机床主要部件设计支承件设计

机械制造装备设计,李益兵Mail：ahlyb,本章讲授内容,第一节主轴组件设计,第二节支承件设计,第三节导轨设计,第四节滚珠丝杠螺母副机构简介,第四章机床主要部件设计,第二节支承件设计,一、支承件的基本要求,四、提高支承件静刚度的措施,二、支承件的受力分析方式,三、支承件的截面形状设计原则,五、支承件的材料,(Structuralelements),第二节支承件设计,支承件：床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件大件。,在切削时，刀具与工件之间相互作用的力沿着大部分支承件逐个传递并使之变形。机床的动态力(如变动的切削力，往复运动件的惯性，旋转件的不平衡等)使支承件和整机振动。支承件的热变形改变执行件的相对位置或运动轨迹。影响加工精度和表面质量。支承件是机床十分重要的构件。,第二节支承件设计,功用：相互连接构成机床基础，支承机床工作部件，承受载荷，如切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力，以保证机床各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机.,第二节支承件设计,一、支承件的基本要求,1.具有足够静刚度和较高固有频率,要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一定的数值。重量占机床总重量的80以上，应尽量减轻支承件的重量。,支承件的变形包括自身变形；局部变形；接触变形支承件的静刚度自身刚度；局部刚度；接触刚度如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上，因此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；如果设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨处的局部变形就会相当大；又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占相当大的比重。因此不能忽略局部变形和接触变形。,第二节支承件设计,一、支承件的基本要求,整体刚度（自身刚度）床身承受载荷产生整体弯曲变形。整体刚度与支承件材料以及截面形状、尺寸等影响惯性矩的参数有关。摇臂钻床摇臂和普通车床床身的受力和变形，主要是指支承件自身变形。,第二节支承件设计,一、支承件的基本要求,局部刚度（静刚度）指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。如导轨承受载荷产生局部变形。取决于受载部位的构造、尺寸及筋的配置。例如，导轨与伸出床壁外面部分的弯曲变形。,接触刚度指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。如导轨面产生接触变形。,第二节支承件设计,一、支承件的基本要求,第二节支承件设计,当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。,当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。,结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。,小结接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的大小，材料硬度，接触面的压强等。,接触刚度用结合面的平均压强p与变形量之比表示。其特性是：,第二节支承件设计,固有频率用刚度与质量之比表示，即,重点理解：当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）频率接近固有频率0时，支承件将产生共振。因此，设计时要求：o1.3即固有频率高于激振频率30%。,设计要点：在满足刚度的前提下，尽量减小支承件的质量m，提高固有频率o。另外，支承件的质量往往占机床总质量的80%以上，固有频率在很大程度上反映了支承件的设计合理性。,第二节支承件设计,2.良好的动态特性支承件有较高静刚度、固有频率、还应有较大阻尼，薄壁面积应小于400mm400mm，避免薄壁振动。,3.结构合理在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形。由于摩擦热、切削热等产生热变形和内应力，都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。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的影响较小。因此，支承件成形后进行时效处理，充分消除内应力，形状稳定，热变形小，受热变形后对加工精度的影响较小。,4.排屑畅通，工艺性好，成本低，吊运安装方便。,支承件的设计步骤,根据其使用要求进行受力分析；根据所受的力和其它要求(如排屑、安装别的零部件等)，并参考现有机床的同类型件，初步决定其形状和尺寸；可以用有限元法ANYSIS借助计算机进行验算，求得其静态和动态特性；据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案；这样，在设计阶段就可以预测支承件的性能，以避免盲目性，提高一次成功率。,第二节支承件设计,第二节支承件设计,机床支承件要承受切削力、零部件重量、传动力等载荷。支承件所承受的载荷不同，设计时分析其受力方式不同。,1.中小型机床支承件受力分析以切削力为主。工件的重量、移动部件（如车床的刀架）的重量等相对较小，在受力和变形分析时可忽略不计（如车床刀架从床身的一端移至床身中部时，引起的床身弯曲变形的变化可忽略不计）如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。,二、支承件的受力分析方式,第二节支承件设计,2.精密和高精度机床以精加工为主，切削力较小。载荷以移动件的重力和热应力为主。如：双柱立式坐标镗床，分析横梁受力和变形时，主要考虑主轴箱从横梁的一端移至中部，引起的横梁弯曲和扭转变形。,3.大型机床工件重，切削力较大，移动件的重量也较大，载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。