机床支承件设计课件

第十一章第十一章 支承件支承件内容：内容：机床支承件的功用、分类、应满足的要求机床支承件的功用、分类、应满足的要求;支承件的受力分析、结构设计。支承件的受力分析、结构设计。要求：要求：对机床大构件具有结构分析及初步的设计能力。对机床大构件具有结构分析及初步的设计能力。第十一章 支承件内容：1第一节第一节 支承件应满足的要求和设计步骤支承件应满足的要求和设计步骤u支承件：支承件：是是机床的基础构件机床的基础构件，包括床身、立柱、，包括床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等。也称为台等。也称为“大件大件”。u作用：作用：承载承载和作为基准。和作为基准。支承支承其它机床其它机床零部件，零部件，保持保持它们的它们的相对位相对位置置，承受承受各种各种切削力切削力等。等。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2二、对支承件的基本要求二、对支承件的基本要求1、使用要求、使用要求 安装其它零部件、排屑畅通、吊运安全。安装其它零部件、排屑畅通、吊运安全。2、工艺要求、工艺要求 便于制造和装配。便于制造和装配。二、对支承件的基本要求1、使用要求33、性能要求、性能要求（1）应具有足够的静刚度、较高的刚度）应具有足够的静刚度、较高的刚度重量比。重量比。（2）应具有较好的动态特性。）应具有较好的动态特性。支承件的固有频率支承件的固有频率不不致与激振频率重合而致与激振频率重合而产生共产生共振；振；应具有应具有较大的动刚度较大的动刚度（激振力的副值与振副之比）、（激振力的副值与振副之比）、较大的阻尼较大的阻尼，使支承件受到一定副值周期性激振，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，力的作用时，受迫振动的振幅较小。受迫振动的振幅较小。3、性能要求 4（3）应具有较好的热变形特性。）应具有较好的热变形特性。设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加工精设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加工精度的影响。度的影响。散热、隔热散热、隔热。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致冷、。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致冷、隔离热源。隔离热源。均热均热。采用：采用：“热对称热对称”等结构，使热变形对等结构，使热变形对精度的影响较小。精度的影响较小。（3）应具有较好的热变形特性。5二、重要支承件的设计步骤二、重要支承件的设计步骤1、进行受力分析。进行受力分析。2、初步决定其形状和尺寸。初步决定其形状和尺寸。3、进行验算。进行验算。4、修改、对比，选择最佳方案。修改、对比，选择最佳方案。二、重要支承件的设计步骤1、进行受力分析。6第二节第二节 支承件的静力分析支承件的静力分析一、根据机床所受的载荷的特点分类一、根据机床所受的载荷的特点分类1中、小型机床：中、小型机床：载荷载荷以切削力为主。以切削力为主。重量（工件、重量（工件、移动部件）忽略不计。移动部件）忽略不计。如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。2精密和高精度机床：精密和高精度机床：载荷载荷以移动件的重力和热应以移动件的重力和热应力为主。力为主。切削力较小（因以精加工为主）忽略不切削力较小（因以精加工为主）忽略不计。计。如双柱立式坐标镗床等。如双柱立式坐标镗床等。3大型机床：大型机床：载荷必须载荷必须同时考虑工件重力、切削力同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。和移动件的重力。如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。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7二、根据支承件的形状分类二、根据支承件的形状分类1、梁类件：、梁类件：一个方向的尺寸比另外两个方向的大一个方向的尺寸比另外两个方向的大得多的零件。得多的零件。如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。2、板类件：、板类件：两个方向的尺寸比第三个方向的大得两个方向的尺寸比第三个方向的大得多的零件。多的零件。如底座、工作台、刀架等。如底座、工作台、刀架等。3、箱形件：、箱形件：三个方向的尺寸都差不多的零件。三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台等。如箱体、升降台等。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8三、摇臂钻床受力分析三、摇臂钻床受力分析（仅分析切削载荷（仅分析切削载荷:切削转切削转矩矩T、进给力、进给力 F Ff f）立柱和摇臂立柱和摇臂梁类件；梁类件；底座底座板类件；板类件；主轴箱主轴箱箱形件。箱形件。三、摇臂钻床受力分析（仅分析切削载荷:切削转矩T、进给力9摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁。摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁。摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁。