机床设计-2.

机械制造装备设计主讲人：李爱芝2.6机床支承件设计2.6.1支承件功用及基本要求2.6.2支承件的结构设计2.6.3支承件材料2.6.4提高支承件结构性能的措施2.6.1支承件功用及基本要求支承件是指用于支承和连接若干部件的基础件-------床身、底座、立柱、横梁、工作台、箱体。◆功用（1）支撑和连接各部件；（2）承载；（3）承受热变形；（4）保证机床的加工精度◆基本要求：（1）使用要求：能够顺利容屑和排屑，吊运安全方便以及造型美观。（2）工艺要求：结构工艺性好，便于制造、装配、调整和维修；结构设计上应尽量减小内应力；毛坯制造或粗加工后应进行时效处理。（3）性能要求：具有足够的刚度、良好的抗振性能、较小的热变形。2.6.2支承件的结构设计机床类型、布局和支承件的形状支承件的截面形状和选择支承件筋板和筋条的布置合理选择支承件的壁厚（一）机床类型、布局和支承件的形状1．机床类型（根据所受载荷的特点）（1）中小型机床：外载荷以切削力为主，工件和移动部件的重力（相对较小）可忽略不计；（2）精密和高精密机床：外载荷以移动部件的重力和热应力为主，切削力相对较小可忽略不计；（3）大型和重型机床：切削力、工件重力和移动部件重力必须同时考虑。2．机床的布局形式不同的布局方式，支承件结构和形状不同。3．支承件的形状（1）箱形类：支承件在三个方向尺寸上相差不多，如各类箱体、底座、升降台等；（2）板块类：支承件在二个方向尺寸上比第三个方向尺寸大的多，如工作台、刀架等；（3）梁类：支承件在一个方向尺寸上比另两个方向大的多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。（二）支承件的截面形状和选择原则支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。◇静刚度弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一种材料、相等的截面面积，其截面惯性矩不同。比较截面积相同（100cm2），截面形状不同的惯性矩的计算值和相对值，得出：1．空心截面的刚度比实心的大→床身截面应做成中空形式。2．圆形（环形）截面的抗扭刚度比方形或矩形截面大；抗弯刚度比方形小。受弯矩为主的支承件的截面应用矩形（立钻、插床立柱）；受扭矩为主的支承件应采用圆形（环形）的截面；既承受弯矩又承受扭矩的支承件应采用近似正方形。3．封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。4．保持横截面积不变，加大外廓尺寸，减少壁厚，可提高截面刚度。卧式床身截面的基本形式：空心矩形截面车床类床身：两面封闭式截面，便于排除大量切屑和冷却液，刚度较低——中小型车床。无升降台铣床、龙门刨床、龙门铣床床身——三面封闭式截面，不需要从床身排屑。大型和重型机床床身:三壁结构（双层壁结构），承受重载。磨床类床身:三面封闭式截面，内部可用于储存润滑油和冷却液，安装传动机构——载荷较小的机床。立式床身（立柱截面）的基本形式：圆形、方形，封闭结构圆形截面：抗扭刚度↑、抗弯刚度↓，用于载荷不大机床，如摇臂、台式钻床的立柱（床身）、组合机床的立柱。对称方形截面：抗扭刚度↑、抗弯刚度↑，用于承受复杂的空间载荷，如镗床和铣床的立柱（床身）、组合机床的立柱。对称矩形截面：抗扭刚度↓、抗弯刚度↑，用于承受弯曲载荷较大的机床，如中大型单轴或多轴立式钻床、组合机床的立柱。矩形截面，内部设有加强筋：如龙门式机床的立柱、组合机床的立柱。（三）支承件筋板和筋条的布置1．筋板（肋板、隔板）联接支承件四周外壁的内板，能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件自身和整体刚度。有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。◆纵向筋板(水平布置)纵向筋板布置在弯曲平面内，↑抗弯刚度：◆横向筋板(垂直布置)横向筋板是将支承件的外壁横向连接起来，↑抗扭刚度：◆斜向筋板同时↑抗弯刚度和↑抗扭刚度。