化為現實(shí)，就必須要求數控機床的機械結構具有優(yōu)異的穩定性、穩定性和剛性。這些特性包括

提高機床結構的靜剛度。

在切削力和其它力的作用下，機床結構的靜剛度是指機床抵抗變形的能力。在加工過(guò)程中，機床受到各種外力的影響，包括運動(dòng)部件和工件的自重、切削力、驅動(dòng)力、加減速時(shí)的慣性力、摩擦阻力等。在這些力的作用下，機床的各個(gè)部件都會(huì )發(fā)生變形，如各個(gè)基本部件的彎曲和扭轉變形、支撐部件的局部變形、固定連接面與運動(dòng)嚙合面的接觸變形等。這些變形會(huì )直接或間接導致刀具與工件之間的相對位移，破壞刀具和工件原有的正確位置，從而影響機床的加工精度和切割過(guò)程的特性。因此，提高機床的靜態(tài)剛度是機床結構設計的普遍要求。為了獲得高效率，數控機床具有大功率、高速度，使其承受的各種外力負荷更加惡劣。而且加工過(guò)程的自動(dòng)化也使得加工誤差無(wú)法通過(guò)人工干預進(jìn)行修正和補償，因此數控機床的變形會(huì )對加工精度產(chǎn)生更嚴重的影響。為了保證數控機床在自動(dòng)化、高效切削條件下的穩定性和高精度，其機械結構應具有較高的靜態(tài)剛度，數控機床的剛度系數應比普通機床高50％。

1．采用合理的筋板結構，合理設計基礎件的截面形狀和尺寸。

在機床外力的作用下，每個(gè)基礎零件都會(huì )承受彎曲和扭轉的載荷，其彎曲和扭轉變形的大小取決于基礎零件的截面抗彎和抗扭慣性矩。抗彎和抗扭慣性矩大，變形小，剛度高。表5-1列出了不同截面形狀和尺寸的慣性矩，當截面面積相同(即重量相同)時(shí)。從表中的數據可以看出，在形狀和截面面積相同的情況下，減小壁厚，增加截面的輪廓尺寸，可以大大增加剛度；封閉截面的剛度遠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，抗彎曲剛度低于方形截面。

2．采用合理的結構布局，改善機床的受力狀態(tài)，提高機床的靜剛度

如果切削力、自重等外力相同，可以改善機床的受力狀態(tài)，減少變形，從而達到提高剛度的目的。例如，在其它條件不變的情況下，縮短主軸前端的懸伸長(cháng)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。采用合理的機床結構布局，可顯著(zhù)改善機床的受力狀態(tài)，提高機床的剛度。

3．補償相關(guān)零件，零件的靜態(tài)變形

在外力的作用下，機床的變形是不可避免的。如果能采取措施減少變形對加工精度的影響，結果就相當于提高了機床的剛度。按照這個(gè)思路，有很多方法可以補償零件和零件的靜態(tài)變形。這種方法廣泛用于補償自重引起的靜態(tài)變形。

4．提高機床各部件的接觸剛度

在機床各部件的固定連接面和運動(dòng)副的連接面之間，總會(huì )有宏觀(guān)和微觀(guān)的不平整。兩個(gè)面之間真正接觸的只是一些高點(diǎn)，實(shí)際接觸面積小于兩個(gè)接觸面的面積(名義接觸面積)。因此，在承載過(guò)程中，作用于這些接觸點(diǎn)的壓力遠強于平均壓力，導致接觸變形。平均壓力p和變形δ這個(gè)比例叫做接觸剛度，即。