101、摇臂的受力分析、摇臂的受力分析（1）yz平面内：平面内：最大最大弯矩弯矩M M1 1=F=Ff fLL，使摇臂产生使摇臂产生弯曲变形弯曲变形。（2）xz平面内平面内:绕绕y轴的轴的扭矩扭矩 M M2 2=F=Ff fee，使摇臂产生，使摇臂产生扭转变形扭转变形。（3）xy平面内：平面内：切削切削转矩转矩T T作用于摇臂作用于摇臂，产生，产生弯曲变形。但弯曲变形。但T T比比F Ff f要小得多。要小得多。1、摇臂的受力分析（1）yz平面内：11结论：结论：摇臂所受的载荷，主要是：摇臂所受的载荷，主要是：竖直竖直(yz)面内的弯矩面内的弯矩M1；绕绕y轴的扭矩轴的扭矩M2。这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使主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。轴偏离其正确位置。结论：122、立柱的受力分析、立柱的受力分析 l立柱分内外两层。立柱分内外两层。l摇臂沿外柱升降，并摇臂沿外柱升降，并连同外柱绕内柱转动。连同外柱绕内柱转动。摇臂与外柱在上、下摇臂与外柱在上、下两圈两圈D、E处接触。工处接触。工作时，内、外柱之间作时，内、外柱之间在在F处夹紧。处夹紧。2、立柱的受力分析 立柱分内外两层。13(1)外柱的受力分析外柱的受力分析 n摇臂作用于外柱的，可看摇臂作用于外柱的，可看作是由作是由D、E点处两个集中点处两个集中力组成的力偶。力组成的力偶。yz平面内：平面内：弯矩弯矩M1=FfL xz平面内：平面内：弯矩弯矩M2=Ffe 切削转矩切削转矩T使外柱扭转，使外柱扭转，扭矩作用于扭矩作用于E与与F之间。通常之间。通常这个扭转变形不大，可以这个扭转变形不大，可以忽忽略。略。(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14(2)内柱的受力分析内柱的受力分析 n受力情况与外柱相似受力情况与外柱相似 yz和和xz面内的弯曲面内的弯曲；从夹紧点从夹紧点F至根部之间至根部之间 的扭转。的扭转。扭转变形扭转变形不大，不大，可以可以忽略。忽略。(2)内柱的受力分析 受力情况与外柱相似15结论：结论：u立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱的立柱的弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。u立柱的形状往往是圆形的，故立柱的形状往往是圆形的，故Ml、M2两个两个力矩中，只需考虑大的一个，一般为力矩中，只需考虑大的一个，一般为Ml=FfL。结论：16四、普通车床床身受力分析四、普通车床床身受力分析u卧式车床床身在切削力作用下主要产生的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在垂直和水平方向的扭矩联合作用下的扭转变形。转变形。u在弯曲变形中，水平面内的弯曲对加工精在弯曲变形中，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长的床身，扭转变形对加工精度的影响最大。大。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17第三节第三节 支承件的静刚度支承件的静刚度例：例：床身床身床身床身 载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包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。轨表面的接触变形。支承件的变形支承件的变形自身变形自身变形局部变形局部变形接触变形接触变形第三节 支承件的静刚度例：床身支承件的变形自身变形局部变形181自身刚度自身刚度（1）自身刚度：）自身刚度：在外载荷作用下，支承件本在外载荷作用下，支承件本体抵抗变形的能力。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自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚度。度。（3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、肋板的布置等。肋板的布置等。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192局部刚度局部刚度（1）局部刚度：）局部刚度：抵抗局部变形抵抗局部变形的能力。的能力。（2）局部变形发局部变形发 生在载荷集中生在载荷集中 的地方。的地方。（3）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸等有关。等有关。2局部刚度（1）局部刚度：203接触刚度接触刚度（1）接触刚度：接触刚度：支承件的结合面在外载荷的作用下支承件的结合面在外载荷的作用下抵抗接触变形的能力。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。于微观不平，真正接触的只是一些高点。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21（3）接触刚度与自身刚度的不同点接触刚度与自身刚度的不同点接触刚度接触刚度Kj(Mpa/um)是是平均压强平均压强p与变形与变形之比。之比。1.K Kj j不是一个固定值，不是一个固定值，与与p p的关系是的关系是非线性非线性的。的。2.2.当压强很小时，两个面之当压强很小时，两个面之3.3.间只有少数高点接触，接触间只有少数高点接触，接触4.4.刚度较低。刚度较低。5.5.当压强较大时，这些高点产生了当压强较大时，这些高点产生了6.6.