第11章 支承件

南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》第十一章支承件内容：机床支承件的功用、分类、应满足的要求；支承件的受力分析、结构设计。要求：对机床大构件具有结构分析及初步的设计能力。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》第一节支承件应满足的要求和设计步骤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”。作用：承载和作为基准。支承其它机床零部件，保持它们的相对位置，承受各种切削力等。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》二、对支承件的基本要求1、使用要求安装其它零部件、排屑畅通、吊运安全。2、工艺要求便于制造和装配。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》3、性能要求（1）应具有足够的静刚度、较高的刚度—重量比。（2）应具有较好的动态特性。支承件的固有频率不致与激振频率重合而产生共振；应具有较大的动刚度（激振力的副值与振副之比）、较大的阻尼，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，受迫振动的振幅较小。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》（3）应具有较好的热变形特性。设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加工精度的影响。散热、隔热。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致冷、隔离热源。均热。采用：“热对称”等结构，使热变形对精度的影响较小。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》二、重要支承件的设计步骤1、进行受力分析。2、初步决定其形状和尺寸。3、进行验算。4、修改、对比，选择最佳方案。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》第二节支承件的静力分析一、根据机床所受的载荷的特点分类1．中、小型机床：载荷以切削力为主。重量（工件、移动部件）忽略不计。如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。2．精密和高精度机床：载荷以移动件的重力和热应力为主。切削力较小（因以精加工为主）忽略不计。如双柱立式坐标镗床等。3．大型机床：载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》二、根据支承件的形状分类1、梁类件：一个方向的尺寸比另外两个方向的大得多的零件。如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。2、板类件：两个方向的尺寸比第三个方向的大得多的零件。如底座、工作台、刀架等。3、箱形件：三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台等。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》三、摇臂钻床受力分析（仅分析切削载荷:切削转矩T、进给力Ff）立柱和摇臂——梁类件；底座——板类件；主轴箱——箱形件。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》1、摇臂的受力分析（1）yz平面内：最大弯矩M1=Ff·L，使摇臂产生弯曲变形。（2）xz平面内:绕y轴的扭矩M2=Ff·e，使摇臂产生扭转变形。（3）xy平面内：切削转矩T作用于摇臂，产生弯曲变形。但T比Ff要小得多。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》结论：摇臂所受的载荷，主要是：竖直(yz)面内的弯矩M1；绕y轴的扭矩M2。这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使主轴偏离其正确位置。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》2、立柱的受力分析立柱分内外两层。摇臂沿外柱升降，并连同外柱绕内柱转动。摇臂与外柱在上、下两圈D、E处接触。工作时，内、外柱之间在F处夹紧。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》(1)外柱的受力分析摇臂作用于外柱的，可看作是由D、E点处两个集中力组成的力偶。①yz平面内：弯矩M1=Ff·L②xz平面内：弯矩M2=Ff·e③切削转矩T使外柱扭转，扭矩作用于E与F之间。通常这个扭转变形不大，可以忽略。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》(2)内柱的受力分析受力情况与外柱相似①yz和xz面内的弯曲；②从夹紧点F至根部之间的扭转。扭转变形不大，可以忽略。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》结论：立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱的弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。立柱的形状往往是圆形的，故Ml、M2两个力矩中，只需考虑大的一个，一般为Ml=Ff·L。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》四、普通车床床身受力分析卧式车床床身在切削力作用下主要产生的变形是垂直和水平面内的弯曲变形，及由在垂直和水平方向的扭矩联合作用下的扭转变形。在弯曲变形中，水平面内的弯曲对加工精度的影响比垂直面内的弯曲要大。对于较长的床身，扭转变形对加工精度的影响最大。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》第三节支承件的静刚度例：床身载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包括床身自身的变形，导轨部分局部的变形，导轨表面的接触变形。支承件的变形自身变形局部变形接触变形南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》1、自身刚度（1）自身刚度：在外载荷作用下，支承件本体抵抗变形的能力。（2）自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚度。（3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、隔板的布置等。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》2、局部刚度（1）局部刚度：抵抗局部变形的能力。（2）局部变形发生在载荷集中的地方。（3）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸等有关。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》3、接触刚度（1）接触刚度：支承件的结合面在外载荷的作用下抵抗接触变形的能力。（2）两个平面接触，平面有一定的宏观不平度，因而实际接触面积只是名义接触面积的一部分；由于微观不平，真正接触的只是一些高点。