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1、ML100数控机床滑动导轨结构设计及刚度分析摘要对于ML100数控机床的静压导轨研究，本文依据现有费静压导轨研究方案，详细的分析和研究了ML100机床的静压导轨。首先，本文分析了现有的导轨类型以及不同类型导轨的具体优缺点，针对本文特定的静压导轨，本文还进行了静压导轨的特性分析；其次，本文对静压导轨进行了静力学分析以及疲劳特性分析，诠释了静压导轨的优势。关键词：数控机床；静压导轨；疲劳特性分析；静力学分析ABSTRACTFor hydrostatic guideway research ML100 nc machine tools, based on the existing hydrostat
2、ic guideway study scheme, detailed analysis and studies the hydrostatic guideway ML100 machine tool.First, this paper analyzes the existing types of guide rail and the advantages and disadvantages of different kinds of guide rail against this particular hydrostatic guideway, this article also analys
3、es the characteristics of the hydrostatic guideway;Secondly, this paper deals with hydrostatic guideway statics analysis and fatigue characteristic analysis, explained the advantages of hydrostatic guideway.Key Words: Nc machine tool; Hydrostatic guideway; Fatigue characteristics analysis; Statics a
4、nalysis目 录摘要1ABSTRACT11 绪论11.1 课题研究目的和意义11.2 国内外机床导轨研究发展现状11.3 课题研究的主要内容和方法22 机床导轨的选用22.1 导轨的功用和分类22.2 滑动导轨、静压导轨与滚动导轨的特点和经济性22.2.1 滑动导轨32.2.2 滚动导轨32.2.3 静压导轨42.3 导轨耐磨性42.3.1 导轨材料的选择42.3.2 铸铁导轨工作面淬火处理42.3.3 导轨面的加工精度与表面光整分析42.3.4 验算导轨面“比压”42.3.5 导轨润滑与保护52.4 三种导轨的性能分析及导轨的选择52.5 本章小结53 静压导轨结构分析53.1 静压导轨
5、53.2 静压导轨的优缺点63.3 静压导轨承载能力73.4 本章小结74. 静压导轨有限元分析84.1 静压导轨静力学分析84.2 静压导轨寿命分析104.3 本章小结12总结12致谢12参考文献131 绪论1.1 课题研究目的和意义ML100数控机床是由齐二机床研发具有完全自主知识产权的高端重型核电零件加工设备，主要用于核电关键零件水室封头的特殊内、外形的精确加工。机床采用动梁龙门移动布局, 工作台具有旋转和分度两种功能，通过互锁机构保证车削与铣削功能的可靠实现，滑枕带B轴功能，B轴带有静压卸荷、液压定位及夹紧功能，可实现X-Z平面内斜孔、斜面的高效加工。 该机床的成功研制对满足大尺寸、大
6、吨位、高精度核电零件精确加工与批量化生产的需求，有效推进第三代核电装备的系列化、批量化制造推动核电装备制造技术进步具有重要实意义。 目前国内机床存在工作效率低，工作速度低的问题， 机床导轨面结构是机床工作过程中的重要一环所以 近些年设计者在设计机床时，导轨的设计形式是多种多样的。人们不禁要问，哪一种导轨是最佳的。机床控制元件的运动实现了机床的精密加工，这是手动工具和机床的主要区别，而导轨面结构是机床的控制元件之一。 机床制造者最关心的莫过于机床的精度，刚性和使用寿命。对导轨系统的研究途径是很不够的，至少在机床制造技术方面没有把它放在重要的位置上，在机床样本，宣传广告上，最具有吸引力的技术参数是
7、：主轴转速、进给速度、换刀时间和快速进给速度。当然，这些参数对机床的性能是很重要的。但导轨为机床功能的实现奠定了可靠的基础。 由于具有工作寿命长、摩擦系数低、速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小、工作稳定等诸多优点，液体静压导轨被广泛应用于精密加工机床、雷达天线等民用与军用设备中。随着对数控机床的加工精度和效率要求的不断提高为了提高工作台承载能力和性能，减少工作台和底座间磨损，延长工作台使用寿命，液体静压导轨在各种数控机床中(特别是重载高精度数控机床)也得到了广泛的应用。1.2 国内外机床导轨研究发展现状静压导轨因具有高精度、高刚度、长寿命等一系列优点而得到了广泛的应用。支承是机床和其他机械设备
8、的重要部件，直接影响机械设备的工作性能。液体静压支承技术的应用主要包括液体静压轴承和液体静压导轨两大类。液体静压导轨是液体静压支承技术在导轨中的主要应用。 液体静压导轨的主要优点是：摩擦系数小，一般为0.00050.001机械效率高；导轨面之间的油膜很薄；具有良好的润滑性和吸振性；导轨长期使用无磨损；工作运动平稳。因此，液体静压导比滑动导轨和滚动导轨的寿命高许多倍。同时，液体静压导轨运动速度的变化对其油膜厚度和刚度的影响小，消除了工作台低速运动的“爬行”现象，且降低了对导轨材料的要求4。 由于液体静压导轨具有上述诸多优点，且技术的不断成熟，因此液体静压导轨能满足高精度、重载荷及各种速度范围机床