由于機床總是有大量的靜動(dòng)連接面，如果不注意提高接觸剛度，每個(gè)連接面的接觸變形都會(huì )大大降低機床的整體剛度，對加工精度產(chǎn)生非常不利的影響。實(shí)際接觸面積的大小是影響接觸剛度的根本因素，任何增加實(shí)際接觸面積的方法都可以有效地提高接觸剛度。例如，機床的導軌通常采用人工刮刀技術(shù)作為最終的精加工過(guò)程。通過(guò)刮刀研究，可以增加單位面積上的接觸點(diǎn)，使接觸點(diǎn)分布均勻，從而增加導軌副結合面的實(shí)際接觸面積，提高接觸剛度。例如，采用滾動(dòng)軸承作為支撐的主軸部件，需要設計預緊結構來(lái)調節軸承間隙，使軸承在預加載的情況下運行，從而提高主軸的支撐剛度。預加載增加了實(shí)際接觸點(diǎn)的面積，從而達到提高接觸剛度的目的。采用螺紋緊固的固定連接面，合理布置一定數量的螺栓，對螺栓的擰緊扭矩提出嚴格要求，以保證適當的預緊力，也是提高接觸剛度的常用措施。

5．采用鋼板焊接結構

長(cháng)期以來(lái)，鑄鐵主要用于機床基礎零件。近年來(lái)，鋼板焊接結構取代鑄鐵零件的趨勢不斷擴大，從單件和小批量重型和超重型機床的應用逐漸發(fā)展到一定批量的中型機床。

提高機床結構的抗振性能

機床的振動(dòng)會(huì )在加工工件的表面留下振動(dòng)，影響工件的表面質(zhì)量。在嚴重的情況下，加工過(guò)程很難進(jìn)行。機床加工時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生兩種振動(dòng):強制振動(dòng)和自激振動(dòng)。機床的抗振能力是指抵抗這兩種振動(dòng)的能力。

強制振動(dòng)是在各種動(dòng)態(tài)力的作用下被迫產(chǎn)生的振動(dòng)(如高速旋轉部件的不平衡力、往復運動(dòng)部件的換向沖擊力、周期變化的切削力等)。).如果動(dòng)態(tài)力的頻率與機床某個(gè)部件的固有頻率重合，就會(huì )產(chǎn)生共振。機床結構抵抗強制振動(dòng)的能力可以用動(dòng)剛度來(lái)表示。

自激振動(dòng)是在具有額外動(dòng)力的情況下，由切削過(guò)程本身激發(fā)的振動(dòng)。自激振動(dòng)的頻率接近或略高于機床主振動(dòng)的低階固有頻率，振幅較大，對加工過(guò)程產(chǎn)生極其不利影響。當機床的剛度、刀具的切削角度、工件和刀具材料、切削速度和進(jìn)給量都是一定的時(shí)候，影響自激振動(dòng)的主要因素是切削寬度B。因此，作為判斷機床切削穩定性(抵抗自激振動(dòng)的能力)的指標，可以將不產(chǎn)生自激振動(dòng)的最大切削寬度稱(chēng)為臨界切削寬度。

高速切削是產(chǎn)生動(dòng)力的直接因素，強力切削也意味著(zhù)切削寬度大。在追求高速高切削效率的同時(shí)，數控機床也為容易產(chǎn)生強制振動(dòng)和自激振動(dòng)奠定了基礎。切削過(guò)程的自動(dòng)化使得振動(dòng)難以手動(dòng)控制和消除。數控機床只能通過(guò)自身機床結構的高抗振性來(lái)降低和克服振動(dòng)對加工精度和加工過(guò)程的影響。

提高機床的抗振性，可以從提高靜態(tài)剛度、固有頻率和阻尼性幾個(gè)方面入手。前面已經(jīng)詳細介紹了提高靜態(tài)剛度的措施。由于固有頻率(其中k為靜態(tài)剛度，m為結構質(zhì)量)，在提高靜態(tài)剛度時(shí)，結構件的重量可以相對減小，即單位重量的剛度可以提高固有頻率。前面介紹的合理布置鋼筋板，采用鋼板焊接結構等措施提高靜態(tài)剛度，也可以達到提高固有頻率的目的。

1、基礎內腔填充泥芯、混凝土等阻尼材料

泥芯、混凝土填充在基礎件的內腔內，振動(dòng)時(shí)可以利用相對摩擦來(lái)消耗振動(dòng)能量，從而提高結構的阻尼性能。

2、表面采用阻尼涂料

對于彎曲振動(dòng)結構件，涂層厚度越大，阻尼越大，在其表面噴涂一層內阻尼性高、彈性高的粘性材料(如瀝青基制成的水泥減振劑、聚合物和油漆膩子等)。).阻尼涂層不僅可以改變原設計的結構和剛度，還可以獲得更高的阻尼比，其阻尼比ξ價(jià)值可以達到0.05~0.1。鋼板焊接結構中經(jīng)常采用這種措施。

