机电装备第四章

机电装备第四章第1页，共28页，2023年，2月20日，星期一§4-1基本要求及设计步骤§4-1基本要求及设计步骤支承件是机电装备中的重要基本构件之一，主要包括机身、立柱、横梁、底座、工作台、箱体及升降台等大件。支承件的作用是支承其它零部件，使它们之间保持正确的相互位置和相对运动；除了可在支承件上安装多种零部件外，有些支承件的内部空间较大，常被利用作为切削液、润滑液的储存器或液压油的油箱；有时，也可将变速箱、电动机和电气箱等部件放在其中。支承件在机电装备工作过程中会产生变形和振动，这将直接影响机电装备的工作性能。因此，正确设计支承件的结构、尺寸，正确选择材料及合理布局具有十分重要的意义。1．基本要求机电装备中的支承件种类很多，它们的结构、尺寸、材料和布局也是多种多样的，但它们均应满足以下基本要求：机电装备中的支承件种类很多，它们的结构、尺寸、材料和布局也是多种多样的，但它们均应满足以下基本要求：(1)在额定载荷作用下，支承件应具有足够的抵抗变形的能力（即刚度）。(2)支承件应具有足够大的抵抗受迫振动和自激振动的能力（即抗振性），这就要求支承件具有良好的动态特性。(3)支承件应具有良好的热稳定性，避免或减少热变形对机电装备工作精度的影响。第2页，共28页，2023年，2月20日，星期一(4)支承件应具有良好的结构工艺性，并注意合理选材，以减少其内应力。(5)设计支承件时还应保证加工和装配工艺性要好、吊运安全、操作方便、排屑通畅等。目前支承件的设计主要是根据同类机型上的支承件进行类比设计，并对主要支承件进行相应的验证和试验，使其满足实际需要。2．设计步骤

(1)进行受力和变形分析，确定出主、次力和力矩。(2)初步确定其形状和尺寸。(3)对支承件进行静态刚度、动态特性、热变形、热应力分析。(4)分析、修改设计方案进行，选出最佳方案。§4-2支承件的静力分析一、力和变形分析

（图4-1)转矩Tb使床身产生扭转变形，造成前后导轨不平行，丧失了车床的原始精度。如图4.2c所示。床身受到的扭转变形δ3约占床身变形量的60％～90％。轴向切削分力Fx与床身平行，使床身产生拉伸变形，由于影响较小，可忽略不计。§4-2支承件的静力分析第3页，共28页，2023年，2月20日，星期一静力分析Fz和Fx产生的弯矩使床身在垂直面内产生弯曲变形δ1(如图4.2a所示)，从而使工件产生Δd1/2的加工误差，但对工件直径影响较小。Fx和Fy产生的弯矩使床身在水平面内产生弯曲变形δ2(如图4.2b所示)，并使加工出的工件呈鼓形。变形量δ2以近似1:1的比例关系反映在工件的半径误差上。从上述分析可知，床身在不同变形情况下引起的工件上的加工误差是不同的，垂直面误差可忽略不计，扭转变形产生的影响最为严重。工件半径上的加工误差为（4.2）设计长床身时，由于扭转变形会使刀尖与工件间产生相当大的位移，甚至会成为变形的主要方面，因此要注意提高床身的抗扭刚度。在弯曲变形中，水平面的弯曲变形对加工精度影响较大，因此床身一般设计成近似方形，以提高其水平面内的弯曲刚度。二、静刚度