例如重型车床、落地镗铣床和龙门式机床等。,二、支承件的受力分析方式,三大类支承件,一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件。如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等梁类件。两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如底座、工作台、刀架等板类件。三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台等箱形件。,第二节支承件设计,二、支承件的受力分析方式,例1：摇臂钻床的受力状况,切削载荷切削转矩T进给力Ff切削载荷经主要支承件主轴箱4、摇臂3、立柱2和1，传递至底座5支承件产生变形弯曲或扭转变形的结果主轴轴线在yz平面、xz平面内产生偏转，使轴线不垂直于底座的顶面,第二节支承件设计,在XZ平面内，Fz经刀架作用在床身上，经工件作用于主轴箱和尾架上的力为F1和F2由Fz将引起床身在垂直方向的弯矩为MwzFz的作用点到主轴中心线的距离为d/2（d工件直径)，在床身上还作用有扭矩Tnz=Fzd/2在xy平面内，Fy经刀架作用在床身上，其反作用力F3和F4经工件作用在主轴箱和尾架上,第二节支承件设计,例2、卧式车床床身的受力分析,由Fy将引起床身在水平方向的弯矩为Mwy由于Fy的作用点到床身中心轴的距离为h，对床身还作用有扭矩Tny=Fyh车床床身变形的主要形式是垂直和水平面内的弯曲，以及由Tnz和Tny联合作用下的扭转,第二节支承件设计,三、支承件的截面形状设计原则,支承件变形主要是弯扭变形。且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。设计原则：,截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大，满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。,承受一个方向弯矩的支承件，当高度方向为受弯方向时，截面形状应为矩形。,承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。,承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。,不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度，尽量将支承件制成封闭形状。,截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。,第二节支承件设计,第二节支承件设计,四、提高支承件静刚度的措施,从抗弯刚度、铸造工艺、支承件功用综合考虑，支承件截面不能完全封闭，存在刚度损失。,为结构紧凑，导轨与床身的过渡连接处存在局部刚度损失。,箱体轴承孔处存在刚度损失。支承件不封闭的部位，将存在刚度损失，必须进行补偿.,为什么要进行刚度补偿？,第二节支承件设计,纵向隔板应布置在弯曲平面内，即隔板的高度方向与作用力F的方向一致，如图。纵向隔板能提高抗弯刚度。,1.隔板和加强肋,（1）隔板（肋板）是连接外壁间的内壁。作用是将局部载荷传递给其它壁板，使整个支承件较均匀地承受载荷。,第二节支承件设计,无横向隔板时，相对抗扭刚度很低；增加一个端面横向隔板时，抗扭刚度成倍增加，均匀布置三个横向隔板后，抗扭刚度又成倍增加。支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。,斜板是多个横隔板和纵隔板组合形成。支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度。,第二节支承件设计,第二节支承件设计,图a，用加强肋提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度。,图b，用加强肋提高箱体轴承孔处的局部刚度。,第二节支承件设计,图c、d、e为工作台等板形支承件的加强肋。提高抗弯刚度，避免薄壁振动。,在满足工艺要求和刚度的前提下应尽量减少支承件的壁厚和隔板、加强肋的厚度。铸铁支承件的外壁厚可根据当量尺寸C来选择。当量尺寸C由下式确定C=（2L+B+H）/3；式中L、B、H-支承件的长、宽、高(m)。隔板的厚度取（0.81）t；加强筋的厚度取（0.70.8），具体查P87表3-10和3-11,第二节支承件设计,第二节支承件设计,2.支承件开孔后的刚度补偿,立柱或横梁中为安装机件或工艺需要，需要开孔，从而造成抗扭、抗弯刚度的损失。,（1）在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上。,（2）也可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板。,刚度补偿方法：,第二节支承件设计,3.提高接触刚度,相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研，以增加接触面积。,紧固螺栓应使结合面有2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大结合面积。,结合面承受弯矩时，应使较多的紧固螺栓布置在受拉面，承受拉应力。,结合面承受转矩时，螺栓远离扭转中心，均匀分布在四周。,第二节支承件设计,五、支承件的材料,灰口铸铁的铸造、切削性能好，易得到复杂形状；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。,（1）机床支承件常采用铸铁,1.铸铁是加入少量的铬、硅、稀土等合金元素的灰口铸铁。,（2）支承铸件消除应力的方式,铸件壁厚不均匀，铸造冷却中产生铸造应力，铸造后应进行自然失效处理。,精密机床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除铸造应力。,床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。,第二节支承件设计,2.钢材,特点及应用不用铸模，制作周期短。钢件抗弯刚度大于铸铁件。满足刚度要求时，钢件比铸件壁厚薄一半，重量减轻20%30%。但阻尼为铸件的1/3，抗振性能差。适合于生产