未加斜向筋板常见的几种卧式车床床身筋板(隔板)的布置形式：◇T形隔板：水平抗弯刚度高。用于刚度要求不高的小型车床。◇W形斜向隔板用于床身长宽比小于5的短床身（同∩形隔板）或长床身，封闭三角形，水平抗弯和抗扭刚度高。◇∩形隔板：用于床身长度L≤750～1000的中型车床，水平面和垂直面的抗扭刚度显著提高。◇半封闭斜向隔板：用于最大加工直径大于D630mm的卧式车床床身，床身主体部分形成封闭截面，刚性好。2．筋条（肋条、加强筋）一般布置在支承件的内壁上。作用：↓局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。布局：纵向、横向和斜向，常布置成交叉排列。①必须使筋条位于壁板的弯曲平面内；②筋条厚度一般为床身壁厚的倍；③一般铸铁床身用井字形，焊接床身用米字形。④局部增设筋条，提高支承件的局部刚度。8.0~7.0加强筋的常见形式：☆直线型加强筋：载荷较小窄壁上，刚性差。☆直角相交的加强筋（井字形）箱形截面的床身和平板上，易产生内应力。☆三角形及斜向交叉形加强筋支承件的宽壁与平板上，刚度高。☆米字型加强筋焊接床身，抗弯和抗扭刚度较高，工艺性差。☆蜂窝形加强筋平板上，内应力小。☆局部增设肋条，提高局部刚度。凸缘处局部刚度差局部加强筋（四）合理选择支承件的壁厚原则：减轻重量，根据工艺上的可能尽量选择薄一些。1．铸铁支承件的外壁厚根据当量尺寸C选择铸铁件的壁厚：L、B、H——铸件的长、宽、高（m）。根据C查表确定最小壁厚，再综合考虑工艺条件、受力情况，可适当加厚，壁厚应尽量均匀：C=0.75m：8mm；C=1.0m：10mm；C=1.5m：12mm；C=1.8m：14mm；C=2.0m：16mm；C=2.5m：18mm；C=3.0m：20mm；C=3.5m：22mm；C=4.0m：25mm。2．钢板焊接支承件：钢板、型钢重量轻：钢的弹性模量约比铸铁大一倍，钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的倍。承受同样载荷下，壁厚可做比铸铁薄；钢的阻尼是铸铁的1/3，抗振性较差：在结构上和焊缝布置采取抗振措施；焊接支承件靠采用封闭截面形状，正确布置肋板和肋条来提高刚度；→大型机床以及承受载荷较大的导轨处的壁板，常采用双层壁结构，以提高刚度，壁厚度mmt6~3mmt6~354~3245.12.6.3支承件材料（一）铸铁普通灰铸铁：（HT100）、HT150、HT200；进行时效处理（人工或自然），消除内应力。（二）钢板焊接结构：用钢板和型钢焊接而成。重量轻（20%~30%）；用于单件小批量生产中型机床。（三）预应力钢筋混凝土抗振性好，刚度大、阻尼比大（是铸铁的几倍），成本低。（四）天然花岗岩抗振性好、刚度高、热稳定性好、阻尼系数比钢大15倍、耐磨性比铸铁高5～6倍；抗冲击性能差、脆性大、油和水渗入——表面局部变形胀大，难以制作复杂的零件。（五）树脂混凝土（人造花岗岩）→新型机床床身材料◆特点：抗振性好、刚度高、热稳定性好；重量轻——比重为铸铁的1/3；导热系数小；耐腐蚀性好；某些力学性能较低。◆应用：已成功用于精密外圆磨床中。对于高速、高效、高精度机床具有广泛应用前景。◆结构形式：框架结构：采用金属型材焊接出床身周边框架，在框架内浇注树脂混凝土（大中型机床床身）；整体结构：用树脂混凝土制造出床身整体。分块结构：为简化浇注模具的结构和实现模块化，对于结构复杂的大型床身构件，把它分成几个形状简单、便于浇注的部件。2.6.4提高支承件结构性能的措施（一）提高支承件刚度（静刚度）和固有频率1．合理选择支承件的材料、结构形状和尺寸、壁厚；2．合理布置肋板和肋条，提高结构刚度和局部刚度；3．改善支承件间的接触刚度以及支承件与地基联结处的刚度；4．在刚度不变的前提下，减小质量提高支承件的固有频率；5．用有限元分析法进行定量分析，用较小质量得到较高静刚度和固有频率。（二）提高支承件的动态特性（1）改善阻尼特性①保留铸铁支承件内部砂芯；或填充型砂或混凝土等阻尼材料，起到减振作用。②焊接支承件，填充混凝土等阻尼材料减振；或充分利用结合面间的摩擦阻尼减振，即两焊接件间留有贴合而未焊死的表面，振动过程中，两结合面间产生的相对摩擦起阻尼作用。