支承件刚度不足，则在重力、夹紧力、切削力和摩擦力等作用下会出现变形、振动或爬行等现象，从而影响机电装备的工作性能，如机床的定位精度、加工精度等。支承件的变形通常包括三部分：自身变形、局部变形和接触变形。第4页，共28页，2023年，2月20日，星期一静刚度1．提高支承件的自身刚度支承的自身刚度与支承件的材料、形状、尺寸及筋板的布置等因素有关。在进行支承件设计时，为提高支承件的自身刚度，可采取以下措施：(1)正确选择支承件的截面形状和尺寸（表4-1)(2)合理布置筋板和筋条对于薄壁封闭截面的支承件、非全封闭截面的支承件或当支承件截面形状或尺寸受到结构上的限制时，在支承件上增加筋板或筋条来提高刚度，其效果比增加壁厚更为显著。纵向筋板应布置与受力关系：如图4.3a，此时筋板相对于x轴的惯性矩为l3b/12；当布置在与弯曲平面相垂直的平面内(如图4.3b所示)时，则惯性矩为lb3/12,两者之比为l3/b2。因此，前者抗弯刚度明显大于后者。

1)筋板是指在支承件两壁之间起连接作用的连接板。筋板三种布局形式：纵向筋板是提高抗弯刚度。横向筋板的主要作用是增加抗扭刚度。斜向筋板兼有提高抗弯和抗扭刚度的作用。空心零件在扭转时常出现壁的翘曲现象，引起截面畸变。增加横向筋板后(如图4.4，No.1、No.2、No.3所示)，畸变几乎消失,同时端部位移大大减小。一般取l

=(0.865～1.31)h。第5页，共28页，2023年，2月20日，星期一静刚度支承件受扭(如图4.5a所示)时，截面a1b1c1d1相对于截面a2b2c2d2产生扭转，使a1与b2、d1与c2之间的距离发生变化，从而引起截面畸变。增加斜向筋板(如图4.5b所示)后，可使畸变减小，并能提高抗弯刚度。

图4.6a所示的车床床身采用“T”型筋板连接前、后壁，主要用于提高水平面上的抗弯刚度，而对提高垂直面上的抗弯刚度和抗扭刚度则不显著。图4.6b所示的“┌┐”形筋板具有一定的宽度b和高度h，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能也很好，故在大、中型车床床身上应用较多。图4.6c所示的斜向筋板在床身的前、后壁之间呈“W”形布置，能较大程度地提高水平面上的抗弯、抗扭刚度。对床身长度超过1500mm的长床身，效果非常显著。两相邻斜筋板间的夹角α一般取60～100°。图4.6d所示的床身，其主体部分是封闭截面，既提高了床身的刚度，又能自由排屑，但铸造较困难。立式机床的支承件上也可采用筋板加强其自身刚度，如立式钻床的立柱常设计成环形截面或箱形截面。图4.7所示为在立柱中增加筋板的几种常用方式。用模型测得的立柱的抗弯、抗扭刚度如图4.8所示。从图中可以看出：当采用双对角线的纵向筋板时，立柱自身的抗弯及抗扭刚度最高。图4.9所示为封闭床身模型的柔度、材料体积及接缝长度的比较。第6页，共28页，2023年，2月20日，星期一静刚度2)筋条的作用与筋板相同，一般配置在支承件的内壁上，以提高壁板的抗弯刚度，减少局部变形。当壁板面积大于400mm×400mm时，在支承件的内壁上增加筋条可避免出现薄壁振动现象。(3)合理开孔和加盖为了安装机件或清砂、减轻重量及造型等的需要，往往需要在支承件的壁上开窗孔。窗孔对支承件刚度的影响取决于它的大小和位置。在与弯曲平面垂直的壁上开窗孔后，因减少了壁上受拉、受压的面积，所以会严重地削弱支承件的抗弯刚度。在较窄壁上开窗孔比在较宽壁上开窗孔对支承件的抗扭刚度的影响要严重。图4.11a所示为在立柱上开孔对扭转刚度的影响。图中b/h=1，L/b=3，φ0/φ为开孔前后扭转角之比，实线表示在前壁上开一孔的情况，虚线表示前、后壁各开一孔的情况。当、时，立柱的扭转刚度降低不大；当开孔面积时，扭转刚度下降很大。前、后壁各开一孔与仅在前壁上开一孔相比，扭转刚度降低不超过20％。对于矩形截面的立柱，窗孔的宽度一般不宜超过立柱空腔宽度的70％，高度不超过空腔宽度的1.1～1.2倍。开孔对支承件的抗弯刚度影响较小，而对抗扭刚度的影响较大(如图4.11b所示)。若在开孔处加盖并拧紧螺钉，支承件的抗弯刚度可恢复到接近未开孔时的程度。另外，用嵌入式盖比面覆盖式盖的效果好。由图4.11b可以看出：加盖后支承件的抗扭刚度可恢复到未开孔时的35％～41％。第7页，共28页，2023年，2月20日，星期一静刚度2．提高支承件的连接刚度和局部刚度支承件在连接处抵抗变形的能力称为支承件的连接刚度。连接刚度不仅取决于连接处的材料、几何形状与尺寸，还与接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法等因素有关。当支承件以凸缘连接时，连接刚度取决于螺钉刚度、凸缘刚度和接触刚度。

