第2章 精密切削加工.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,2.1,概述,2.2,精密切削加工的工艺规律和机理,2.3,精密切削加工的机床及应用,2.4,功率超声车削,第,2,章 精密切削加工,5/18/2026,精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面,(,粗糙度,Ra0.02,0.005m,，加工精度,0.01m),。,用于加工：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。,精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。,金刚石刀具的精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。,2.1,概述,5/18/2026,按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。,精密加工：加工精度在,0.1,1m,，加工表面粗糙度在,Ra0.02,0.1m,之间的加工方法称为精密加工；,超精密加工：加工精度高于,0.1m,，加工表面粗糙度小于,Ra0.01m,之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等,）。,精密加工的加工范畴,5/18/2026,精密加工的关键技术,1.,精密加工机床,：主轴回转精度、工作台直线运动精度以及刀具微量进给精度,2.,金刚石刀具：,金刚石晶面选择、刀具刃口锋利性（刀具刃口圆弧半径）,3.,精密切削机理：,微量切削过程的特殊性,4.,稳定的加工环境：,恒温、防振和空气净化,5.,误差补偿：,根据规律设定补偿，反馈控制系统,6.,精密测量技术,5/18/2026,切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度,1000,2000m/min,，而刀具的磨损甚小。,超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。,2.2,精密切削加工机理,5/18/2026,总结：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。,5/18/2026,图,2-3,：图,a,是刀刃磨损的正常情况，图,b,是剧烈磨损情况，可以看到磨损后成层状，即刀具磨损为层状微小剥落。,图,2-4,：图中所示沿切削速度方向出现磨损沟槽，由于金刚石和铁、镍的化学和物理亲和性而产生的腐蚀沟槽。,图,2-5,：金刚石切削时，若有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃。,5/18/2026,不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。,1,、切削速度的影响,一、切削参数对积屑瘤生成的影响,5/18/2026,由图,2-8,可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在,f,5m/r,时，,h,0,值最小，,f,值再增大时，,h,0,值稍有增加。,由图,2-9,所示，在背吃刀量,25m,后，,h,0,值将随着背吃刀量的增加而增加。,2,、进给量,f,和背吃刀量 的影响,5/18/2026,积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。,1,、对切削力的影响,二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响,5/18/2026,1,）,积屑瘤前端,R,大约,2,3m,，实际切削力由刃口半径,R,起作用，切削力明显增加 。,2,）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩擦力增大，切削力增大。,3,）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加,h,D,-h,Du,，切削力增加。,切削模型分析,实际切削厚度,5/18/2026,积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。,二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响,2,、对加工表面粗糙度的影响,5/18/2026,由图,2-12,知，在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。,图,2-13,说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面,镜面。,1,、切削速度的影响,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,5/18/2026,在进给量,f5,m/r,时，均达到,R,max,0.05m,的加工表面粗糙度。,2,、进给量的影响,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,5/18/2026,修光刃长度常取,0.05,0.20mm,。,修光刃的长度过长，对,加工表面粗糙度影响不,大。,修光刃有直线和圆弧两,种，加工时要精确对,刀，使修光刃和进给方,向一致。圆弧刃半径一般,取,2,5mm,。,3,、修光刃的影响,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,5/18/2026,在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃,刀量变化对加工表面粗糙度影响很小。