第3章金属切削机床7

1、 床身、立柱横梁、底座等大件。保证机床各零部件之间的相互位置和床身、立柱横梁、底座等大件。保证机床各零部件之间的相互位置和相对运动精度，保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度相对运动精度，保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度 l l）应具有足够的刚度和较高的刚度）应具有足够的刚度和较高的刚度- -质量比。质量比。 2 2）应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗和阻尼；整机的低）应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗和阻尼；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。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 3）热

2、稳定性好，即热变形对机床加工精度的影响较小。）热稳定性好，即热变形对机床加工精度的影响较小。 4 4）排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。）排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。1 1）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）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。形状。在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。 2 2）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）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进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。要求进行结构设

3、计，初步决定其形状和尺寸。 3 3）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）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，又能尽量减小质量，节约金属。能，又能尽量减小质量，节约金属。 机床根据所受外载荷的特点，可分为三类：机床根据所受外载荷的特点，可分为三类： l l）以切削力为主的中小型机床以切削力为主的中小型机床外载荷以切削力为主，工件的重力，外载荷以切削力为主，工件的重力，移动部件的重力等相对较小，在进行受力分析时可忽略不计。移动

4、部件的重力等相对较小，在进行受力分析时可忽略不计。 2 2）以移动件的重力和热应力为主的精密和高精密机床以移动件的重力和热应力为主的精密和高精密机床以精加工为以精加工为主，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。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。 3 3）重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床工件较重，移动工件较重，移动件的重力较大，切削力也很大，因此受力分析时必须同时考虑工件重力，件的重力较大，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。移动件重力和切削力等载荷。 机床

5、的布局形式直接影响支承件的结构设计。一个实例，采用不同布机床的布局形式直接影响支承件的结构设计。一个实例，采用不同布局，导致车床床身构造和形状不同的。如图示：局，导致车床床身构造和形状不同的。如图示： 图图a a是平床身、平拖是平床身、平拖板；图板；图b b 是后倾床身、是后倾床身、平拖板；图平拖板；图c c 是平床身、是平床身、前倾拖板；图前倾拖板；图d d 是前倾是前倾床身、前倾拖板。床身、前倾拖板。 床身导轨的倾斜角度有床身导轨的倾斜角度有30300 0 、45450 0 、60600 0 、75750 0 。小型数控车床采用。小型数控车床采用45450 0、60600 0 的较多。的较

6、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。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。 支承件的形状基本上可以分为三类：支承件的形状基本上可以分为三类： 箱形类箱形类在三个方向的尺寸上都相差不多，如各类箱体、底座、升在三个方向的尺寸上都相差不多，如各类箱体、底座、升降台等。降台等。 板块类板块类在两

7、个方向的尺寸上比第三个方向大得多，如工作台、刀在两个方向的尺寸上比第三个方向大得多，如工作台、刀架等。架等。 梁类梁类支承件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多，如立柱、横支承件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。梁、摇臂、滑枕、床身等。l l）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）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尺寸小而壁厚的截面的抗

8、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。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。 2 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）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；以承受转矩为主的支承件的截面形状应取圆（环）形。受弯方向；以承

9、受转矩为主的支承件的截面形状应取圆（环）形。 3 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）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。装一些机构的需要，有时不能作成全封闭形状。 下图列出下图列出3 3种卧式床身的截面。床身都设计成薄壁空心结构。种卧式床身的截面。床身都设计成薄壁空心结构。 车床车床 镗床等镗床等 大型机床大型机床肋条是比肋板连接范围小的加强结肋条是比肋板连接范围小的加强结构。一

10、般将肋条配置于支承件某一内壁构。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，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。肋条可以用来提高支承件的局部刚度。肋条可以纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排纵向、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。肋条厚度一般是床少壁板的弯曲变形。肋条厚度一般是床身壁厚的身壁厚的0.7-0.80.7-0.8倍。倍。 局部增设肋条，提高局部刚度局部增设肋条，提高局部刚度的例子如图示。图的例

11、子如图示。图a a 表示在支承件表示在支承件的固定螺栓、联接螺栓或地脚螺栓的固定螺栓、联接螺栓或地脚螺栓处的加强肋。图处的加强肋。图b b 为床身导轨处的为床身导轨处的加强肋。加强肋。 为减小机床的质量，支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄些。为减小机床的质量，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铸铁支承件的外壁厚可根据当量尺寸C C 来选择。当量尺寸来选择。当量尺寸C C (m (m）可由）可由下式确定：下式确定：C C = ( 2= ( 2L L + + B B + + H H )/3 )/3 式中，式中，L L 、B B 、H H 分别为支承件的