﹡选择合适的螺钉尺寸及合理布置螺钉位置可以提高支承件的接触刚度。

﹡提高抗弯刚度方面考虑，螺钉最好较集中地布置在支承件受拉的一侧。

﹡从提高抗扭刚度来考虑，螺钉应均匀分布在四周。

﹡在连接螺钉轴线的平面内布置筋条也能适当地提高接触刚度。支承件的连接刚度与凸缘的结构有关。在图4.12所示，图a的刚度较低，图b的刚度较高，图c的刚度最高。图4.13显示了在两种不同的连接设计中，受载时E点处在y方向上的变形量。图4.14所示为立柱用凸缘连接的几种结构。支承件的局部刚度是指其抵抗局部变形的能力。支承件的局部变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，它与局部变形处的结构及尺寸等因素有关。

图4.15a所示的导轨处易产生局部变形。图b则可以显著地提高导轨处的局部刚度。第8页，共28页，2023年，2月20日，星期一§4-3支承件的动态特性

图4.16为床身与导轨连接形式的实例。

图4.17为立柱导轨的几种连接形式。图a、b、c所示的板壁易产生变形，将严重影响导轨的局部刚度，而图d、e、f所示的导轨采用侧壁支承，提高了导轨的局部刚度。图g、h、i中的支承件内部增设了筋条，不仅提高了局部刚度，同时也提高了支承件自身的抗弯和抗扭刚度。§4-3支承件的动态特性在设计机电装备的支承件时，除了要满足静刚度的要求外，还应满足动态特性的要求。动态分析通常是在已知系统的动力学模型、外部激振力和系统工作条件等情况下进行的。它主要包括三个方面的问题。(1)固有特性频率问题当把支承件看成为简单的振动系统时，其固有特性主要指系统的固有频率。(2)动力响应问题当受到外部激振力作用时，整个机电装备系统将产生动力响应(即振动)，从而使系统的构件内部产生动态应力，导致构件出现疲劳损坏。(3)动力稳定性问题颤振和爬行等都属于自激振动。产生自激振动的系统称为不稳定系统。对系统的动力稳定性进行分析的目的，就是要确定机电装备发生颤振和爬行现象的临界条件，从而保证机电装备能在规定的工作条件下不出现自激振动。在系统的动力稳定性分析中，包括了对支承件的动力稳定性分析。第9页，共28页，2023年，2月20日，星期一动态特性图4.18所示为车床床身的低频振型。图a为第一阶模态的整机摇晃振动。整机摇晃振型引起工件与刀具间的相对振动很小，其危害不大。图b为第二阶模态的扭摆振动，图d为水平弯曲振动，这两种振型都会在刀具与工件之间引起有危害的相对振动，从而使加工工件表面留下振纹，对加工精度和表面质量产生较大影响。特别是扭摆振型的频率较低，很容易落在车床加工时主轴工作转速范围内而引起共振现象，故其危害更大。图c为垂直弯曲振动。虽然可能会引起工件与刀具之间的相对振动，但振动在垂直方向上，对加工精度、表面粗糙度的影响较小。对于以上这些振型，当外界激振力的频率与其固有频率一致时，其振幅将会激增，即产生共振现象。2．改善支承件动态特性的措施改善支承件的动态特性，提高其抗振性，保证机电装备正常工作，其关键是提高支承件的动刚度。第10页，共28页，2023年，2月20日，星期一动态特性一个单自由度有阻尼系统受简谐力激振时的动刚度的表达式为（4.3）