,背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界,值时，背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。,4,、背吃刀量的影响,一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响,5/18/2026,刃口锋锐度对加工表面有一,定的影响，相同条件下（背,吃刀量、进给量），更锋锐,的刀具切出的表面粗糙度更,小；速度的影响不是很大。,一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响,刃口半径为,0.6,m,、,0.3,m,5/18/2026,锋锐车刀切削变形系数明显低于,较钝的车刀。,刀刃锋锐度不同，切削力明显不,同。,刃口半径增大，切削力增大，,即切削变形大。背吃刀量很小时，,切削力显著增大。,因为背吃刀量很,小时，刃口半径造成的附加切削变,形已占总切削变形的很大比例，刃,口的微小变化将使切削变形产生很,大的变化。所以在背吃刀量很小的,精切时，应采用刃口半径很小的锋,锐金刚石车刀。,二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响,5/18/2026,LY12,铝合金原始材料的显微硬度为,105HV,。使用,p,0.3m,的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为,167HV,；使用,p,0.6m,的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为,205HV,。,1,）刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；,2,）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。,1,、对加工表面冷硬的影响,三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响,5/18/2026,刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。,2,、对加工表面组织位错的影响,三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响,5/18/2026,1,）刃口半径越小，残留应力越低；,2,）背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。,四、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响,5/18/2026,1,）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。,2,）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。,3,）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。,4,）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。,不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。,一、精密切削对刀具的要求,5/18/2026,硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。,优质天然单晶金刚石：多数为规整的,8,面体或菱形,12,面体，少数为,6,面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。,大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。,人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。,二、金刚石晶体的性能,5/18/2026,金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。,国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取,0.1,0.2mm,国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径,R=0.53mm,。,金刚石刀具的主偏角，平时采用,30,90,度，用得较多的是,45,度。,金刚石刀具的设计与制造,1,、金刚石刀具切削部分的几何形状,刀头形式,5/18/2026,2.11,金刚石刀具的设计与制造,1,、金刚石刀具切削部分的几何形状,前角,后角,副偏角,主偏角,刃倾角,正交平面参考系,5/18/2026,为增加刀刃的强度，采用较大的刀具楔角，故刀,具的前角、后角都取得较小。,后角：多采用,加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取,前角根据加工材料，切铝、铜合金前角取 。,1,、金刚石刀具切削部分的几何形状,前角和后角,5/18/2026,1,、金刚石刀具切削部分的几何形状,金刚石车刀举例,1,1,2,3,1,：主偏角,45,度,2,：前角,0,度,3,：后角,5,度,4,：修光刃,0.15mm,3,4,5/18/2026,应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。（,111,）不适合作前后面。,推荐采用（,100,）晶面作金刚石刀具的前后面，理由如下：,1),（,100,）晶面的耐磨性高于（,110,）晶面；,2),（,100,）晶面的微观破损强度高于（,110,）晶面，（,100,）晶面受载荷时的破损机率比（,110,）晶面低很多；,3),（,100,）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（,110,）晶面的摩擦系数。