③适当调整结合面压力，提高结合面间摩擦阻尼。（2）↑K：合理选择材料、截面形状和尺寸、壁厚；合理布置筋板和筋条；改善支承件间的接触刚度及支承与地基联结处的刚度。（3）↑：在K不变的前提下，↓质量，↑—避免“共振”。（4）采用新材料制造支承件树脂混凝土材料——刚性高、抗振性好、热变形小、耐化学腐蚀。00（三）提高热变形特性（热稳定性）1．采用热对称结构：发生热变形，工件或刀具回转中心线的位置基本不变，减小对加工精度的影响。双立柱结构的加工中心或卧式坐标镗床，主轴箱装在框式立柱内，以左右两立柱定位。由于两侧热变形的对称性，主轴中心线的升降轨迹不会因立柱热变形而左右倾斜，保证定位精度。立柱热对称结构2．控制温升：散热和隔热改善散热条件——对温升高部位，加大散热面积、设置散热片和风扇；分离或隔绝热源——将主要热源（液压油箱、变速箱、电动机）移到与机床隔离的地基上，或在液压马达、液压缸等热源外面加隔热罩；采用双层壁结构，其间有空气层。3．温度均衡分布设计时尽量减少支承件本身各部位的温差。4．采用热补偿装置：（1）基本方法：在热变形的相反方向上采取措施，产生相应的反方向热变形，使两者之间影响相互抵消，减少综合热变形——转移掉。（2）温度误差软件补偿——利用计算机和检测装置进行热位移补偿。先预测热变形规律，然后建立数学模型存入计算机中进行实时处理，进行热补偿。返回2.7机床导轨设计2.7.1导轨功用和应满足的基本要求2.7.2导轨的截面形状和导轨间隙的调整2.7.3导轨的结构类型和特点2.7.4提高机床导轨耐磨性的措施（滑动导轨）2.7.1导轨功用和应满足的基本要求（一）功用和分类1．功用：①承受载荷；②导向。动导轨静导轨（支承导轨）导轨成对使用2．分类进给运动导轨移置导轨主运动导轨直线运动导轨圆运动导轨按工作性质按运动轨迹滑动导轨滚动导轨按接触面的摩擦性质普通滑动导轨液体静压导轨液体动压导轨气体静压导轨开式导轨闭式导轨按结构形式开式导轨：在部件自重和载荷作用下，动导轨和支承导轨的工作面始终保持相互接触、贴合。特点：结构简单，不能承受较大颠覆力矩。闭式导轨：借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。图（b），借助压板1、2形成辅助导轨面，能承受较大颠覆力矩。（二）基本要求1．导向精度高主要影响因素：①导轨几何精度和接触精度；②导轨的结构形式；③导轨和支承件的刚度和热变形；④导轨的油膜厚度和油膜刚度（液体静压和动压导轨）。2．承载能力大，刚度好主要影响因素：导轨的结构形式、尺寸（截面形状和尺寸）；与支承件的连接方式；受力情况（载荷性质、大小、方向）。3．精度保持性好（耐磨性好）常见的磨损形式：磨料磨损、咬合磨损、接触疲劳磨损。影响因素：导轨摩擦性质；导轨材料；热处理和加工方法；受力情况（载荷状况）；润滑和防护条件。4．低速运动平稳指导轨抵抗摩擦自激振动的能力，即动导轨作低速运动或微量进给时，消除“爬行”现象的程度——应保证运动平稳，不出现“爬行”现象。影响因素：静、动摩擦系数的差值；传动系统的刚度；运动部件的质量、导轨的结构形式、润滑。5．结构简单、工艺性好易于加工、便于间隙调整、润滑防护性能良好。2.7.2导轨的截面形状和导轨间隙的调整（一）截面形状1．直线滑动导轨的截面形状★矩形、三角形、燕尾形、圆柱形，并可互相组合，每种导轨副还有凸、凹导轨。凸形易于清理切屑，不易存留润滑油→低速运动；凹形易存留润滑油，易积存切屑→高速运动，需防护措施。◆矩形导轨导轨靠两个彼次垂直的导轨面导向。矩形导轨的截面形状矩形导轨的特点：①刚度高；②承载能力大；③易于制造，检验和维修方便；④导向性↓：有侧向间隙，需要间隙调整装置。应用：用于载荷较大、导向性能要求略低的机床→粗加工机床导轨。◆三角形导轨靠两个相交导轨面导向。三角形导轨的截面形状三角形导轨的特点：①导向精度↑：动导轨自动下沉补偿磨损量，消除间隙。②导轨顶角一般在。↑，承载能力↑，导向精度↓；↓，承载能力↓，导向精度↑，摩擦力↑。③结构：对称式、不对称式。当导轨面水平力大于垂直