1、第三章 支承件設(shè)計,1,第三章 支承件設(shè)計,第一節(jié) 概述 一、支承件的功用 二、支承件的基本要求 三、支承件的靜力分析,2,第三章 支承件設(shè)計,一、支承件的功用,什么是支承件？ 支承件是機(jī)床的基本構(gòu)件，主要是指： 床身底座、立柱、橫梁、 工作臺、箱體、升降臺 等大件。,3,第三章 支承件設(shè)計,一、支承件的功用,支承件的作用？ 支承件的作用是支承其它零部件，保證它們之間正確的相互位置關(guān)系和相對運(yùn)動軌跡； 機(jī)床切削時，支承件承受著一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力等。,4,第三章 支承件設(shè)計,一、支承件的功用,支承件的連接方式？ 機(jī)床中的支承件有的互相固聯(lián)在一起，有的在導(dǎo)軌上作相對運(yùn)動； 導(dǎo)軌常與

2、支承件做成一體，也有采用裝配、鑲嵌或粘接方法與支承件相聯(lián)接。,5,第三章 支承件設(shè)計,一、支承件的功用,支承件的地位？ 支承件受力受熱后的變形和振動將直接影響機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量。 因此，正確設(shè)計支承件結(jié)構(gòu)、尺寸及布局具有十分重要的意義。,6,第三章 支承件設(shè)計,二、支承件的基本要求,剛度 抗振性 熱變形 內(nèi)應(yīng)力 其它,7,第三章 支承件設(shè)計,二、支承件的基本要求,剛度 （1）所謂剛度是指支承件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力。 （2）前者稱為靜剛度，后者稱為動剛度。 （3）一般所說的剛度往往指靜剛度。 （4）支承件要有足夠的靜剛度，即在額定載荷作用下，變形不得超過允許值。,8,第

3、三章 支承件設(shè)計,二、支承件的基本要求,2. 抗振性 （1）抗振性是指支承件抵抗受迫振動和自激振動的能力。 （2）抵抗受迫振動的能力是指受迫振動的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。 （3）抵抗自激振動的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩(wěn)定性。,9,第三章 支承件設(shè)計,二、支承件的基本要求,3. 熱變形 （1）機(jī)床工作時，電動機(jī)、傳動系統(tǒng)的機(jī)械摩擦及切削過程等都會發(fā)熱，機(jī)床周圍環(huán)境溫度的變化也會引起支承件溫度變化，產(chǎn)生熱變形； （2）熱變形會影響機(jī)床的工作精度和幾何精度，這一點(diǎn)對精密機(jī)床尤為重要。因此應(yīng)對支承件的熱變形及熱應(yīng)力加以控制。,10,第三章 支承件設(shè)計,二、支承件的基本要

4、求,4. 內(nèi)應(yīng)力 （1）支承件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形。 （2）在使用中，由于內(nèi)應(yīng)力的重新分布和逐漸消失會使變形增大，超出許用的誤差范圍。 （3）支承件的設(shè)計應(yīng)從結(jié)構(gòu)和材料上保證其內(nèi)應(yīng)力要小，并應(yīng)在焊、鑄等工序后進(jìn)行失效處理。,11,第三章 支承件設(shè)計,二、支承件的基本要求,5. 其它 （1）支承件還應(yīng)使排屑通暢，操作方便，調(diào)運(yùn)安全，加工及裝配工藝性好等。 （2）支承件的性能對整臺機(jī)床的性能影響很大，其重量約為機(jī)床總重的80%以上，所以應(yīng)正確地對支承件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對主要支承件進(jìn)行必要的驗(yàn)證和試驗(yàn)，使其能夠滿足對它的基本要求，并在此前提下減輕重量，節(jié)省材料

