机床结合部特性的理论与应用研究

郑兴凤+赵宝平

摘 要：本文以机床结合部简单结合状态与特性为切入点，就机床整机建模中结合部特性的融合与应用，进行细致的探讨研究，期望为准确了解、掌握机床结合部的特性，推动其特性在机床整机性能提升中的作用，提供有益的参考。

关键词：机床；结合部；特性；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.194

0 引言

在机床的结构系统中，除了床身、滑座、工作等基本的结构部件外，还存在有导轨联结、丝杆联结等结合部。此类结合部对整个机床结构起着极大的性能与正常运行影响。比如机床的静刚度大小就由其结合部的刚度特性所决定，或是机床所发生的振动故障有60%是来源于结合部。而目前对机床的研究工作多注重机床结构，而相应缺少结合部特性带来的性能影响与作用。本文据此以机床结合部的典型结合状态来做理论剖析，并对其结合部特性对机床整机的性能影响与应用做详细的探究分析。

1 机床结合部简单结合状态理论研究

结合面指的是机床两个构件之间相互接触的表面部位，因此结合部就是指结合面与其构件在此结合面位置的部分机械结构。而简单结合状态指的是在结合部表面受压力负荷影响而出现变形作用后，相互接触的两个构件在结合面位置的结构形状依然能维持原有的面貌，进而得出结合部构件的刚度要远大于结合面刚度的结合部特性推断结论。当然这一对机床构件在结合部位置的刚度特性推论，并不适用于结合部构件刚度与结合面刚度不属于同一数量级的条件下。

由于机床结合面本身具备刚度与阻尼两类特性，所以对于结合面的模拟工作可运用弹簧与阻尼器元件来进行。同时结合面本身也可以视为由无数个结合点相互接触并构成的，因此对于每一个结合点均能运用一组并联的弹簧与阻尼元件做模拟置换。而在做具体结合部特性研究时，为了保证研究效率仅能使用有限个点来置换原有结合面上的结合点，用以表述结合部位置的特性，此类有限个替换点也被称为等效结合点。

而机床的一个结合部通常可使用一个或是有限个等效结合点来做模拟替换，具体等效结合点的数量应依照机床结合部的具体特性与结合状态，以及构件结构来选定。如果使用有限个等效结合点做替换模拟，就可以视为将原本的结合部划分为多个子结合部，每个子结合部会对应使用一个等效结合点做替换。因此通常一个子结合部会运用一组弹簧与阻尼器元件做模拟置换，进而依照结合面的单位对其特性做研究分析。

其中对机床单平面结合部的靜变形特性研究，是指在一个结合部能使用单独一个等效结合点做替换的情况下，将此结合部的特性运用等效结合点的六个自由度的刚度与阻尼特性做指代。

因为结合部自身并没有质量，因此其振动方程式就可以表述为：（k+iωc）x=F。

其中k指的是机床结合部的刚度矩阵，C指的是机床结合部的阻尼矩阵，X指的是机床结合部的相对位移列阵，F指的是机床结合部的力列阵，而ω指代整个系统的谐振频率。因此就能基于已知参数求出矩阵k与c，进而得到机床结合部的特性数值。

而当机床结合部遭受到静态或是动态力影响作用情况下，结合面也会发生相对的位移反应，此位移涵盖结合面微观上的凸起变形与滑移变化，因此可将其位移作用看做结合面的变形反应。其相对滑移所损耗的能量会令表面生成阻尼，而机床结合部的刚度则来自于相对位移产生的微分，进而能对二者特性做研究解析。

2 机床整机建模中结合部特性的融合应用分析

对机床结构的解析与结合部特性的应用研究，主要目标在于运用一定的结合方法来研究、分析机床结合部位置特性，进而发现其结构设计的隐患问题。并做改进优化，将其与原有设计做比对，以此实现对机床改进发展的目的。而常用的机床整机子结构结合方法，主要是柔性结合手段。

2.1 机床子结构柔性结合应用

所谓柔性结合指的是相互联接、接触的两个机床子结构，在其结合面位置存在相对运动的结合形式。由于联接的两个子结构属于不同的机床构件类型。因此在进行结合部联接进程中，其结合面上联结压力相对有限，而子结构在结合表层又往往存在微观上的不平整现象。因此在结合部联接振动时，两子结构的结合面就会发生相对运动，从而成为结合部柔性结合状态。柔性结合的结合面可使用一个或有限个等效结合点做模拟替换，每一个等效结合点则可应用并联的弹簧与阻尼器元件做模型替换。基于此就可列出两个机床子结构的柔性结合方程式，并进行结合部特性参数的解析运算。

2.2 对机床结合部的简化应用

对机床结合部特性参数的精准测算，还需要依照其整机的具体结构设计与受力情况等条件做参照和解析。比如在机床立柱和床身结构之间，通常会使用螺栓做两构件的联结固定。相应的在求解立柱与床身构件之间替换结合面的等效结合点数量时，就需与实际所用的螺栓数目保持一致。同时每一个等效结合点的受力状况，又会受到立柱结构重量、主轴箱重量以及工艺作业产生的切削力所影响。因此需要在进行机床结合部特性参数运算时，将各个影响力与矩阵做等效处理，以保证所运算的各个等效结合点刚度与阻尼数值的精确无误。

而对滑动导轨等难以研究等效结合点数目与位置的结合部构件，则可以依照机床实际结构系统，在一根导轨条上依照等距间隔设置若干个等效结合点，具体结合点数量由导轨长度所决定。而对于轴承联结部位的等效结合点数量确定，而通常依照其圆周等角度进行设置，具体结合点数目由轴承的大小规格所决定。

3 结束语

对机床结合部特性的研究，不但应了解其部位的受力情况以及结合面接触状态，两个子结构之间的结合方式也会相应影响结合部特性与受力关系。需要在构建机床整机模型时，基于结合部特性的具体影响因素，以便进行特性参数的解析运算。

参考文献：

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