3、采用新材料制造基礎件

近10年來(lái)，德國和瑞士在應用聚合物混凝土制造基礎件方面取得了進(jìn)展。德國布格哈特-韋貝爾(BURKHARUT&WEBER)該公司為HYOP80NCW加工中心制作了丙烯酸樹(shù)脂混凝土床體，其動(dòng)態(tài)剛度是鑄鐵件的6倍。斯圖德，瑞士精密磨床制造商(STUDER)該公司制作了S40和S50系列數控外圓磨床的樹(shù)脂混凝土床體，具有剛度高、抗振性能好、耐化學(xué)腐蝕、耐熱等特點(diǎn)。

4、在接合面之間充分利用阻尼

在焊接結構上，壁板和筋板之間采用間歇焊接(即焊接一段，空一段，再焊接一段)，空振動(dòng)時(shí)相互摩擦，可以消耗振動(dòng)能量，從而獲得良好的阻尼特性。

減少機床的熱變形

熱膨脹是各種金屬和非金屬材料的固有特性。當機床工作時(shí)，許多零件和零件會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，如電機、滾動(dòng)軸承、切屑、刀具和工件的切割零件、液壓系統等。這些產(chǎn)生熱量的零件和零件稱(chēng)為熱源。熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導、對流和輻射傳遞給機床的各個(gè)零件，導致溫度升高和熱膨脹。由于熱源分布不均勻，各熱源產(chǎn)生的熱量不均勻，零件質(zhì)量不均勻，導致機床各部位溫度升高不一致，從而產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)和不均勻的熱膨脹變形。

CNC機床的主軸轉速、進(jìn)給速度遠高于傳統機床，而且大切削用量產(chǎn)生的熾熱切屑也較多，因此發(fā)熱遠比傳統機床嚴重，而熱變形對加工精度的影響往往難以由操作人員來(lái)糾正，因此應特別注意如何減少機床的熱變形。

1、改進(jìn)機床布局和結構設計

(1)采用熱對稱(chēng)結構

與熱源相比，這種結構是對稱(chēng)的。這樣，當發(fā)生熱變形時(shí)，可以保證工件或刀具旋轉中心對稱(chēng)線(xiàn)的位置不變，從而減少熱變形對加工精度的影響。最典型的例子是許多臥式加工中心采用的框式雙柱結構。主軸箱嵌入框式立柱，定位在立柱的左右導軌的兩個(gè)內側。熱變形時(shí)，主軸中心在水平方向的位置保持不變，從而減少了熱變形的影響。

(2)采用預拉伸滾珠絲杠結構。

數控機床中的滾珠絲杠在預加載荷大、轉速高、散熱差的情況下工作，容易發(fā)熱。滾珠絲杠的熱伸長(cháng)直接影響進(jìn)給系統的定位精度。預拉伸可以減少絲杠的熱變形。這種方法是在加工滾珠絲杠時(shí)，使螺距略小于名義值，在組裝時(shí)預拉伸絲杠。即使螺距值達到名義值，當絲杠工作加熱時(shí)，絲杠中的拉伸應力補償熱應力，從而減少熱伸長(cháng)。

(3)機床布局時(shí)，盡量減少內部熱源

內熱源發(fā)熱是導致熱變形的主要原因。因此，在機床布局設計中，應盡量將熱源從主機中分離出來(lái)，如電機、變速箱、液壓泵站等。

加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱切屑是不可忽視的熱源。在機床布局中，應考慮使排屑通暢。應設置自動(dòng)排屑裝置，以便隨時(shí)將排屑排出機床。同時(shí)，應在工作臺或導軌上設置隔熱罩，以隔離數控技術(shù)中排屑的熱量。