变形，实际接触面积增加，接触变形，实际接触面积增加，接触7.7.刚度提高。刚度提高。（3）接触刚度与自身刚度的不同点接触刚度Kj(Mpa/u22（4）支承件的自身刚度和局部刚度对接触压支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响。强分布有影响。如如自自身身刚刚度度和和局局部部刚刚度度较较高高，则则接接触触压压强强的分布基本上是均匀的的分布基本上是均匀的，接触刚度也较高。，接触刚度也较高。如如自自身身刚刚度度或或局局部部刚刚度度不不足足，则则在在集集中中载载荷荷作作用用下下，构构件件变变形形较较大大，使使接接触触压压强强分分布布不不均均，使使接接触触变变形形分分布布也也不不均均，降降低低了了接触刚度。接触刚度。（4）支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响。23第四节第四节 支承件的结构设计支承件的结构设计 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。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正确选择支承件形状和尺寸 合理布置隔板合理布置隔板 合理开窗、加盖合理开窗、加盖 第四节 支承件的结构设计 在支承件的结构设计24一、提高支承件自身刚度的措施一、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、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。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，截面惯性矩材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。相差很大。(3)提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。表表112，截面积近似地皆为，截面积近似地皆为10000mm2八种不同截面形状八种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。的抗弯和抗扭惯性矩的比较。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25机床支承件设计课件26结论结论（1）截面积相同时，截面积相同时，空心空心截面的刚度截面的刚度大于实心大于实心的的。（2）加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度。（3）抗弯刚度：矩形抗弯刚度：矩形方形方形园形，园形，抗扭刚度：园形抗扭刚度：园形方形方形矩形。矩形。（4）不封闭的截面比封闭的截面，不封闭的截面比封闭的截面，刚度显著下降。刚度显著下降。特别是抗扭刚度，下降更多特别是抗扭刚度，下降更多。结论（1）截面积相同时，空心截面的刚度大于实心的。27例：设计摇臂钻床支承件的原则例：设计摇臂钻床支承件的原则（1）摇臂：）摇臂：主要是主要是竖直竖直(yz)面内的弯矩面内的弯矩M1=FfL、绕、绕y轴的扭轴的扭矩矩M2=Ffe，以，以M1为主。为主。因此形状选择原则：因此形状选择原则：截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。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。竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，但由于扭矩的存在，这两个方向的尺寸这两个方向的尺寸不宜相差太大。不宜相差太大。摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐减小，故减小，故摇臂的截面摇臂的截面也是也是越靠近根部越大。越靠近根部越大。例：设计摇臂钻床支承件的原则（1）摇臂：28（2）内柱）内柱 n主要承受（主要承受（yz和和xz面内的）弯矩，面内的）弯矩，越靠近下支承点越靠近下支承点F处，弯矩越大。处，弯矩越大。F 处到根部弯矩不变。处到根部弯矩不变。n故内立柱在上、下支承间一段故内立柱在上、下支承间一段 CF应上细下粗。应上细下粗。F处到根部可处到根部可 做成等截面。做成等截面。（2）内柱 主要承受（yz和xz面内的）弯矩，29（3）外柱）外柱 为摇臂升降的为摇臂升降的导向面，导向面，故常制成故常制成圆柱形。圆柱形。（4）主轴中心与摇臂的中心面越近，则力臂主轴中心与摇臂的中心面越近，则力臂e越小，扭矩越小，扭矩M2=Ffe也越小。所以设计主也越小。所以设计主轴箱时应使轴箱时应使主轴中心尽量接近导轨主轴中心尽量接近导轨。（3）外柱 为摇臂升降的导向面，故常制成圆柱形。302、合理布置隔板、合理布置隔板（1）隔板：）隔板：在支承件两外壁间起连接作用的内壁。在支承件两外壁间起连接作用的内壁。（2）隔板的作用：）隔板的作用：把作用于支承件局部地区的载荷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，传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，提提高支承件的自身刚度。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，以提高自身刚度。设置隔板是提高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。的有效方法之一，其效果比增加壁厚更为显著。