由于高速加工中的切削速度,進給速度和加減速度都大,因此機床的發(fā)熱量,運動部件的慣量也大,容易導(dǎo)致機床結(jié)構(gòu)的過量溫升、熱變形和產(chǎn)生沖擊振動,會影響到加工精度、質(zhì)量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性。所以,高速加工對機床結(jié)構(gòu)的基本要求,首先是要三高,即靜剛度高、動剛度高和熱剛度高,也就是說,“三剛”特性要好;其次是運動部件要輕量化,即要盡量減少傳動系統(tǒng)的慣量。

 

為此,機床結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采取的原則措施是:為了提高結(jié)構(gòu)的靜剛度,首先是選擇彈性模量大的材料,如鋼、鑄鐵等作為結(jié)構(gòu)件的基本材料;其次是根據(jù)受力的性質(zhì)(拉,壓或扭)和條件(力的大小,方向和作用點)選擇合理的結(jié)構(gòu)截面形狀、尺寸、筋壁布置和機床的總體布局;三是結(jié)構(gòu)件間的接合面要平整,面積大小要適當,接觸點在接合面上的分布要均勻,連接要牢固等;四是盡量采用箱形和整體型結(jié)構(gòu)。

 

為了提高結(jié)構(gòu)的動剛度,首先是在保證靜剛度的前提下,選擇阻尼系數(shù)大的材料,如人造花崗巖,鑄鐵等作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的材料;二是通過模型試驗或模態(tài)分析合理設(shè)計和調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)接合面的剛度值,以改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的固有振動頻率,使其遠離切削過程中所產(chǎn)生的強迫振動頻率,避免產(chǎn)生共振的可能性;三是有意采用能增加附加阻尼的結(jié)構(gòu)設(shè)計,如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續(xù)焊接的焊件等;四是直線運動部件的支承導(dǎo)軌面間距離要盡可能寬闊,驅(qū)動力的作用線要居中并盡可能靠近運動部件的重心,傳動鏈中應(yīng)無反向間隙,以保證運動平穩(wěn),無沖擊。

 

為了提高結(jié)構(gòu)的熱剛度,原則上首先應(yīng)采用熱容量大、熱脹系數(shù)小的材料和熱脹系數(shù)相近的材料作為結(jié)構(gòu)材料;其次是根據(jù)機床上的熱源和溫度場的分布情況,盡量采用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結(jié)構(gòu),包括采用熱補償措施的結(jié)構(gòu)等,以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響。為了減少運動部件的重量和傳動系統(tǒng)的慣量,一是選用比重小的材料,如鋁合金和復(fù)合材料等,作為運動部件的結(jié)構(gòu)材料;二是在保證剛度和承載能力的前提下,盡量去除多馀的材料;三是采用直接傳動,簡化傳動系統(tǒng),縮短傳動鏈,以提高機床的運動品質(zhì)。現(xiàn)實中能同時滿足上述條件要求的材料和結(jié)構(gòu)是沒有的,只能按實際要求進行綜合評估后選取。