金属切削机床-戴曙-第十一章-支承件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第十一章 支承件,第一节 支承件应满足的要求和设计步骤第二节 支承件的静力分析第三节 支承件的静刚度和形状选择第四节 支承件的动态分析第五节 支承件的热变形特性第六节 结构计算的有限元法简介,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。,二、对机床支承件的基本要求,(一)应具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比。,性。设计时应力求在满足刚度的基础上，减轻机床重量,(二)应有较好的动态特性,后者在很大程度上反映了设计的合理,节约原材料，降低机床造价。,这包括有较大的动刚废和阻尼；与其它部件相配合，使整机的各阶固有频串不致与激振频,率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。,(二)应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度、表面质量的影,响较小。,(四)应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布置液压，电气等器件，并具有良好的工,艺性，便于制造和装配。,（五）、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。,（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。,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。,第二节 支承件的静力分析,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。,第三节 支承件的静刚度和形状选择的原则,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,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。,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。,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。,二、,刚度的折算和比较,接触刚度K,j,(Mpa/um)是,平均压强p与变形之比。,K,j,不是一个固定值，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。,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。,三、支承件的形状选择的原则,(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112,，截面积近似地皆为10000mm,2,八种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。,四、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。,五、窗孔,(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，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。,六、提高局部刚度,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有加强筋的凸,缘连接为1.06,(3),图c凹槽式为1.80,(4),图dU型加强筋结构,为1.85,2、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。,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45倍，厚度与壁厚之比为081。,七、提高接触刚度,1、提高结合面质量,导轨面 、重要的固定结合面必须磨配或刮配。,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。,八、壁厚,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,）,九、材料和时效处理,1、支承件的材料,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：,铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。,（二）钢板焊接结构：,制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻,（三）预应力钢筋混凝土：,抗振性好，成本低,（四）天然花岗岩：,性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便,（五）树脂混凝土：,刚度高，具有良好的阻尼性能 ，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良 好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。,且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能,2、支承件的时效处理，目的是消除残余应力,铸铁和钢质的支承件需要进行时效处理,以消除内应力,时效处理：,自然时效,人工时效,振动时效,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。,十、工艺性,铸件要尽量形状简单，壁厚均匀，拔模容易，拐角要圆滑过渡,焊接件设法减少焊接变形，尽量不仰焊,加工平面尽可能设在一个平面内，以便于加工,第四节,支承件的动态特性,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。,2. 改善支承件动态特性的措施,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) 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 支承件的热变形特性,一、,支承件热变形,机床和支承件的热变形,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散热和隔热,2. 均热,3. 使热变形对精度的影响较小,1. 有限元法的基本原理,利用加权余数法和变分法将偏微分方程转化为代数方程组求解,该矩阵方程包括系数矩阵、激励源矩阵和边界矩阵，而计算这些矩阵的元素时，常常用到分部积分法。如果为了计算精度而选取很多个尝试函数，那么计算这些为数众多的分部积分既十分复杂又很费时间，并且很难用计算机进行数值计算。,因此，我们需要寻找一个改进的方法来简化计算，并设法利用计算机进行处理，有限元法就是其中的一种。,通过尝试函数的选取，近似解满足1类边界条件，,第六节 结构计算的有限元法简介,基本思想：,在有限元方法中，场域被分割成许多很小的子区域，通常称为“,单元,”或“有限元”。,对所有子区域进行独立的处理和运算，便对一个整体问题进行,局部化,处理。,通过选取恰当的,尝试函数,，使每个单元的计算都变得非常简单，经过对每个单元重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解，,这一,整体矩阵,又常常是稀疏短阵，可以更进一步简化和加快求解过程。由于计算机非常适合于重复性的计算和处理过程，所以整体矩阵的形成过程很容易使用计算机来实现，,二、单元的划分,三、动态特性计算,