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第三章支承件设计第一节概述一、支承件的功用支承件是机床的基本构件，主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。这些大件的作用是支承其它零部件，保证它们之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。机床切削时，支承件承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力等。机床中的支承件有的互相固联在一起，有的在导轨上作相对运动。导轨常与支承件做成一体，也有采用装配、镶嵌或粘接方法与支承件相联接。支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义。二、支承件的基本要求1.刚度所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度，后者称为动刚度。一般所说的刚度往往指静刚度。支承件要有足够的静刚度，即在额定载荷作用下，变形不得超过允许值。2.抗振性抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。3.热变形机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化，产生热变形，从而影响机床的工作精度和几何精度，这一点对精密机床尤为重要。因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。4.内应力支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。支承件的设计应从结构和材料上保证其内应力要小，并应在焊、铸等工序后进行失效处理。5.其它支承件还应使排屑通畅，操作方便，调运安全，加工及装配工艺性好等。支承件的性能对整台机床的性能影响很大，其重量约为机床总重的80%以上，所以应正确地对支承件进行结构设计，并对主要支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足对它的基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。三、支承件的静力分析为了保证支承件具有足够的刚度，必须进行受力分析，从而有效地进行结构设计，保证机床的加工精度及质量要求。下面以普通车床为例，分析机床及其主要支承件的受力和变形。图3一1普通车床的受力分析机床工作时，工件支承在主轴箱和尾架之间，刀架处于主轴箱与尾架之间，其受力状况如图3-1所示。在垂直面XZ内（图b），切削力的主分力PZ经刀架作用于床身。反作用力P1和P2经过工件分别作用于主轴和尾架。由PZ引起床身(当做梁)在垂直方向的弯矩为MWZ。由于PZ的作用点距主轴中线为d/2，所以床身上还作用有扭矩MnZ=PZ•d/2在水平面XY内（图c），PY经刀架作用于床身，其反作用力P3和P4经工件作用于主轴箱和尾架，由PY引起床身在水平方向的弯矩MWY。由于PY的作用点距床身中性轴为h，故在床身上还作用有扭矩MnZ=PY•h。至于PX切削分力，影响较小，可忽略不计。因此，床身变形的主要形式是在垂直面和水平面内的弯曲，以及由MnZ和MnY联合作用下的扭转。在弯曲变形中，水平面的弯曲对加工精度影响较大，因此设计床身时要注意加强水平面内的弯曲刚度。对于长床身，扭转变形会使刀尖与工件间产生相当大的位移，甚至会成为变形的主要方面，因此要注意提高扭转刚度。主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。第二节支承件的静刚度与结构设计一、支承件的静刚度支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和接触变形。对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触变形。局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。例如床身，如果结构设计不合理，导轨部分过于薄弱，导轨处的局部变形就会相当大。