,2,、金刚石刀具前、后刀面晶面选择,5/18/2026,对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。,在小刀头上的固定方法有：,机械夹固,粉末冶金法固定,粘结或钎焊固定,一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石,钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。,3,、金刚石刀具的固定方法,5/18/2026,二、金刚石刀具的研磨加工 粗磨 精研磨,1,、金刚石刀具的研磨机,5/18/2026,粗研效率与研磨方向、研磨速度和压力、使用的金,刚石微粉的粒度有关。,找到所磨晶面的好磨方向,线速度高,加大研磨压力（,9,12N,）研磨效率高,粗粒度的微粉（初期）,细粒度的微粉（后期）,二、金刚石刀具的研磨加工,2,、粗研：去除余量,5/18/2026,二、金刚石刀具的研磨加工,3,、精研,提高研磨质量，使切削刃研制更为锋锐,磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小,研磨盘质量越好，研磨效果越好,研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方向研磨,精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，除去磨痕。,5/18/2026,1,精密和超精密机床发展概况及典型机床简介,2,精密主轴部件,3,床身和精密导轨部件,4,进给驱动系统,5,微量进给装置,6,机床运动部件位移的激光在线检测系统,7,机床的稳定性和减振隔振,8,减少变形和恒温控制,精密加工的机床设备,5/18/2026,精密机床是实现精密加工的首要基础条件。,1,）美国：,50,年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；,1983,1984,研制成功大型超精密金刚石车床,DTM,3,型和,LODTM,大型超精密车床。,2,）英国：,1991,粘研制成功大型超精密机床,OAGM2500,。,3,）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。,4,）中国：,JCS,027,超精密车床、,JCS,031,超精密铣床、,JCS,035,超精密车床等。,一、发展概况,5/18/2026,二、典型机床简介,Union Carbide,公司,的半球机床,能加工直径,100mm,的半球，达到尺寸精,度正负,0.6,m,，表面粗糙度,0.025,m,。,精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成,轴衬，径向空气轴承的外套可以调整,自动定心，可提高前后轴承的同心度，,以提高主轴的回转精度。,5/18/2026,二、典型机床简介,Moore,车床,由,Moore 3,型坐标测量机改,造而成。采用卧式主轴，,三坐标精密数控，消振和,防振措施，加强恒温控制等。,M-18AG,型超精密非球面车床，,基本结构同,Moore 3,，采用空,气静压轴承主轴、气浮导轨、,双坐标双频激光测量系统、,优质铸铁床身，有恒温油浇,淋机和空气隔振垫支承。,5/18/2026,二、典型机床简介,Pneumo,公司的,MSG-325,超精密车床,采用,T,形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向,跳动均小于等于,0.05,m,。床身溜板用花岗岩制造，导,轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为,0.01m,的,双坐标精密数控系统驱动，用,HP5501A,双频激光干涉仪,精密检测位移。,5/18/2026,二、典型机床简介,DTM-3,大型超精密车床,采用精密数控伺服方,式，控制部分为内装式,CNC,装置和激光干涉测长,仪，精确测量定位，在,DC,伺服机构内装有压电,微位移机构，实现纳米,级微位移。,5/18/2026,二、典型机床简介,大型光学金刚石车床,LODTM,机床采用立式结构，采用止,推轴承，,7,路高分辨力双频激光,测量系统，,4,路激光检测横梁上,溜板的运动，,3,路激光检测刀架,上下运动位置，使用在线测量,和误差补偿，各发热部件用大,量恒温水冷却，用大的地基，,地基周围有防振沟，且整个机,床用,4,个大空气弹簧支承。,5/18/2026,二、典型机床简介,OAGM 2500,大型超精密机床,机床的,x,和,y,向导轨采用液,体静压，,z,向的磨轴头和,测量头采用空气轴承。床,身采用型钢焊接结构，用,精密数控驱动，双频激光,测量系统检测运动位置。,5/18/2026,二、典型机床简介,AHNIO,型高效专用车削、磨削超精密机床,有一个,x,和,y,向调整的刀,架及作,B,轴转动的高精度,转台，借助三轴精密数,控，加工平面、球面和,非球曲面。,采用空气轴承，刀架设,计滑板结构，直线移动,分辨力,0.01,m,，激光测,量反馈，定位精度全行,程,0.03m,。,加工模具形状精度,0.05,m,，表面粗糙度,0.025m,5/18/2026,精密主,轴部件,一、液体静压轴承主轴,主轴回转精度,回转精度,在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，,在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、,端面跳动和轴向窜动的大小。,影响回转精度的因素,（,1,）轴承精度和间隙的影响。,（,2,）主轴、支承座等零件中精度的影响。