从上式可以看出，为了提高结构的动刚度，应采取以下一些措施：(1)提高静刚度提高静刚度的主要途径有：合理地设计支承件的结构和尺寸，合理地布置筋板和筋条。此外，还应注意支承件的整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。(2)增加阻尼增加阻尼是提高支承件动刚度的有力措施，它的效果通常比增加静刚度显著，特别是在振动频率较高且接近固有频率时，可大大降低其振幅，减小振动。常用的方法有：保留铸件中的型芯(如图4.19b所示)，采用具有阻尼性能的焊接结构（图），在支承件中灌注混凝土等。不同的材料有不同的阻尼特性，所以选用不同的材料与改善支承件的动刚度有密切关系。(3)调整固有频率激振力的频率一般较低，而支承件的固有频率应远离激振力的频率，故应提高支承件的固有频率。增加支承件的刚度或减少质量，都可以提高固有频率；而改变阻尼系数，对固有频率的变化影响不大。(4)采用减振器采用减振器也是提高抗振性的一种有效的方法。其特点是结构轻巧，在某些情况下比单纯提高支承件结构的刚度容易实现。第11页，共28页，2023年，2月20日，星期一§4-4支承件的热变形特性§4-4支承件的热变形特性1.热平衡和温度场机电装备在单位时间内的发热量等于其散热量，即达到了热平衡。支承件的热量主要来自于某几个相应的热源。热源处温度比其它部分的温度高，离热源越远则温度越低，这样就形成了温度场。2.热变形和热应力机电装备中支承件的热变形可分为两类：自由状态热变形和非自由状态热变形。每类热变形一般又可分为：由于均匀温升引起的直线伸长及由于温差或变形差而引起的弯曲变形。3.减少热变形的措施支承件的热变形对机电装备，特别是精密、重要的机电装备的工作性能有较大的影响。因此，要设法减少支承件热变形，特别是不均匀的热变形，改善其散热条件，以降低热变形对机电装备工作性能的影响。通常采用以下方法来提高支承件的热稳定性：(1)控制温升适当地加大散热面积；加设与气流方向一致的散热片；采用风扇、冷却器等来加快散热；采用分离或隔绝热源等使机电装备支承件的温升不会达到很高。(2)均衡温度场影响机电装备工作性能的不仅是温升，温度不均匀也会对其产生影响，因此，应采取措施均衡温度场。如图4.23a、b所示。第12页，共28页，2023年，2月20日，星期一(3)采用热对称结构由于支承件具有热对称结构，在热变形后，其对称中心线的位置基本不变，所以有可能减少热变量对机电装备工作性能的影响。(4)采用热补偿装置采用热补偿的基本方法是在热变形的相反方向上采取相应措施，以产生反方向的热变形，使两者之间的影响相互抵消，从而减少支承件的综合热变形。§4-5支承件的结构设计§4-5支承件的结构设计1.支承件截面形状的选择