又如车床刀架和铣床的升降台，由于层次很多，连接变形就可能占相当大的比重。设计时，必须注意这3类变形的匹配，针对其薄弱环节，加强刚度。1.提高支承件自身刚度支承件抵抗自身变形的能力称为支承件的自身刚度，它主要决定于支承件的材料、形状、尺寸和筋板的布置等。在进行支承件设计时，应从以下几方面考虑提高支承件的自身刚度。1)正确选择支承件的截面和尺寸支承件所受的载荷，主要有拉压、弯曲和扭转。其中弯曲和扭转是主要的载荷。因此，支承件的自身刚度，应主要考虑弯曲刚度和扭转刚度。在其它条件相同时，抗弯、抗扭刚度与截面惯性矩有关。对于同一材料，截面积相当而形状不同时，截面惯性矩相差很大，合理选择截面可提高支承件自身刚度。对于截面积为100cm2的各种横截面的支承件，其抗弯抗扭惯性矩如表3一1所示。表中列出了各种截面惯性矩的绝对值与相对值，相对值是以1号的惯性矩为1，与其它截面惯性矩相比较得到的数值。从表中可看出以下几点。表3—1截面形状与抗扭惯性矩关系①空心截面的惯性矩比实心的大。加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度。因此，在工艺可能的条件下应尽量减薄壁厚。一般不用增加壁厚的办法来提高自身刚度。②方形截面的抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度较低（表中6与1比较）。若支承件所承受的主要是弯矩，则应取方形或矩形为好。环形的抗扭刚度比方形、方框形与长框形的大，而抗弯刚度小于后者。工字形截面梁的抗弯刚度最好，长框形次之，实心圆最弱。故以承受一个方向的弯矩为主的支承件，截面形状常取为矩形。③不封闭的截面比封闭的截面刚度低得多，特别是抗扭刚度下降更多（见表中3与4）。在可能条件下，尽量设计成封闭的截面形状。但是，有时为了排屑和在床身内安装一些机构等，很难做到四面封闭，如普通车床的床身。2)合理布置隔板隔板的作用是将作用于支承件的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。例如中小型卧式车床的床身的几种横隔板布置如图3-2所示。为了便于排屑，床身一般由前壁、后壁、隔板所组成。图3—2中小型车床床身的几种横隔板布置图3—2a所示为床身前后壁用“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。但这种床身结构简单，铸造工艺性好。图3—2b为“∏”形隔板，“∏”形架具有一定的宽度b和高度h，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能也很好，在大中型车床上应用较多。图3—2c为“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著。图3—2d床身刚度最高，排屑容易。3)合理开窗和加盖为了安装机件或清砂，支承件壁上往往需要开窗孔。窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。影响抗弯刚度最大的，是将窗孔开在弯曲平面垂直的壁上。因开窗孔后将减少壁上受拉、受压的面积。对于抗扭刚度，在较窄壁上开窗孔要比在较宽壁上开窗孔影响要大。对矩形截面的立柱，窗孔的宽度不要超过立柱空腔宽度的70%，高度不超过空腔宽的1~1.2倍。若开窗后加盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度，用嵌人盖比面覆盖要好。由图3-3可看出，开孔对刚度影响较大，加盖后可恢复到原来的35%一41%。图3一3开孔和加盖对刚度的影响2.提高支承件连接刚度和局部刚度支承件在连接处抵抗变形的能力，称为支承件的连接刚度。连接刚度与连接处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法等有关。若支承件以凸缘连接时，连接刚度决定于螺钉刚度、凸缘刚度和接触刚度，接合面处的表面粗糙度应达到Ra=8μm，压力应小于1.5~2MPa。合理布置螺钉位置和选择合适的螺钉尺寸可提高接触刚度。图3—4表示了3种凸缘连接形式。连接刚度与凸缘的结构有关，图3—4a的刚度较低，图3—4b的刚度较高，图3—4c最高。图3一4凸缘连接形式图3—5表示立柱由凸缘连接的几种结构。由于紧固螺栓的分布不同和加强筋数目不一样，使得刚度的差别很大。