,关键在于精密轴承。,5/18/2026,（一）、滑动轴承的分类,按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为,:,液体摩擦轴承,非液体摩擦轴承,液体动压润滑轴承,液体静压,润滑,轴承,按滑动轴承承受载荷的方向可分为,:,径向滑动轴承（向心）,推力滑动轴承（止推）,5/18/2026,根据润滑膜的形成原理不同分为：,动压,润滑轴承,利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。,静压润滑轴承,在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。,5/18/2026,径向轴承（,向心轴承,）,径向轴承的,受力,Fr,与轴的中心线垂直,止推轴承（推力轴承）,止推轴承受力,Fa,与,轴的中心线平行,F,r,F,a,轴承座,径向轴瓦,止推轴瓦,5/18/2026,（二）、液体静压轴承工作原理,静压轴承组成：,供油系统、节流器、轴承,5/18/2026,（,1,）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个,油腔（通常为,4,个）。,（,2,）各油腔之间开有回油槽。,（,3,）用过的油一部分从这些回油槽流回油,箱（径向回油），另一部分则由两端流回油,箱（轴向回油）。,（,4,）油腔四周形成适当宽度的轴向封油面和,周向封油面，它们和轴颈之间的间隙一般,为,0.02,0.04mm,。,（,5,）油泵供油压力为,ps,，,油液经节流器,T,进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。,（,6,）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为,h0,。,（,7,）当主轴受径向载荷（包括自重）,F,作用后，轴颈向下移动产生偏心量,e,。,5/18/2026,（,8,）油腔,3,处的间隙减小为,h0-e,，,由于油液流过间隙小的地方阻力大，流量减小，因而流过节流器,T3,的流量减少，压力损失随之减小,（,9,）供油压力,ps,一定，油腔,3,内的油压,p3,升高,（,10,）油腔,1,处的间隙增大为,h0,e,，,由于油液流过间隙大的地方阻力小，流量增加，因而流过节流器,T1,的流量增加，压力损失亦随着增加，所以油腔,1,内的油压,p,就降低，这样油腔,3,与油腔,1,之间形成了压力,p,=p3-p1,，,产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷,F,。,（,11,）如油腔的有效承载面积为,A,，,则轴承的承载能力为：,F=A,（,p3-p1,）,（,12,）各油腔由同一个液压泵供油，则每个油腔必须串联一个节流器。,（,13,）没有节流器，各油腔油压相同，互相抵消，就不能平衡外载荷了，这时主轴产生位移，甚至使轴颈与轴承表面接触,（,14,）油腔压力是液压泵供给的，与轴的转速无关。因此，静压轴承可以在很低的转速下工作。,5/18/2026,1,）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。,2,）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。,解决措施：,1,）提高静压油的压力到,6,8MPa,，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。,2,）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。,3,）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。,（三）、液体静压轴承的缺点,5/18/2026,二、空气静压轴承主轴,圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承,径向轴承的轴套制成外面鼓形，能自动调整定心。,轴套的外表面做凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。当轴变形时，轴套可以自动调整位置，从而保证轴颈与轴,鼓,为面接触。用多孔石墨的轴衬代替小节流孔。,5/18/2026,双半球空气轴承主轴,前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。,5/18/2026,前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴,5/18/2026,立式空气轴承,5/18/2026,三、超精密机床主轴和轴承的材料,1,）不易磨损。用多孔石墨作空气轴承套。,2,）不易生锈腐蚀。,3,）热膨胀系数小，且主轴和轴套的热膨胀系数要接近。,4,）材料的稳定性好。,38CrMoAl,氮化钢，经表面氮化和低,温稳定处理，不锈钢和多孔石墨和轴承钢。,此外：铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷。,5/18/2026,四、主轴的驱动方式,1,）电动机通过带传动驱动,2,）电动机通过柔性联轴器驱动,3,）采用内装式同轴电动机驱动,5/18/2026,床身和精密导轨部件,精密机床的总体布局,1),主轴箱位置固定，刀架装在十字形滑板上,2,）,T,形布局,3,）,R,布局,4,）立式结构布局,5/18/2026,床身和导轨的材料,铸铁,成本低,有良好减振性和耐磨性,易于铸造和切削加工,导轨常用的铸铁,灰铸铁、,孕育铸铁、耐磨铸铁,灰铸铁应用最多的牌号是,HT200,常用的孕育铸铁牌号是,HT300,耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。