支撑件和导轨设计

3.7支撑件设计主讲：袁伟(博士/教授)Email:[e-mail].:13760769066¾3.7支撑件设计一、支撑件功能和应满足的基本要求（一）支撑件的功能机床的支承件是指床身、立柱、横粱、底座等大件，相互固定联接成机床的基础和框架。机床上其它零、部件可以固定在支承件上，或者工作时在支承件的导轨上运动。因此，支承件的主要功能是保证机床各零、部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。所以，支承件的合理设计是机床设计的重要环节之一。¾3.7支撑件设计一、支撑件功能和应满足的基本要求（一）支撑件的功能以车床为例，支承件是床身，固定联接着床头箱、进给箱和三杠(丝杠、光杠、操纵杠)；大刀架与溜板箱沿着床身导轨运动。床身不仅承受这些部件的重量，而且还要承受切削力、传动力和摩擦力等，在这些力的作用下，不应产生过大的变形和振动；还要保证大刀架沿床身导轨运动的直线度和相对主轴轴线的平行度；受热后产生的热变形不应破坏机床的原始精度；床身导轨应有一定的耐用度等。¾3.7支撑件设计一、支撑件功能和应满足的基本要求（二）支撑件应满足的基本要求1)应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。2)应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗(动刚度)和阻尼；整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构共振；不会因薄壁振动而产生噪声。3)热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小。4)排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。¾3.7支撑件设计二、支撑件的结构设计支承件是机床的一部分，因此设计支承件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。还要根据其使用要求，进行受力和变形分析，再根据所受的力和其它要求(如排屑、吊运、安装其它零件等)进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。然后，可以利用计算机进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计进行修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金属。¾3.7支撑件设计（一）机床的类型、布局和支承件的形状1．机床的类型机床根据所受外载荷的特点，可分为三类：(1)以切削力为主的中小型机床：这类机床的外载荷以切削力为主，工件的质量，移动部件(如车床的刀架)的质量等相对较小，在进行受力分析时可忽略不计。例如车床的刀架从床身的一端移至床身的中部时引起床身弯曲变形可忽略不计。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（一）机床的类型、布局和支承件的形状1．机床的类型(2)以移动件的重力和热应力为主的精密和高精密机床：这类机床以精加工为主，切削力很小。外载荷以移动部件的重力以及切削产生的热应力为主。如双柱立式坐标镗床，在分析横粱受力和变形时，主要考虑主轴箱从横粱一端移至中部时，引起的横梁的弯曲和扭转变形。(3)重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床：这类机床工件较重，移动件的重量较大，切削力也很大，因此受力分析时必须同时考虑工件重力，移动件重力和切削力等载荷，如重型车床、落地镗铣床及龙门式机床等。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（一）机床的类型、布局和支承件的形状2．机床的布局形式对支承件形状的影响机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。如图3－84卧式数控车床，因采用不同布局，导致车床床身构造和形状不同。图3－84a是平床身、平拖板；图3—84b是后倾床身、平拖板；图3—84c是平床身、前倾拖板；二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（一）机床的类型、布局和支承件的形状2．机床的布局形式对支承件形状的影响图3－84d是前倾床身，前倾拖板。床身导轨的倾斜角度有30°、45°、60°、75°。小型数控车床采用45°、60°的较多。中型卧式车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，其优点是排屑方便，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（二）支承件的截面形状和选择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。静刚度主要包括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，即使同一材料、相等的截面积，其抗弯和抗扭惯性矩也不同。表3一13为截面积近似皆为100平方mm的8种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。比较后可知：二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（二）支承件的截面形状和选择1)无论是方形、圆形或矩形，空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的断面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以为提高支承件刚度，支承件的截面应是中空形状。尽可能加大截面尺寸，在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。当然壁厚不能太薄，以免出现薄壁振动。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（二）支承件的截面形状和选择2)圆(环)形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。因此，以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方向为受弯方向；以承受扭矩为主的支承件的截面形状应取圆(环)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。设计时应尽可能把支承件的截面作成封闭形状。但是为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，有时不能作成全封闭形状。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计图3－85是机床床身截面图，均为空心矩形截面。图3—85a为典型的车床类床身，工作时承受弯曲和扭转载荷，并且床身上需有较大空间排除大量切屑和冷却液。图3—85b是镗床、龙门刨床等机床的床身，主要承受弯曲载荷，由于切屑不需要从床身排除，所以顶面多采用封闭的，台面不太高，以便于工件的安装调整。图3－85c用于大型和重型机床的床身，采用三道壁。重型机床可采用双层壁结构床身，以便进一步提高刚度。