5、。,12,第三章 支承件設(shè)計,三、支承件的靜力分析,為了保證支承件具有足夠的剛度，必須進(jìn)行受力分析.。 以普通車床為例，分析機(jī)床及其主要支承件的受力和變形。,13,第三章 支承件設(shè)計,三、支承件的靜力分析,圖3一1 普通車床的受力分析,14,第三章 支承件設(shè)計,三、支承件的靜力分析,從上述分析可知： （1）床身變形的主要形式是在垂直面和水平面內(nèi)的彎曲，以及由MnZ和MnY聯(lián)合作用下的扭轉(zhuǎn)； （2）在彎曲變形中，水平面的彎曲對加工精度影響較大，因此設(shè)計床身時要注意加強(qiáng)水平面內(nèi)的彎曲剛度。 （3）對于長床身，扭轉(zhuǎn)變形會使刀尖與工件間產(chǎn)生相當(dāng)大的位移，甚至?xí)蔀樽冃蔚闹饕矫?，因此要注意提高扭轉(zhuǎn)剛度

6、。 （4）主軸箱和尾架對床身作用有較大的彎矩，因此床身兩端，特別是主軸箱一端，應(yīng)注意提高其剛度。,15,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,（1）支承件的變形一般包括三部分：自身變形、局部變形和接觸變形。 （2）對于床身，載荷是通過導(dǎo)軌面施加到床身上的。變形應(yīng)包括床身自身的變形、導(dǎo)軌的局部變形以及導(dǎo)軌表面的接觸變形。 （3）局部變形和接觸變形不可忽略，有時甚至占主導(dǎo)地位。,16,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,1. 提高支承件自身剛度 （1）定義：支承件抵抗自身變形的能力稱為支承件的自身剛度。 （2）影響因素：自身

7、剛度主要決定于支承件的材料、形狀、尺寸和筋板的布置等。 提高支承件的自身剛度，應(yīng)注意以下幾方面：,17,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,1. 提高支承件自身剛度 正確選擇支承件的截面和尺寸 合理布置隔板 合理開窗和加蓋,18,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,1) 正確選擇支承件的截面和尺寸 支承件所受的載荷，主要有拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn).對于同一材料，截面積相當(dāng)而形狀不同時，截面慣性矩相差很大，合理選擇截面可提高支承件自身剛度。,19,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,表 31

8、 截面形狀與抗扭慣性矩關(guān)系,20,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,2) 合理布置隔板 隔板的作用是將作用于支承件的局部載荷傳遞給其它壁板，從而使整個支承件承受載荷，提高支承件的自身剛度。 例如中小型臥式車床的床身的幾種橫隔板布置如圖3-2所示。,21,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖32 中小型車床床身的幾種橫隔板布置,22,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,3) 合理開窗和加蓋 為了安裝機(jī)件或清砂，支承件壁上往往需要開窗孔。窗孔對剛度的影響決定于它的大小和位置。,23

9、,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖3一3 開孔和加蓋對剛度的影響,24,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,2. 提高支承件連接剛度和局部剛度 支承件在連接處抵抗變形的能力，稱為支承件的連接剛度。 若支承件以凸緣連接時，連接剛度決定于螺釘剛度、凸緣剛度和接觸剛度，接合面處的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra = 8m，壓力應(yīng)小于1.5 2 MPa。合理布置螺釘位置和選擇合適的螺釘尺寸可提高接觸剛度。,25,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖3一4 凸緣連接形式,26,第三章 支承件設(shè)計

10、,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖35 凸緣設(shè)計對剛度的影響,27,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖36 床身與導(dǎo)軌的過渡壁和筋,28,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖37 加強(qiáng)筋的布置,29,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、支承件的靜剛度,圖310 立柱的截面形狀,30,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,1. 支承件形狀和尺寸的確定 確定支承件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，首先要滿足工作性能的要求。 由于各類機(jī)床的性能、用途、