2、控制溫升

采用散熱、風(fēng)冷、液體冷卻等控制溫升的方法，吸收熱源產(chǎn)生的熱量，是各種數控機床中減少熱變形影響的常用對策。其中，強制冷卻是一種有效的方法。所謂強制冷卻，就是用冷卻裝置冷卻潤滑油或冷卻液，然后將潤滑油送到摩擦副潤滑或將冷卻液送到切割部位冷卻。

3、熱變形補償

對熱變形規律進(jìn)行預測，在計算機中建立數學(xué)模型并存進(jìn)行實(shí)時(shí)補償。

第四，改善運動(dòng)導軌副摩擦特性

機床導軌是機床基本結構的要素之一。機床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機床導軌的質(zhì)量，而對數控機床導軌的要求更高，如:高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行；靈敏度高，能在重載下長(cháng)時(shí)間連續工作；耐磨性高，保持精度好。這些都與導軌副的摩擦特性有關(guān)，要求摩擦系數小，靜動(dòng)摩擦系數小。現代數控機床使用的導軌主要包括塑料滑動(dòng)導軌、滾動(dòng)導軌和靜壓導軌。

(一)塑料滑動(dòng)導軌

數控機床使用的塑料滑動(dòng)導軌包括鑄鐵-塑料滑動(dòng)導軌和鑲嵌鋼-塑料滑動(dòng)導軌。塑料滑動(dòng)導軌通常用于導軌副的運動(dòng)導軌，與之匹配的金屬導軌是鑄鐵或鋼。鑄鐵品牌為HT300，表面淬硬至HRC45~50，表面粗糙度磨削至0.20~0.10；鑲鋼導軌常采用50號鋼或其它合金鋼，淬硬至HRC58~62。聚四氟乙烯導軌軟帶和環(huán)氧耐磨導軌涂層常用于導軌上的塑料。

1、聚四氟乙烯導軌軟帶

聚四氟乙烯導軌軟帶是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬、石墨等填充物，混合燒結，制成軟帶狀。這種軟帶有以下特點(diǎn):

(1)摩擦性能好

(2)是耐磨性好

(3)是具有良好的減振性能

(4)工藝性能好

2、環(huán)氧耐磨導軌涂層

環(huán)氧耐磨導軌涂層是一種雙組分塑料涂層，以環(huán)氧樹(shù)脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液體或糊狀，以固化劑為另一組分。具有良好的加工性能，可經(jīng)車(chē)、銑、刨、鉆、磨、刮；它還具有良好的摩擦特性和耐磨性，抗壓強度高于聚四氟乙烯導軌軟帶，固化時(shí)體積不收縮，尺寸穩定。特別是在調整固定導軌和運動(dòng)導軌之間的相關(guān)位置精度后，可以注入涂料，可以節省大量的加工時(shí)間，因此特別適用于不能使用導軌軟帶的重型機床和復雜機床。

(二)滾動(dòng)導軌

滾動(dòng)導軌具有摩擦系數小(一般在0.003左右)、動(dòng)靜摩擦系數差異小、幾乎不受運動(dòng)變化影響、定位精度高、靈敏度高、保持精度好等優(yōu)點(diǎn)。現代數控機床常用的滾動(dòng)導軌有兩種:滾動(dòng)導軌塊和直線(xiàn)滾動(dòng)導軌。

1、滾動(dòng)導軌塊

2、線(xiàn)性滾動(dòng)導軌

除了一般滾動(dòng)導軌的共同優(yōu)點(diǎn)外，單元式直線(xiàn)滾動(dòng)導軌還具有以下特點(diǎn)：

(1)具有自調節能力，安裝基面的許用誤差較大。

(2)制造精度高。

(3)可以高速運行，運行速度可以大于60m//min。

(4)能夠長(cháng)時(shí)間保持高精度。

(5)可以預加載荷，提高剛度。

(三)靜壓導軌

靜壓導軌通過(guò)壓力油在兩個(gè)相對運動(dòng)的導軌表面之間浮動(dòng)，使導軌表面處于純液體摩擦狀態(tài)。由于承載要求不同，靜壓導軌分為開(kāi)閉兩種。