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（三）支承件肋板和肋条的布置肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它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，加强支承件的自身和整体刚度(图3—86a)肋板的布置取决于支承件的受力变形方向，其中，水平布置的肋板有助于提高支承件水平面内弯曲刚度；垂直放置的肋板有助于提高支承件垂直面内的弯曲刚度；而斜向肋板能同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（三）支承件肋板和肋条的布置图3－87是在立柱中采用肋板的两种结构形式图：图3—87a中立柱加有棱形加强肋，形状近似正方形。图3—87b中加有X形加强肋，形状也近似为正方形。因此．两种结构抗弯和抗扭刚度都很高。应用于受复杂的空间载荷作用的机床。如加工中心、镗铣床等。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计一般将肋条配置于支承件某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度，如图3—88所示。肋条可以纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列，如井字形、米字形等。必须使肋条位于壁板的弯曲平面内，才能有效地减少壁板的弯曲变形。肋条厚度一般是床身壁厚的0.7～0.8倍。局部增设肋条，提高局部刚度的例子如图3—89所示。图3—89a表示在支承件的同定螺栓、联接螺栓或地脚螺栓处的加强肋。图3—89b为床身导轨处的加强肋。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计（四）合理选择支撑件的壁厚为减轻机床的重量，支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄些。铸铁支承件的外壁厚可根据当量尺寸C来选择。根据算出的当量值C按表3—14选择最小壁厚t，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。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成。由于钢的弹性模量约比铸铁大一倍，所“钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的1.45倍。因此在承受同样载荷情况下，壁厚可做得比铸件薄2／3－4／5、以减轻重量。具体数字可参考表3－15选用。但是，钢的阻尼是铸铁的1／3，抗振性较差，所以焊接支承件在结构和焊缝上要采取抗振措施。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计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。壁厚过薄将会使支承件的壁板动刚度急剧降低，在工作过程中产生振动，而引起较大的噪声振动。所以应根据壁板刚度合理地确定壁厚，防止薄壁大型机床以及承受载荷较大的导轨处的壁板，往往采用双层壁结构，以提高刚度。一般选用双层壁结构的壁厚度t≥3～6mm。二、支撑件的结构设计¾3.7支撑件设计支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。(一)铸铁一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加人少量合金元素可提高耐磨性。铸铁铸造性能好，容易获得复杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大·使振动衰减的性能好，成本低。但铸件需要木模芯盒，制造周期长，有时产生缩孔、气泡等缺陷，成本高，适于成批生产。三、支撑件的材料¾3.7支撑件设计常用的铸件牌号有HT200、HTl50、HTl00。HT200称为I级铸铁，抗压抗弯性能较好，可制成带导轨的支承件，不适宜制作结构太复杂的支承件。HTl50称为Ⅱ级铸铁，它流动性好，铸造性能好。但力学性能较差，适用于形状复杂的铸件和重型机床床身和受力不大的床身和底座。HTl00称为Ⅲ级铸铁，力学性能差，一般用作镶装导轨的支承件。为增加耐磨性，可采用高磷铸铁、磷铜钍铸铁、铬钼铸铁等台金铸铁。铸造支承件要进行时效处理，以消除内应力。三、支撑件的材料¾3.7支撑件设计(二)钢板焊接结构用钢板和型钢等焊接支承件，其特点是制造周期短，省去制作木模和铸造工艺；支承件可制成封闭结构，刚性好；便于产品更新和结构改进；钢板焊接支承件固有频率比铸铁高，在刚度要求相同情况下，采用钢焊接支承件可比铸铁支承件壁厚减少一半，重量减轻20％～30％。近20年来在国外支承件用钢板焊接结构件代替铸件的趋势不断扩大，开始在单件和小批生产的重型机床和超重型机床上应用，逐步发展到一定批量的中型机床中。三、支撑件的材料¾3.7支撑件设计钢板焊接结构的缺点是钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的1／3，抗振性较铸铁差，为提高机床抗振性能，可采用提高阻尼的方法来改善动态性能。三、支撑件的材料3.8导轨设计主讲：袁伟(博士/教授)Email:[e-mail].:13760769066¾3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求（一）导轨的功用和分类功用:承受载荷和导向。承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，运动部件（刀架）可沿导轨运动。动导轨:运动的导轨静导轨:不动的导轨（或支承导轨）成对使用一、导轨的功用和应满足的基本要求I分类按结构形式分：①开式导轨②闭式导轨开式导轨：指在部件自重和载荷的作用下，运动导轨和支承导轨的工作面（图3-98a中c、d面）始终保持接触、贴合。其结构简单，但不能承受较大的颠覆力矩的作用。闭式导轨：借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩的作用压板1、2。e、f为主导轨面，压板1、2形成辅助导轨面g、h¾3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求¾3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求普通滑动导轨滑动导轨静压导轨II按摩擦性质分卸荷导轨滚动导轨{{¾3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求（二）导轨应满足的基本要求导轨应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配调整和维修、成本低。1、导向精度指动导轨运动轨迹的准确度主要影响因素：导轨的几何精度和接触精度，结构形式、装配质量、导轨与支承件刚度和热变形、油膜刚度。¾3.8导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求2、承载能力大，刚度好，根据承受载荷的性质，方向和大小，合理选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨有足够的刚度，保证机床的加工精度。3、精度