第十一章支承件设计.

第十一章支承件设计第一节概述一、支承件的功用支承件：是机床的基础构件，包括床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等。也称为“大件”。安装、支承、固定或活动的零部件，使之保持相对位置和运动关系，并承受力和力矩，支承导轨定位导向，安装油液电系统等。二、支承件的设计要求1、足够的静刚度和较高的刚度／重量比2、良好的动态特性。3、较小的热变形和内应力。4、便于制造、装配、维修、排屑和吊运及考虑切削液及润滑油回收、液压、电器装置的安置等。三、支承件的设计基本步骤1）根据支承件的使用要求进行受力分析，再根据所受的力、热变形和其它要求（如排屑、切削液及润滑油回收、其它零部件安置等），并参考机床的同类型件，初步设计其基本形状和尺寸。2）可以用有限元法，借助于电子计算机进行验算，求解支承件的静刚度和动态刚度，避免盲目性，提高成功率。3）根据计算结果对设计进行修改，或对几个方案进行对比，选择最佳方案。第二节支承件的静力分析一、支承件受力分析为了保证有足够的刚度，必须了解支承件的受力情况以及产生的变形，了解由此引起的加工误差，从而合理设计支承件的结构。1.不同机床所受载荷的特点1)对于中小型普通机床，应以切削力为主，工件重量、移动部件重量等在受力和变形分析时可忽略不计，如钻床、铣床、中型车床等。2)对于精密机床和高精度机床，其切削力较小，应以移动部件的重量和热应力为主，如双柱立式坐标镗床。3)对于大型、重型机床则需要同时考虑工件重量，移动部件重量和切削力，如双柱立式车床、落地镗铣床等。2.不同形状支承件的简化支承件根据其形状不同一般可简化为梁、板、箱三种类型。1).梁件——一个方向的尺寸比另两个方向大得多的零件。如：床身、立柱、横梁等。2).板件——两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如：底座、工作台、刀架等。3).箱体件——三个方向的尺寸都差不多的零件。如：箱体、升降台等。3.普通车床床身的受力分析通过分析得到相应的变形：1）.竖直面内的弯矩和弯曲变形。2）.水平面内的弯矩和扭转变形。3）.横截面内的转矩和扭转变形。第三节支承件的静刚度和形状选择的原则一、支承件静刚度支承件的变形一般包括自身变形、局部变形和接触变形。设计时，要注意这三类变形的匹配，并应对薄弱环节予以加强。1.自身刚度支承件抵抗自身变形的能力，称为自身刚度。支承件的自身刚度主要为弯曲刚度和扭转刚度。支承件的自身刚度取决于支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板的布置等。2.局部刚度抵抗局部变形的能力，称为局部刚度。局部刚度主要取决于受载部位的构造、尺寸以及筋的配置。局部变形发生在载荷集中的地方。3.接触刚度支承件各接触面抵抗接触变形的能力，称为接触刚度。取决于连接处材料、几何形状与尺寸及接触面硬度和表面粗糙度。接触刚度与自身刚度的不同在于：1)接触刚度是指受外载荷对接触平面的平均压强与变形之比，并不是支承件的自身刚度，接触刚度可表示为：接触平面受到的平均压强/接触平面的变形量2)接触刚度不是一个固定值，即接触平面受到的平均压强与接触平面的变形量的关系是非线性的。支承件的自身刚度和接触刚度对接触压强的分布是有影响的，如图11—5所示。在集中载荷作用下，如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强的分布是基本均匀的，如图a所示。接触刚度也较高。如自身刚度或局部刚度不足，则在集中载荷的作用下，构件将产生变形，使得接触压强分布不均如图b所示，从而使接触变形分布也不均，降低了接触刚度。从这里可以看出，接触刚度不仅决定于接触面的加工情况，也决定于支承件。二、刚度的折算和比较弯曲刚度和扭转刚度的单位不同，x向和y向弯曲刚度的方向不同，互相之间是不能直接比较的。但是在设计时，又必须知道支承件的各项刚度对加工精度的影响。为此，就要把弯曲变形和扭转变形，都折合为刀尖相对于工件在最影响精度方向(“敏感方向”)的位移，以便进行比较。下面以车床床身为例，说明折算的方法，见图11—6。三、支承件形状选择的原则1.正确选择界面的形状和尺寸支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷，所以自身刚度主要是考虑弯曲刚度和扭转刚度。