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》（3）接触刚度与自身刚度的不同点①接触刚度Kj(Mpa/um)是平均压强p与变形δ之比。②Kj不是一个固定值，δ与p的关系是非线性的。当压强很小时，两个面之间只有少数高点接触，接触刚度较低。当压强较大时，这些高点产生了变形，实际接触面积增加，接触刚度提高。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》（4）支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响。如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强的分布基本上是均匀的，接触刚度也较高。如自身刚度或局部刚度不足，则在集中载荷作用下，构件变形较大，使接触压强分布不均，使接触变形分布也不均，降低了接触刚度。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》第四节支承件的结构设计在支承件的结构设计中，应采取适当措施，提高支承件的自身刚度、局部刚度和接触刚度。一、提高支承件自身刚度的措施正确选择支承件形状和尺寸合理布置隔板合理开窗、加盖南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》一、提高支承件自身刚度的措施1、正确选择支承件形状和尺寸(1)支承件的变形，主要是弯曲和扭转，与截面惯性矩有关，即与截面形状有关。(2)材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。(3)提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。表11-2，截面积近似为10000mm2、八种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》结论（1）截面积相同时，空心截面的刚度大于实心的。（2）加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度。（3）抗弯刚度：矩形方形园形，抗扭刚度：园形方形矩形。（4）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。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》例：设计摇臂钻床支承件的原则（1）摇臂：主要是竖直(yz)面内的弯矩M1=Ff·L、绕y轴的扭矩M2=Ff·e，以M1为主。因此形状选择原则：截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，这两个方向的尺寸不宜相差太大。摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐减小，故摇臂的截面也是越靠近根部越大。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》（2）内柱主要承受（yz和xz面内的）弯矩，越靠近下支承点F处，弯矩越大。F处到根部弯矩不变。故内立柱在上、下支承间一段CF应上细下粗。F处到根部可做成等截面。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》（3）外柱为摇臂升降的导向面，故常制成圆柱形。（4）主轴中心与摇臂的中心面越近，则力臂e越小，扭矩M2=Ff·e也越小。所以设计主轴箱时应使主轴中心尽量接近导轨。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》2、合理布置隔板（1）隔板：在支承件两外壁间起连接作用的内壁。（2）隔板的作用：把作用于支承件局部地区的载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。（3）当支承件不能做成封闭的截形时，则在其内部设置隔板，以提高自身刚度。设置隔板是提高刚度的有效方法之一，其效果比增加壁厚更为显著。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》3、合理开窗和加盖(1)支承件外壁开窗孔，会降低抗弯、抗扭刚度，其中抗扭刚度降低更大。应避免在主要承受扭矩的支承件上开孔。(2)对抗弯刚度，于弯曲平面垂直的壁上的窗孔，影响最大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔，比宽壁上的影响大。(3)窗孔应靠近支承件的几何中心线附近，孔宽或孔径不超过支承件宽度的0.25倍。(4)窗孔边缘厚一些(翻边)，工作时加盖，并用螺钉上紧，可补偿一部分刚度的损失。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》二、提高局部刚度的措施1、合理选择连接部位的结构(1)设图a的一般凸缘连接，相对连接刚度为1.0(2)图b：有加强肋的凸缘连接为1.06(3)图c：凹槽式为1.80(4)图d：U型加强肋结构为1.85南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》2、注意局部过渡例：车床床身，由于床身的基本部分较薄而导轨较厚，如设计成图11-8a的形状，则在载荷F的作用下，导轨处易发生局部变形。采用加厚的过渡壁，并加肋(图b)，可显著地提高导轨处的局部刚度。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》3、合理配置加强肋（筋）(1)有些支承件的内部要安装其它机构，不但不能封闭，即使安装隔板也会有所妨碍，这时采用加强肋来提高刚度。(2)合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法。(3)加强肋的高度可取为壁厚的4～5倍，厚度与壁厚之比为0．8～1。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》例图a的肋用来提高轴承座处的局部刚度；图b和图c为当壁板面积大于400×400mm2时，为避免薄壁振动而在壁板内表面加的肋。其作用在于提高壁板的抗弯刚度。图d为立柱内的环形肋，主要用来抵抗截面形状的畸变。前面的三条竖向肋主要用来提高导轨处的局部刚度。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》三、提高接触刚度的措施1、提高结合面质量导轨面、重要的固定结合面必须配磨或配刮。2、合理选择螺钉尺寸、数量和布置固定螺钉应在接触面上造成一个预压力。通常应使接触面间的平均预压压强约为2MPa。南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》四、支承件结构的工艺性壁厚均匀、要有出砂孔、起吊孔。支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。按照目前的工艺水平，砂模铸造铸铁件的外壁厚可根据当量尺寸C(m)按表11-3选择。式中：L、B、H——铸件的长、宽、高（m）南昌大学机电工程学院※《制造技术装备·机床设计》五、支承件的材料和热处理1、支承件的材料，主要为铸铁和钢铸铁的牌号,根据导轨的要求选择或用HTl50。型钢和钢板焊接，则常用3号或5号钢。2、支承件的时效处理，目的是消除残余应力普通精度机床的支承件：粗加工后进行一次时效。精密机床的支承件：粗加工前、后各一次。高精度机床的支承件：进行热时效处理后，进行天然时效处理——把铸件堆放在露天一年左右，让它们充分地变形。