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31机床支承件设计课件323、合理开窗和加盖、合理开窗和加盖(1)支承件外壁支承件外壁开开窗窗孔，会降低抗弯、抗扭刚度孔，会降低抗弯、抗扭刚度，其，其中中抗扭刚度降低更大抗扭刚度降低更大。应避免在主要承受扭矩的应避免在主要承受扭矩的支承件上开孔。支承件上开孔。(2)对抗弯刚度，与弯曲平面垂直的壁上的窗孔，影对抗弯刚度，与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，比较宽响最大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔，比较宽壁上的影响大。壁上的影响大。(3)窗窗孔孔应靠近支承件的几何中心线附近应靠近支承件的几何中心线附近，孔宽或孔孔宽或孔径不超过支承件宽度的径不超过支承件宽度的0.250.25倍。倍。(4)(4)窗窗孔孔边边缘缘厚厚一一些些(翻翻边边)，工工作作时时加加盖盖，并并用用螺螺钉钉上紧，可补偿一部分刚度的损失。上紧，可补偿一部分刚度的损失。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33二、提高局部刚度的措施二、提高局部刚度的措施1、合理选择连接部位的结构、合理选择连接部位的结构(1)设图设图a的一般凸缘连接，相对连接刚度为的一般凸缘连接，相对连接刚度为1.0(2)图图b有加强筋的凸有加强筋的凸缘连接为缘连接为1.06(3)图图c凹槽式为凹槽式为1.80(4)图图dU型加强筋结构型加强筋结构为为1.85二、提高局部刚度的措施1、合理选择连接部位的结构342、注意局部过渡、注意局部过渡例，例，车床床身，由于床身的基本部分较薄而导轨较车床床身，由于床身的基本部分较薄而导轨较厚，如设计成图厚，如设计成图11-8a的形状，则在载荷的形状，则在载荷F的作用的作用下，导轨处易发生局部变形。下，导轨处易发生局部变形。采用加厚的过渡壁，并加肋采用加厚的过渡壁，并加肋(图图b)，可显著地，可显著地提高导轨处的局部刚度。提高导轨处的局部刚度。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353、合理配置加强肋（筋）、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。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。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加强肋的高度可取为壁厚的45倍，厚度与壁厚倍，厚度与壁厚之比为之比为081。3、合理配置加强肋（筋）(1)有些支承件的内部要安装其它机36例例图图a的肋用来提高轴承座处的局部刚度；的肋用来提高轴承座处的局部刚度；图图b和图和图c为当壁板面积大于为当壁板面积大于400400mm2时，时，为避免薄壁振动而在壁板内表面加的肋。其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。作用在于提高壁板的抗弯刚度。图图d为立柱内的环形肋，主要用来抵抗截面形状的畸变。前为立柱内的环形肋，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。面的三条竖向肋主要用来提高导轨处的局部刚度。例图a的肋用来提高轴承座处的局部刚度；37三、提高接触刚度的措施三、提高接触刚度的措施1、提高结合面质量、提高结合面质量 导轨面导轨面、重要的固定结合面必须配磨或配、重要的固定结合面必须配磨或配刮。刮。2、合理选择螺钉尺寸、数量和布置、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。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通常应使接触面间的平均预压压强约为2MPa。三、提高接触刚度的措施1、提高结合面质量38四、支承件结构的工艺性四、支承件结构的工艺性壁厚均匀、要有出砂孔、起吊孔。壁厚均匀、要有出砂孔、起吊孔。n支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。n按照目前的工艺水平，砂模铸造铸铁件的外壁厚可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根据当量尺寸C(m)按表按表11-3选择。选择。式中：式中：L、B、H铸件的长、宽、高（铸件的长、宽、高（m）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39五、支承件的材料和热处理五、支承件的材料和热处理1、支承件的材料，主要为铸铁和钢、支承件的材料，主要为铸铁和钢 铸铁的牌号铸铁的牌号,根据导轨的要求选择或用根据导轨的要求选择或用HTl50。型钢和钢板焊接，则常用型钢和钢板焊接，则常用3号或号或5号钢。号钢。2、支承件的时效处理，目的是消除残余应力、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：普通精度机床的支承件：粗加工后进行一次时效。粗加工后进行一次时效。精密机床的支承件：精密机床的支承件：粗加工前、后各一次。粗加工前、后各一次。高精度机床的支承件：进行高精度机床的支承件：进行热时效处理后，进行天然热时效处理后，进行天然时效处理时效处理把铸件堆放在露天一年左右，让它们充把铸件堆放在露天一年左右，让它们充分地变形。分地变形。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 40