在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大，因此应正确选择截面的形状和尺寸以提高自身刚度。1）截面积相同时空心截面刚度大于实心界面刚度。2)方形截面的抗弯刚度高于圆形截面，而抗扭刚度较低。3)不封闭的截面比封闭的截面刚度显著下降，特别是抗扭刚度下降更多。•四.合理布置隔板•在两壁之间起连接作用的内壁称为隔板。隔板的功用在于把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷。当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承件的自身刚度。隔板布置一般有三种基本形式，即纵向隔板、横向隔板和斜向隔板。纵向隔板主要提高抗弯刚度；横向隔板主要提高抗扭刚度；斜向隔板则兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果。纵向筋板抗弯PbPLp横向筋板抗扭斜向筋板既抗弯又抗扭五.合理开窗孔为了安装机件或清砂，往往需要在支承件外壁上开孔，窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。开在与弯曲平面垂直的壁上的窗孔，对影响抗弯刚度最大。开在较窄壁上的窗孔，对抗扭刚度的影响比开在较宽壁上的窗孔大。因此矩形截面的立柱，窗孔尽量不要开在前、后壁上。必须开孔时，应靠近支承件几何中心附近。孔宽或孔径以不超过支承件宽度的0.25倍为宜。工作时加盖，并用螺钉上紧，可补偿一部分刚度的损失。表2给出了在空心梁类支承件模型上开孔及加盖对刚度影响的试验结果。六、提高支承件局部刚度1.合理选择连接部件的结构图c和图d的两种结构最好，特别是用来承受力矩效果更好，缺点是结构复杂。2.合理选择螺钉尺寸和布置当受力矩时，螺钉应主要布置在受拉伸的一侧；当受扭矩时，螺钉应均匀分布在连接部位四周。螺钉尺寸应经过计算，使它足以能承受外载荷的作用。3.注意床身与导轨连接处的局部过渡4.合理配置加强筋有些支承件的内部要安装其它机构，不能封闭，安装隔板也会有所妨碍。这时就只能采用加强筋来提高刚度。合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法。七、提高支承件接触刚度减少接触面的层数是提高接触刚度的最好方法。但具体设计时，常限于结构或功能上的原因而不能减少接触面的层数，此时可采用以下措施：(1)导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配磨。(2)固定螺钉连接时，通常应使接触面间的平均预压压强不小于2MPa，以消除表面微观不平度的影响，并据此确定固定螺钉的直径、数量、布置位置以及拧紧螺钉时施加的力。装配时可用测力扳手来拧紧螺钉。八、壁厚的选择九、支承件材料和热处理支承件的材料主要为铸铁和钢。预应力钢筋混凝土支承件（主要为床身、立柱、底座等）近年来有较大的发展。对于铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨的要求选择；如果导轨是镶嵌上去的，或者支承件上没有导轨，则一般可采用HT150。如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用3号或5号钢。在铸造或焊接中的残余应力，将使支承件产生变形。因此，必须进行时效处理以消除残余应力。时效方法有自然时效、人工时效和振动时效三种。支承件焊接结构1.焊接结构的特点1）用钢板、角钢等焊接支承件，工序简单，生产周期短，可以焊接任何形状的零件，且不易出废品。2）焊接支承件没有铸件的截面形状限制，可做成完全封闭的箱形结构，并根据受力情况，布置肋条和肋板来提高抗扭刚度和抗弯刚度。3）钢的弹性模量约为铸铁的1.5～2倍，钢的刚度/重量比铸铁大40%以上。4)钢的内阻尼较铸铁小，但机床阻尼主要取决于各零件接合处的阻尼，材料的内阻尼影响不大。5)焊接结构在成批生产时，成本比铸件高，一般多用在大型、重型机床及自制设备等小批生产中。2.焊接工艺性1）尽量减少焊缝的数量和长度；2)焊缝的可焊到性要好；3）减轻焊缝的载荷；4）轮廓形状规整化；5）大型结构分段焊接组装。十、支承件结构工艺性1.铸件结构工艺性1)铸件结构简单，造型和拔模容易；2)避免产生缩孔、气孔和裂纹，壁厚应尽量均匀。3)便于清砂，特别是便于清理砂芯。