9、的要求，在各种机床(尤其是数控机床、超精密机床)中得到了广泛的应用。当今生产的数控机床广泛采用液体静压导轨。例如：美国IlqGERSOLL集团旗下的德国WALDluCH SIEGEN公司和WAI，DRjCH COBURG公司、法国FOREST LINE公司、日本的TOSBA公司均生产采用液体静压导轨的数控龙门镗铣床。液体静压导轨在超精密加工机床中的应用也较为广泛。超精密加工设备是实现超精密加工技术的必须手段，而超精密机床的性能取决于其关键部件的性能。导轨副是超精密机床的关键部件之一，直接影响超精密加工的精度。液体静压导轨相对于滚动导轨和动压导轨有摩擦阻力小、使用寿命长、速度范围广、抗振性能好和
10、适应性好等优点。因此，液体静压导轨在超精密加工机床中液体静压导轨得到了广泛应用。例如：美国LLNL实验室从60年代开始研制精密机床，该实验室先后开发了DTM-I、DTM-2型超精密机床，并于1983年9月成功地开发出代表当代超精密机床最高水平的DTM3型卧式大型光学金刚石超精密车床。该机床利用激光干涉仪来进行位置测量，采用液体静压轴承和液体静压导轨，位置控制精度可达O0139m，加工的黄铜零件表面粗糙度可0.0076um。在日本，大森整等人将超精密油静压驱动系统应用于超精密多轴镜面加工机床上，位置精度分辨率达到lOnm，加工工件粗糙度7rim。NanoTechS00FG采用液体静压导轨，其水平
11、直线度和垂直直线度分别达到0.2um250mm和0.51。um250mm，定位精度为0.3um250mm。小泉孝一等人将液体静压导轨技术成功的应用于生产民用液晶显示器的平面研磨机上。在国内，液体静压导轨在各种机床中的应用也越来越普遍。例如：国产XK2125数控龙门镗铣床床身工作台导轨、宝钢宽厚板主体设备中的剪切线双边剪设备和YK73125成形磨齿机中的主要导轨运动副均采用液体静压导轨技术1。1.3 课题研究的主要内容和方法本次课题研究的主要内容：1.熟悉机床导轨结构的特点，选着所需的导轨。2.明确设计要求拟定机床导轨设计制造总体方案制。3.进行机床导轨有限元分析。本次课题研究的解决方法： 通过
12、对静压导轨的优缺点，导轨的受力分析，导轨的材料、润滑条件、加工工艺、维护措施和通过考察调研，查阅相关资料，综合应用专业的理论知识,掌握机械装置的设计方法和步骤,在通过多次的计算校对等方面来完成。2 机床导轨的选用2.1 导轨的功用和分类导轨的功用是导向和承载。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的一方面（如工作台导轨）叫动导轨，不动的一方（如床身导轨）叫做支承导轨。 导轨按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。 在滑动导轨中有静压导轨、动压导轨和普通导轨。静压导轨的原理和静压动轴承相同，两导轨面间有一层静压油膜，属于纯液体摩擦，多用于进给运动导轨。动压导轨，当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，
13、液体的动压效应是导轨油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成液体摩擦，这种导轨只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨，例如立式车床导轨。普通滑动导轨的摩擦状态有的为混合摩擦。这时，在导轨面间虽有一定得的动压效应，但由于速度还不够高，油楔还不足以隔开导轨面，导轨面仍处于直接接触状态。大多数普通滑动导轨属于这一类。有的普通滑动导轨速度很低，导轨间不足以产生动压效应，处于边界摩擦状态。2.2 滑动导轨、静压导轨与滚动导轨的特点和经济性导轨质量对机床刚度,加工精度和使用寿命具有很大的影响,作为机床进给系统的重要环节,不同类型的机床对导轨的要求不同,数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高。且希望其高
14、速进给时不发生振动,低速进给时不出现爬行,灵敏度高。耐磨性好,可在重载下长期连续工作,精度保持性好等,这是机床制造厂设计机床和机床用户选用机床时,必须考虑的问题。下面对三种导轨形式进行比较:2.2.1 滑动导轨滑动导轨在机床上应用的历史最为久远,至今在各类机床产品上广为应用,尤其是普通机床,它往往采用铸铁件或镶钢导轨制成。为了提高导轨的耐磨寿命和精度,一般对导轨表面进行面淬火及磨削加工,现代机床尤其是数控机床常用塑料滑动导轨。 塑料滑动导轨具有摩擦因数低,且动、静摩擦因数差值小,减振性好,具有良好的阻尼性,耐磨性好,有自润滑作用,塑料滑动导轨有铸铁表面淬火塑料滑动导轨和镶钢塑料导轨。塑料滑动导
15、轨常用在导轨副的运动导轨上,与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料导轨分为注塑导轨和贴塑导轨,导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。 注塑导轨。导轨注塑或抗磨涂层的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体,加入增塑剂,混合成膏状为一组分,固化剂为另一组分的双组分塑料这种涂料附着力强,具有良好的可加工性,可经车、铣、刨、钻、磨削和刮削加工。也有良好的摩擦性和耐磨性,而且抗压强度比聚四氟乙烯导轨软带要高,固化时体积不收缩,尺寸稳定。特别是可在调整好固定导轨和运动导轨间的相关位置精度后注入涂料。可节省许多加工时间,特别适用于重型机床和不能用导轨软带的复杂配合型面。 贴塑导轨。在导轨滑动面上贴一层抗磨的塑料软带,与之相配的导轨滑动面经淬火和磨削加工。软带以聚四氟乙烯为基材,添加合金粉和氧化物制成。塑料软带可切成任意大小和形状,用胶粘剂粘贴在导轨基面上由于这类导轨软带用粘贴方法,故称为贴塑导轨。 一般说来,滑动导轨最显著的特点是具有优良的刚性,吸振性(抑制刀具切削时产生的振动)和阻尼性(防止导轨系统启动或停止时的振动),适宜切削负载大的机床使用。且成本较低,经济实用6。2.2.2 滚动导轨滚动导轨的特点是:磨擦系数小,磨擦系数一般在0.00250.005的范围内,动