,常用于较精密的机床导轨,耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁,与孕育铸铁相比，其耐磨性提高,1,2,倍，但成本较高,常用于精密机床导轨,优质耐磨铸铁,5/18/2026,花岗岩,比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。,人造花岗岩,由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。,5/18/2026,导轨分类,导轨的作用和特点,导轨不仅是支承工作台、主轴箱、头架尾架等部件的载荷，而,且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。,但是与主轴部件相比，具有以下的特点：,1,）工作速度低。,2,）导轨的工作部分既长又薄，刚度差，是机床最薄弱的环节,之一。,3,）受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。,4,）导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，,甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。,5/18/2026,导轨的基本要求,（一）导向精度高,1,、导轨在水平面内和垂直面内的直线度,2,、导轨的平行度,3,、导轨间的垂直度,（二）足够的刚度,外力作用下导轨本身抵抗变形的能力,导轨分类,5/18/2026,导轨的基本要求,（三）精度保持性（耐磨性）好,1,、降低导轨面的比压；,2,、良好的防护与润滑；,3,、正确选择导轨副的材料和热处理；,4,、选择合理的加工方法。,（四）运动的灵敏度,是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。,导轨分类,5/18/2026,按两导轨面间的摩擦性质分类,1,）滑动导轨,两导轨面间是滑动摩擦。又可按两导轨面间的摩擦状态的不同,而分为液体或气体静压导轨及流体动压导轨。,2,）滚动导轨,两导轨面间是滚动摩擦。又可按中间滚动体的不同而分为：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨及滚动轴承导轨等。,5/18/2026,滑动导轨按导轨的截面形式分,滑动导轨分两大类,凸形和凹形,凸形,导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动,凹形,导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置,5/18/2026,导轨的结构形式,三角形导轨,支承导轨为凸形时,山形导轨,支承导轨为凹形时,V,形寻轨,三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度,支承导轨为,山形,时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油,适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨,支承导轨为,V,形时,，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨,必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘,5/18/2026,导轨的结构形式,矩形导轨,矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整,侧面磨损后不能自动补偿，需,要有间隙调整装置，因此导向性较差,适用于载荷较大而导向性要求不高的机床,矩形导轨,5/18/2026,导轨的结构形式,燕尾形导轨,燕尾形导轨,结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩,磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂,一般用作中、低速的多层导轨,圆柱形导轨制造简单,要求加工时就直接达到较高精度,磨损后很难调整和补偿间隙,圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合,燕尾形导轨,圆柱形导轨,5/18/2026,导轨的结构形式,双三角形组合,导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性，,很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难,适用于精度要求较高的机床,在载重偏离中央时，仍能保持良好导向，美国,Moore,公司生产的坐标镗床、坐标测量机采用双三角形导轨。,5/18/2026,导轨的结构形式,具有较大的承载能力、制造调整比较简单,导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响,多用于普通精度机床和重型机床，如,X6132,工作台导轨。,双矩形组合,5/18/2026,导轨的结构形式,导向性好、制造方便和刚度高,应用最广泛,如,CA6140,型普通车床溜板、,B2020,工作台导轨、,M1432A,砂轮架导轨等。,三角形矩形组合,5/18/2026,导轨的结构形式,两个燕尾平面同时起导向及压板作用,不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大,用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合,如,CA6140,刀架、,B6050,滑枕导轨等,燕尾形,组合,5/18/2026,滚动导轨,滚动导轨的优点,滚动导轨,就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。