12、长、宽、高。分别为支承件的长、宽、高。 根据算出的根据算出的C C 值按经验表格选择最小壁厚值按经验表格选择最小壁厚t t ，再综合考虑工艺条件、，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。受力情况，可适当加厚。壁厚应尽量均匀。焊接支承件采用钢板与型钢焊接而成。钢的弹性模量约比铸铁大一倍，焊接支承件采用钢板与型钢焊接而成。钢的弹性模量约比铸铁大一倍，所以钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的所以钢板焊接床身的抗弯刚度约为铸铁床身的1.45 1.45 倍。因此壁厚可做得倍。因此壁厚可做得比铸件薄比铸件薄2/3-4/52/3-4/5、以减小质量。但是钢的阻尼是铸铁的、以减小质量。但是

13、钢的阻尼是铸铁的1/31/3，抗振性较，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。差，所以焊接支承件在结构和焊缝上要采取抗振措施。 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。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。壁厚过薄将会使壁板动刚度急剧降低，产生振动，引起较大的噪声。所壁厚过薄将会使壁板动刚度急剧降低，产生振动，引起较大的噪声。所以应根据壁板刚度合理地确定壁厚，防止薄壁振动。以应根据壁板刚度合理地确定壁厚，防止薄壁振动。 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

14、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；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，质量减小接支承件可比铸铁支承件壁厚减少一半，质量减小20 %20 %30 30 。 钢板焊接结构的缺点是钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的钢板焊接结构的缺点是钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的1/31/3，抗振性，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较铸铁差，为提高机床抗振性能，可采用提

15、高阻尼的方法来改善动态性能。单件小批生产中广泛应用，特别是大型和重型机床上，目前逐步发能。单件小批生产中广泛应用，特别是大型和重型机床上，目前逐步发展到在批量生产的中型机床上应用。展到在批量生产的中型机床上应用。 主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼立柱等支承件。预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低。用钢筋混凝土制比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低。用钢筋混凝土制成支承件时，钢筋的配置对支承件影响较大。一般三个成支承件时，钢筋的配置对支承件影响较大。一般三个方向都要配

16、置钢筋，总预拉力为方向都要配置钢筋，总预拉力为120120150kN 150kN 。缺点是。缺点是脆性大，耐腐蚀性差，油渗入导致材质疏松，所以表面脆性大，耐腐蚀性差，油渗入导致材质疏松，所以表面应进行喷漆或喷涂塑料。图示是数控车床的底座和床身，应进行喷漆或喷涂塑料。图示是数控车床的底座和床身，底座底座1 1为钢筋混凝土。床身为钢筋混凝土。床身2 2 为内封砂芯的铸铁床身，为内封砂芯的铸铁床身，也可提高床身的阻尼。也可提高床身的阻尼。天然花岗岩性能稳定，精度保持性好，抗振性好，阻尼系数比钢大天然花岗岩性能稳定，精度保持性好，抗振性好，阻尼系数比钢大1515倍，耐磨性比铸铁高倍，耐磨性比铸铁高 5

17、-6 5-6 倍，导热系数和线胀系数小，热稳定性好，抗倍，导热系数和线胀系数小，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和很低的表面粗糙度值。容易得到很高的精度和很低的表面粗糙度值。 目前用于三坐标测量机、印制电路板数控钻床、气浮导轨基座等。缺目前用于三坐标测量机、印制电路板数控钻床、气浮导轨基座等。缺点是：结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性大，油和水等液点是：结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性大，油和水等液体易渗入晶界中，使表面局部变形胀大，难于制作复杂的零件。

18、体易渗入晶界中，使表面局部变形胀大，难于制作复杂的零件。 树脂混凝土与普通混凝土不同，它是用树脂和稀释剂代替水泥和水，树脂混凝土与普通混凝土不同，它是用树脂和稀释剂代替水泥和水，将骨料固结成为树脂混凝土，也称人造花岗岩。合成树脂为粘接剂，加人将骨料固结成为树脂混凝土，也称人造花岗岩。合成树脂为粘接剂，加人固化剂、稀释剂、增韧剂。固化剂与树脂发生反应，使原有的线型结构的固化剂、稀释剂、增韧剂。固化剂与树脂发生反应，使原有的线型结构的热塑性材料转化成体型结构的热固性材料。稀释剂是降低树脂的粘度，使热塑性材料转化成体型结构的热固性材料。稀释剂是降低树脂的粘度，使浇铸时有较好的渗透力，防止固化时产生气

19、泡。增韧剂用来提高韧性，提浇铸时有较好的渗透力，防止固化时产生气泡。增韧剂用来提高韧性，提高抗冲击强度和抗弯强度。骨料可分为细骨料（河砂、硅砂）和粗骨料高抗冲击强度和抗弯强度。骨料可分为细骨料（河砂、硅砂）和粗骨料（卵石、花岗岩、石灰石等碎石）。（卵石、花岗岩、石灰石等碎石）。 树脂混凝土特点是：刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比为灰铸铁树脂混凝土特点是：刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比为灰铸铁的的8-108-10倍，抗振性好；热容量大，热传导率低，导热系数只为铸铁的倍，抗振性好；热容量大，热传导率低，导热系数只为铸铁的1/25-1/40 1/25-1/40 ，热稳定性高，其构件热变形小；密