设计床身截面形状时，应综合考虑刚度要求、导轨位置、内部需安装的零部件和排屑等因素。如图4.25a、b、c、d所示。立柱常用的截面形状如图4.25e、f、g、h所示。图e用于承受扭矩，图e用于承受扭矩和弯矩，图g、h用于承受弯矩。部分横梁与底座的横截面如图4.26所示。2．铸造结构工艺性在设计支承件时，应注意支承件的结构工艺性。所谓结构工艺性是指支承件的构造在满足机电装备正常工作性能的前提下，在工艺上还要便于铸造、锻造、焊接和机械加工等，达到节约材料和能源，提高经济效益等目的。图4-28第13页，共28页，2023年，2月20日，星期一承件的材料与时效处理3．承件的材料与时效处理●支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢，此外，考虑到实际工作要求和经济性等因素，有时也可选用预应力钢筋混凝土、树脂混凝土或天然花岗岩等作为支承件的材料。(1)铸铁一般支承件常采用灰铸铁制成。铸铁的铸造性能好，容易铸出具有复杂结构的支承件，同时获得较理想的造型。另外，铸铁的内摩擦力较大，阻尼系数大，使振动衰减的性能好，材料的成本较低。HT200一般被称为Ⅰ级铸铁，其抗压、抗弯性能较好，适用于外形较简单，抗压、抗弯应力较大的支承件。当支承件与导轨做成一体，而导轨又要淬硬时，采用这种材料效果较好。但不宜用HT200制作结构太复杂的支承件。HT150称为Ⅱ级铸铁，它的流动性好，故铸造性能好，但力学性能较差，适用于制作形状复杂的铸件和重型机床的床身，此外，受力不大的支承件及无摩擦表面的支承件如底座等，也常用Ⅱ级铸铁。HT100被称为Ⅲ级铸铁，其力学性能较差，一般用于镶装导轨的支承件。(2)钢材

用钢板和型钢等钢材焊接支承件，与铸造相比，可省去制作木模等铸造工艺，生产周期较短，便于产品更新和结构改进。支承件不象铸件那样有截面形状的限制，故可做成封闭结构，刚性较好。第14页，共28页，2023年，2月20日，星期一由于钢的弹性模量约为铸铁的1.5～2倍，在刚度要求相同的条件下，钢材焊接支承件的壁厚仅为铸件的一半，可减轻重量20％～50％，节省了材料，且提高了支承件的固有频率。使用钢材可减轻支承件的重量。但不应过分追求减轻重量而使壁厚太薄，要防止出现薄壁振动现象。(3)预应力钢筋混凝土预应力钢筋混凝土主要用于制作不常移动的大型机电装备的机身、底座及立柱等支承件。这种支承件的刚度和阻尼比铸铁支承件大几倍,抗振性能好，制造成本低。(4)天然花岗岩

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15倍，耐磨性比铸铁高5～6倍，导热系数和线胀系数较小，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘合，易于加工，通过研磨和抛光可以得到很高的精度及很低的表面粗糙度。(5)树脂混凝土树脂混凝土的特点是：刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比是灰铸铁的8～10倍，抗振性好；热容量大，热传导率低，导热系数只有铸铁的1/25～1/40，热稳定性高，构件的热变形小；比重是铸铁的1/3，质量轻；可获得良好的几何形状精度，第15页，共28页，2023年，2月20日，星期一用树脂混凝土制成的机床床身可分为整体结构形式、分块结构形式和框架结构形式，如图4.35所示。树脂混凝土与金属部件的联接如图4-36。●

时效处理

支承件在铸造或焊接后因冷却收缩而产生内应力，且分布不均匀，随着时间的推移，内应力将重新分布并逐渐消失，使支承件产生变形，从而影响机电装备的工作性能。解决办法：必须对支承件进行时效处理，以消除由于冷却收缩及加工过程中的切削热在支承件内部产生的残余应力。时效处理方法有自然时效、人工时效和振动时效等三种。自然时效是将铸铁毛坯或粗加工后的半成品在露天环境存放3个月到几年，逐渐消除其内应力，使材料内部性能逐渐趋于稳定，然后再进行加工。人工时效又称焖火，是将工件放在200℃以下的退火炉中，以不超过80℃/

h的速度加热到500℃～550℃，经6～8h保温，消除工件的内应力，然后以不超过40℃/

h的速度缓慢地冷却，以免产生新的内应力，当冷却到400℃以下后，方可从炉中取出工件。振动时效是近几年发展起来的一种新型时效方法。它是将工件放在2个弹性支座上，激振器装在工件的中部。将激振器的激振频率调到s等于工件一次弯曲振动的固有频率，使工件发生共振，其弯曲应力加上内应力将有一部分超过材料的屈服极限，使材料产生一定的塑性