在立柱两侧壁上用2个、4个和6个加强筋加固凸缘，抗弯刚度和扭转刚度一个比一个高。将12个紧固螺栓配置在凸缘两侧不如在3边均布10个好。增加凸缘厚度可以提高惯性矩，但因螺栓增长，变形量增加，反而降低接触刚度，所以凸缘厚度不宜过大。图3—5凸缘设计对刚度的影响支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件局部刚度。这种变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，它与局部变形处的结构和尺寸等有关。例如车床床身与导轨相联结的结构形式对局都刚度形响很大。若将车床床身设计成图3—6a的结构形状，则在载荷F的作用下，导轨处易发生局部变形。如使导轨与壁板基本对称，适当加厚过渡壁并加筋（图3—6b），导轨处的局部刚度可得到显著地提高。图3—6床身与导轨的过渡壁和筋合理设置加强筋是提高局部刚度的有效途径。图3—7示出4种加筋结构。图3—7a是用加强筋来提高轴承座处的局部刚度；图3—7b、c、d是当壁板面积大于400mm×400mm时，为避免薄壁振动而在壁板内表面加的筋条，其作用在于提高壁板的抗弯刚度。图3—7加强筋的布置图3—10为立柱内的环形筋条，主要用来抵杭截面形状的畸变。前面的3条竖向筋条主要用来提高导轨处的局部刚度。筋条的高度可取为壁厚的4~5倍，厚度与壁厚之比为0.8~1。二、支承件的结构设计1.支承件形状和尺寸的确定确定支承件的结构形状和尺寸，首先要满足工作性能的要求。由于各类机床的性能、用途、规格的不同，支承件的形状和大小也不同。1)卧式床身卧式床身有3种结构形式：中小型车床床身，是由两端的床腿支承；对于大型卧式车床、镗床、龙门刨床、龙门铣床等的床身，是直接落地安装在基础上；有些仿形和数控车床，则是采用框架式床身。床身截面形状主耍取决于刚度要求、导轨位置、内部需安装的零部件和排屑等。基本截面形状见图3—8。图3—8卧式床身的基本截面形状其中图3—8a、b、c主要用于有大量切屑和冷却液排除的机床，如车床和六角车床。图a为前后壁之间加隔板的结构形式，用于中小型车床，刚度较低。图b为双重壁结构，刚度比图a高些。图c所示的床身截面形状是通过后壁的孔排屑，这样床身的主要部分可做成封闭的箱形，刚度较高。图3—8d、e、f三种截面形式，可用于无排屑要求的床身。图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床、龙门刨床、插床和镗床的床身。为了便于冷却液和润滑液的流动，顶面要有一定的斜度。图e床身内部可安装尺寸较大的机构，也可兼作油箱，但切屑不允许落人床身内部。这种截面的床身，因前后壁之间无隔板连接，刚度较低，常作为轻载机床的床身，如磨床。图f是重型机床的床身，导轨可多达4~5个。导轨部分的局部刚度与过渡壁关系很大，可适当加厚过渡壁并加筋来提高刚度，如图3—9所示。筋与筋之间的距离可小一些，便导轨上移动部件的下面总有几根筋支承。从保证刚度要求看，导轨的厚度约为宽度的1/3。图3—9过镀壁2)立柱立柱可看作立式床身，其截面有圆形、方形和矩形，见图3—10。图3—10立柱的截面形状立柱所承受的载荷有2类：一类是承受弯曲载荷，载荷作用于立柱的对称面，如立式钻床的立柱；另一类承受弯曲和扭转载荷，如铁床、镗床的立柱。附图：钻床和镗床立柱的截面形状主要由刚度决定。图3—10a为圆形截面，抗弯刚度较差，主要用于运动部件绕其轴心旋转以及载荷不大的场合，如摇臂钻床、小型立钻和台式钻床的立柱。图3—l0b为对称矩形截面，用于以弯曲载荷为主，载荷作用于立柱对称面且较大的场合，如大中型立式钻床、组合机床等。轮廓尺寸比例一般为h/b=2~3。图3—10c为对称方形截面，用于受有两个方向的弯曲和扭转载荷的立柱。截面尺寸比例为h/b≈1，两个方向的抗弯刚度基本相同，抗扭刚度也较高。这种床身多用于镗床、铣床、滚齿机等的立柱。图3—10d用于龙门框架式立柱。对于立式车床的轮廓比例为h/b=3~4，龙门刨床和龙门铣床的轮廓比例为h/b=2~3。3)横梁和底座横梁用于龙门式框架机床上，作受力分析时，可似看作两支点的简支梁。横梁工作时承受复杂的空间载荷。横梁的自重为均布载荷，主轴箱或刀架的自重为集中载荷，而切削力为大小、方向可变的外载荷，这些载荷使横梁产生弯曲和扭转变形。因此横梁的刚度，尤其是垂直于工件方向的刚度，对机床性能影响很大。横梁的横截面一般做成封闭形，见图3—11。龙门刨