,特点,：摩擦系数小（,0.0025,0.005,）,静、动摩擦系数很接近,运动轻便灵活；,运动所需功率小；,摩擦发热少；,磨损小；,精度保持性好,(,钢制淬硬导轨修理期间隔可达,10,15,年,),低速运动平稳性好，一般没有爬行现象,5/18/2026,滚动导轨,滚动导轨的优点,移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约,0.1,0.2m,）。,滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；,维护方便（只需更换滚动体）；,高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起,5/18/2026,滚动导轨的应用,需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床、仿形机床等。,外圆磨床砂轮架为实现微量进给：,工具磨床为手摇工作台轻便；,立式车床为提高速度；,平面,磨床工作台导轨为防止高速移动时产生浮起，以提高加工精度；,大型外圆磨床工作台导轨为了减轻阻力和减少发热等也采用滚动导轨。,滚动导轨,5/18/2026,滚珠导轨,滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低,导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小,适用于载荷较小的机床,5/18/2026,滚柱导轨,承载能力和刚度：都比滚珠导轨大,应用：载荷较大的机床，应用最广泛,对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。因此，滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大,0.02mm,左右。,5/18/2026,5/18/2026,再循环滚柱滚动组件,5/18/2026,再循环滚珠滚动组件,5/18/2026,滚动导轨的预紧,在滚动体与导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直线度及滚动体直径不一致误差的影响，使大多数滚动体均能参加工作。,由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动导轨的预紧提高了导轨的精度和刚度。阻尼性能也有所增加，,提高了导轨的抗振性。,5/18/2026,液体静压导轨,静压导轨特点,工作原理,与静压轴承相同。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。,优点,：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；,载荷的变化对油膜厚度的影响很小；,液体摩檫，摩檫系数仅为,0.005,左右，油膜抗振性好。,缺点,：导轨自身结构比较复杂；,需要增加一套供油系统；,对润滑油的清洁程度要求很高。,主要应用：精密机床的进给运动和低速运动导轨,5/18/2026,液体静压导轨,5/18/2026,气浮导轨和空气静压导轨,气浮导轨,常用平导轨，运动导轨的底平面和两侧导轨有压缩空气，使滑板或工作台浮起，工作台的浮起是气浮作用，但侧面是气体静压作用。美国,Pneumo,公司的,MSG,325,使用气浮导轨。,5/18/2026,气浮导轨和空气静压导轨,空气静压导轨,运动件的导轨面，上下、左右均在静压空气的约束下，比气浮导轨的刚度和运动精度高。静压空气的节流方式：多孔石墨节流、小孔节流、毛细管节流、狭缝节流、表面节流。静压空气压力,4,6,大气压。,5/18/2026,进给驱动系统,数控系统的伺服系统,伺服系统的组成,数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。,主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。,进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。,进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,5/18/2026,数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。,进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。,进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,进给伺服系统,数控系统的伺服系统,5/18/2026,位置控,制模块,速度控,制单元,伺服,电机,工作台,位置检测,测量,反馈,伺服驱动装置,指令,速度环,位置环,速度检测,数控系统的伺服系统,闭环进给伺服系统结构,5/18/2026,数控系统的伺服系统,伺服系统的基本要求,1,、位移精度高,2,、稳定性好,3,、快速响应,4,、调速范围宽,5,、低速大扭矩,5/18/2026,精密数控系统,对超精密机床，刀具和工件的,z,向和,x,向运动以及加工非球曲面的精密回转工作台都是由精密数控系统进行控制的。,精密数控系统通过直流伺服电机或交流伺服电机，双频激光测量系统检测,z,向和,x,向的位移反馈给精密数控系统，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。,5/18/2026,滚珠丝杠副驱动,进给的驱动元件，滚珠在丝杠和螺纹槽内滚动，摩擦力小，且滚珠在螺母内有再循环通道。滚珠丝杠副要求正转和反转没有回程间隙，要求滚珠丝杠和螺母间有一定的预载过盈。精密级和高精密级滚珠丝杠的螺母常做成两段组合。为减小滚珠丝杠的径向圆跳动和轴向跳动对导轨直线运动的影响，采用螺母和工作台柔性连接，即螺母装在柔性的过渡连接块上再和工作台固定。