20、度为铸铁的，热稳定性高，其构件热变形小；密度为铸铁的1/31/3，质量小；，质量小；可获得良好的几何形状精度，表面粗糙度值也较低；对切削油、润滑剂、可获得良好的几何形状精度，表面粗糙度值也较低；对切削油、润滑剂、切削液有极好的耐腐蚀性；与金属粘接力强，可根据不同的结构要求，预切削液有极好的耐腐蚀性；与金属粘接力强，可根据不同的结构要求，预埋金属件，使机械加工量减少，降低成本；浇注时无大气污染；生产周期埋金属件，使机械加工量减少，降低成本；浇注时无大气污染；生产周期短，工艺流程短；浇注出的床身静刚度比铸铁床身提高短，工艺流程短；浇注出的床身静刚度比铸铁床身提高1616-40-40。缺点。缺点是某

21、些机械性能差，但可以预埋金属或添加加强纤维。对于高速、高效、是某些机械性能差，但可以预埋金属或添加加强纤维。对于高速、高效、高精度加工机床具有广泛的应用前景。高精度加工机床具有广泛的应用前景。 树脂混凝土床身有整体结构形式、分块结构形式和框架结构形式。树脂混凝土床身有整体结构形式、分块结构形式和框架结构形式。 为简化浇注模具的结构和实现模块化，对于结构较复杂的大型床身构为简化浇注模具的结构和实现模块化，对于结构较复杂的大型床身构件，把它分成几个形状简单、便于浇注的部件。各部分分别浇注后，再件，把它分成几个形状简单、便于浇注的部件。各部分分别浇注后，再用粘接剂或其它形式联接起来。用粘接剂或其它形

22、式联接起来。 这种结构采用金属型材焊接出床身的周边框架，在框架内浇注树脂混这种结构采用金属型材焊接出床身的周边框架，在框架内浇注树脂混凝土。这种结构刚性好，适用于结构较简单的大中型机床床身。凝土。这种结构刚性好，适用于结构较简单的大中型机床床身。 右图是数控车床的床身断面图。右图是数控车床的床身断面图。床身采用倾斜式空心封闭箱形结构，床身采用倾斜式空心封闭箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。排屑方便，抗扭刚度高。 左图是加工中心床身断面图，左图是加工中心床身断面图，采用三角形肋板结构，抗扭抗弯采用三角形肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。刚度均较高。 图示为大型滚齿机立柱和床身截图示为大型滚齿机立柱和床

23、身截面，采用双层壁加强肋的结构，其内面，采用双层壁加强肋的结构，其内腔设计成供液压油循环的通道使床身腔设计成供液压油循环的通道使床身温度场一致，防止热变形；立柱设计温度场一致，防止热变形；立柱设计成双重臂加强肋的封闭式框架结构，成双重臂加强肋的封闭式框架结构，刚度好。刚度好。 对于铸铁支承件，铸件对于铸铁支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承内砂芯不清除，或在支承件中充填型砂或混凝土等件中充填型砂或混凝土等阻尼材料，可以起到减振阻尼材料，可以起到减振作用。右图示的车床床身，作用。右图示的车床床身，左图示的镗床主轴箱，为左图示的镗床主轴箱，为增大阻尼，提高动态特性，增大阻尼，提高动态特性，将铸造砂芯

24、封装在箱内。将铸造砂芯封装在箱内。 对于焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分对于焊接支承件，除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用接合面间的摩擦阻尼来减小振动。即两焊接件之间留有贴合而未焊死利用接合面间的摩擦阻尼来减小振动。即两焊接件之间留有贴合而未焊死的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦起阻尼作用，使振的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦起阻尼作用，使振动减小。间断焊缝虽使静刚度有所下降，但阻尼比大为增加，使动刚度大动减小。间断焊缝虽使静刚度有所下降，但阻尼比大为增加，使动刚度大幅度增大。幅度增大。 右图示出了三种板状结构。右图示出了三种

25、板状结构。图图a a为厚度为为厚度为20mm 20mm 的铸铁板；图的铸铁板；图b b 为两块厚度为为两块厚度为10mm 10mm 的钢板点的钢板点焊在一起，中间构成摩擦面，其焊在一起，中间构成摩擦面，其阻尼比已超过图阻尼比已超过图a a的铸铁板；图的铸铁板；图c c 为两块厚度为为两块厚度为10mm 10mm 的钢板，四的钢板，四周焊在一起，中间摩擦面构成的周焊在一起，中间摩擦面构成的阻尼比大大超过铸铁板。阻尼比大大超过铸铁板。 左图为铣床悬梁，它是一个封闭的箱形铸件。左图为铣床悬梁，它是一个封闭的箱形铸件。在悬梁端部空间装有四个铁块在悬梁端部空间装有四个铁块1 1 ，并填满直径为，并填满直径为6-6-8mm 8mm 的钢球的钢球2 2 ，再注入高粘度的油，再注入高粘度的油3 3 。振动时，油。振动时，油在钢球间产生的粘性摩