4)大型铸件要铸出吊孔,如铸件不能开孔，则应铸出吊钩或加工出螺纹孔，以便于安装吊环螺丝。2.机械加工工艺1）较长的支承件（如车床床身）应尽量避免两端有加工面，避免支承件内部深处有加工面以及倾斜的加工面。2)尽量使加工面集中，以减少加工时的翻转及装夹次数。3)所有加工面都应有支承面较大的基准，便于加工时定位、测量和夹紧。第四节支承件动态特性动态特性一般包括三方面问题：1)共振问题在工作时支承件的固有频率不能与激振频率相重合，应避免发生共振现象。2)动力响应问题支承件应具有较高的动刚度（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）和较大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振动的振幅较小。3)切削稳定性问题抵抗切削自激振动的能力，研究支承件动态特性就要对切削稳定性进行分析。一、支承件固有频率和振型分析支承件动态特性时，通常可将支承件简化为一个多自由度的系统，多自由度系统的固有频率和主振型，是通过求解系统的无阻尼自由振动方程得到。1.多自由度系统的固有频率和主振型图a所示的振型，其固有频率比图b所示的低。因此，图a为第一阶振型，其固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态；图b为第二阶振型，第二阶固有频率，合称第二阶模态。2.支承件的模态分析由于机床上激振力的频率一般都不太高，因而只有最低几阶模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近。高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振力频率，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响是不大的。所以只需研究最低几阶模态。1)第一阶模态整机摇晃振动，振型如图a所示。床身作为一个刚体在弹性基础上做摇晃振动。整机摇晃的固有频率较低，通常约为数十赫兹。2)第二阶模态一次弯曲振动，振型如图b所示。主振系统是床身本身。振动的特点是各点的振动方向一致，上下振幅相差不大，纵向(z向)越近中部，振幅越大；越近两端振幅越小。3)第三阶模态一次扭转振动，振型如图c所示。主振系统与第二阶模态相同。振型振动的特点是两端的振动方向相反,振幅为两端大中间小。4)第四阶模态二次弯曲振动，振型如图d所示。主振系统同上。特点是有两条节线AB和CD。在这两条节线上，振幅为零。两端的振动方向相同，与两节线间的振动方向相反。5)薄壁振动在高频振动中，需要注意的是薄壁振动。薄壁振动的振幅不大，又是局部振动，故对加工精度影响不大，但却是重要的噪声源或噪声的传播者。上述模态中，第二、三、四阶将引起执行器官之间的相对位移，对加工精度和加工表面粗糙度，影响较大。第一阶也能引起安装部件的相对位移而影响加工质量。二、改善支承件动态特性和措施改善支承件的动态特性，提高其抗振性，其关键是提高支承件的动刚度。1.单自由度系统的动态特性提高结构的动刚度，可以采用以下一些办法：提高系统的静刚度；增大系统中的阻尼比；提高系统的固有角频率；或改变激振角频率，以使二者远离。1)提高静刚度提高静刚度的途径主要是合理地设计结构的截面形状和尺寸、合理的布置肋板和肋条、还必须注意结构的整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。2.改善支承件动态特性的措施2)增加阻尼常用的有保留砂芯的方法（常称封砂结构），铸件的砂芯不清与铸件和砂与砂之间的摩擦耗散振动能量，以提高阻尼。3)调整固有频率增加刚度或减少质量，都可以使固有频率提高，而改变阻尼系数，则固有频率的变化不大。4)采用减振器采用减振器也是提高抗振性的一种有效方法，其特点是结构轻巧。第五节支承件热变形特性一、支承件热变形机床工作时，存在各种热源，如切削、电动机、液压系统和机械摩擦都会发热，使各部件因温度分布不均而产生变形，这就是热变形。热变形可以改变机床各执行器官的相对位置及其位移的轨迹，从而降低加工精度。热变形对普通中小机床加工精度影响不太明显，但对自动机床、自动线、和精密、高精度机床的影响却很明显。•二、改善支承件热变形特性的措施•改善支承件的热变形特性，就是设法减少热变形，特别是不均匀的热变形，以及降低热变形对精度的影响。•1．