,5/18/2026,液体静压和空气静压丝杠副驱动,提高进给运动的平稳性。液体静压轴承的间隙大，气体静压轴承的间隙小。,5/18/2026,摩擦驱动,进一步提高导轨运动的平稳性和精度，优于滚珠丝杠副的驱动。,5/18/2026,对微量进给装置的要求,微量进给装置具有微量移动或微量转动及微量进给等功用。,微量进给机构应满足的要求：,1,）精微进给和粗进给应分开；,2,）运动部分必须是低摩擦和高稳定度的；,3,）末级传动元件必须具有很高的刚度；,4,）微量进给机构内部联接必须是可靠联接；,5,）工艺性好，容易制造；,6,）微量进给机构具有好的动特性；,7,）微量进给机构应能实现微量进给的自动控制。,微量进给装置,5/18/2026,微量进给装置,对微量进给装置的应用,1,）实现微量进给；,2,）实现超薄切削；,3,）在线误差补偿；,4,）用于切削加工非轴对称特殊型面。,5/18/2026,机械结构弹性变形微量进给装置,5/18/2026,压电和电致伸缩传感器进给装置,压电和电致伸缩传感器的材料,压电材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。,由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应，可用作温度传感器。,压电陶瓷是一种具有能量转换功能的陶瓷，在机械力的作用下发生形变时，会引起表面带电。带电强度的大小，可以和施加电场的强度成正比，也可以成反比。因此，能够在各个领域中得到广泛应用。压电陶瓷,PZT,。,5/18/2026,电致伸缩传感器的结构和性能,两片成一对，中间通正电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在一起，正极联在一起，负极联在一起。要提高电致伸缩传感器的动态特性，应减少传感器中的陶瓷片，减少传感器的电容量。,5/18/2026,电致伸缩式微量进给装置的结构,5/18/2026,电致伸缩式微量进给装置的结构,5/18/2026,一、激光在线检测系统的工作原理,超精密机床的工件的形状由机床的两坐标（,z,向和,x,向）的精密数控系统来控制工件和刀具的相对位置。精密数控系统现在采用闭环控制，即机床的运动部件的位移用装在机床内部的双频激光干涉测距系统随机精确检测，将数据反馈给精密数控系统，保证位移运动的高精度。,机床运动部件位移的,激光在线检测系统,5/18/2026,机床运动部件位移的,激光在线检测系统,二、,MSG,325,超精密机床的激光检测系统,美国,HP,公司生产的,HP5501,两坐标双频激光干涉测量系统。主轴箱作,z,向运动，刀架作,x,向运动。激光测量系统的分辨率为,0.01,微米，大部分激光光路采用封闭。,5/18/2026,机床运动部件位移的,激光在线检测系统,三、三坐标测量机激光位移测量系统,5/18/2026,机床运动部件位移的,激光在线检测系统,四、,LODTM,大型光学金刚石车床激光测量系统,5/18/2026,机床的稳定性和减振隔振,一、机床的稳定性,1,、各部件的尺寸稳定性好,1,）采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件；,2,）各部件经过消除应力；,2,、结构刚度高，变形小,1,）结构刚度高、变形量极小，基本不影响加工精度；,2,）各接触面和联接面的接触良好，接触刚度高，变形极小。,5/18/2026,机床的稳定性和减振隔振,问题,1,：什么样的机床的稳定性好？,问题,2,：怎样减少机床内部的振动？,问题,3,：怎样减少外界振动对机床的影响？,5/18/2026,机床的稳定性和减振隔振,隔振的目的与任务,隔振的目的是采用一定的隔振措施，使环境振动不致影响精密设备的正常工作。,根据隔振措施的不同，可分为积极隔振和消极隔振两种。隔振措施是针对振源采取的，称为积极隔振；隔振措施是对精密设备采取的，其目的是减小环境振动对精密设备的影响，称为消极隔振。,隔振设计的任务是在理论计算及实践的基础上，根据精密设备允许的振动量、水平度要求以及环境振动的大小，选择有效的和经济合理的隔振方案，其中包括确定隔振系统的质量、刚度、尺寸、结构型式及隔振器的材料、型式、刚度、尺寸、数量和布局等。,5/18/2026,机床的稳定性和减振隔振,提高机床结构的抗振性和消除减少机床内的振动,1,、各运动部件都经过精密动平衡，消灭或减少机床内部的振源。,2,、提高机床结构的抗振性。,3,、在机床结构的易振动部分，人为的加入阻尼，减小振动。,4,、使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件。,5/18/2026,机床的稳定性和减振隔振,隔离振源，使用隔振沟、隔振墙和,空气隔振垫以减少外界振动的影响,1,、超精密机床应尽量远离振源；,LODTM,大型超精密车床为避免恒温水的水泵的振动的影响，水泵将恒温水打到水箱中，恒温水靠自重从水箱流到超精密机床的各个部件。,2,、超精密机床采用单独地基，隔振沟、隔振墙等；,LODTM,车床除用带隔振沟的地基外，还将机床放置在带隔振墙的房间。,3,、使用空气隔振垫,Moore,公司的,M,18AG,车床、,Pneumo,公司的,MSG-325,车床、,DTM,3,机床和,LODTM,车床用空气隔振垫支承，高位支承将使机床的抗振性提高，增加机床的稳定性。,5/18/2026,减少热变形和恒温控制,问题,1,：减少机床热变形的措施？,问题,2,：,LODTM,车床是怎样进行恒温控制的？,5/18/2026,减少热变形和恒温控制,一、减小机床热变形的措施,1,）尽量减少机床中的热源；,2,）采用热膨胀系数小的材料制造机床部件；,3,）结构合理化使在同样的温度变化条件下，机床的热变形最小；,4,）使机床长期处在热平衡状态，使热变形量成为恒定；,5,）使用大量恒温液体浇淋，形成机床附近局部地区小环境的精密恒温。,5/18/2026,减少热变形和恒温控制,二、,LODTM,的恒温控制,机床放置在用