11、規(guī)格的不同，支承件的形狀和大小也不同。 現(xiàn)分述如下：,31,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,臥式床身 臥式床身有3種結(jié)構(gòu)形式： （1）中小型車床床身，是由兩端的床腿支承； （2）大型臥式車床、鏜床、龍門刨床、龍門銑床等的床身，是直接落地安裝在基礎(chǔ)上； （3）有些仿形和數(shù)控車床，則是采用框架式床身。,32,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,臥式床身 臥式床身有3種結(jié)構(gòu)形式： （1）中小型車床床身，是由兩端的床腿支承； （2）大型臥式車床、鏜床、龍門刨床、龍門銑床等的床身，是直接落地安裝在基礎(chǔ)上； （3）有些仿形

12、和數(shù)控車床，則是采用框架式床身。 基本截面形狀見圖38。,33,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖38 臥式床身的基本截面形狀,34,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖39 過鍍壁,35,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,2) 立柱 立柱可看作立式床身，其截面有圓形、方形和矩形，見圖310。,36,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖310 立柱的截面形狀,37,立柱所承受的載荷有2類： 一類是承受彎曲載荷，載荷作用于立柱的

13、對稱面，如立式鉆床的立柱； 另一類承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，如鐵床、鏜床的立柱。,38,另一類承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，如鐵床、鏜床的立柱。,39,第三章 支承件設(shè)計,圖310 立柱的截面形狀,立柱的截面形狀主要由剛度決定。,40,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,3) 橫梁和底座 橫梁用于龍門式框架機(jī)床上，作受力分析時，可似看作兩支點(diǎn)的簡支梁。 橫梁工作時承受復(fù)雜的空間載荷：（1）橫梁的自重為均布載荷，（2）主軸箱或刀架的自重為集中載荷，（3）切削力為大小、方向可變的外載荷， 橫梁的橫截面一般做成封閉形，見圖311。,41,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜

14、剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖3l1 橫梁及底座截而形狀,42,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,2支承件材料的選擇及時效處理 支承件的材料，主要為鑄鐵和鋼。 若導(dǎo)軌與支承件做成一體時，材料選擇主要根據(jù)導(dǎo)軌要求確定。 當(dāng)導(dǎo)軌鑲嵌在支承件上，材料按各自要求選擇。,43,1) 鑄鐵 優(yōu)點(diǎn)：鑄鐵鑄造性能較好，容易獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支承件，鑄鐵的內(nèi)摩擦力大，阻尼系數(shù)大，振動的衰減性能好，成本低。 缺點(diǎn)：鑄件的周期較長，需做木型模，有時易產(chǎn)生縮孔、氣飽等缺陷。,44,2) 鋼 鋼材的強(qiáng)度比鑄鐵高，彈性模量約為鑄鐵的1.5 2倍。 支承件若用鋼材焊接而成，質(zhì)

15、量可減輕20% 50%，且可使固有頻率提高。,45,3) 時效處理 時效處理方法有3種：即自然時效、人工時效和振動時效。,46,（1）自然時效是將鑄鐵毛坯或粗加工后的半成品在露天存放3個月到幾年，逐漸消除其內(nèi)應(yīng)力，使內(nèi)部材料性能逐漸趨于穩(wěn)定，然后進(jìn)行加工。 （2）人工時效，是將工件放在200C以下的退火爐中，以不超過80C/h的速度加溫到500C 550C，,經(jīng)6 8 h保溫，使內(nèi)應(yīng)力消除，然后以不超過40C/h的速度緩慢地冷卻，以免產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，冷卻到400C以下方可從爐中取出。 （3）振動時效，它是將零件放在 2個彈性支座上，激振器裝在零件的中部。將激振器的激振頻率調(diào)到等于零件一次彎曲振動的固有頻率，使零件發(fā)生共振，其彎曲應(yīng)力加上內(nèi)應(yīng)力將有一部分超過材料的屈服極限，使材料產(chǎn)生塑性變形而消除內(nèi)應(yīng)力。目前多用在梁類零件，如床身、橫梁等（效果不如前兩種）。,47,第三章 支承件設(shè)計,第二節(jié) 支承件的靜剛度與結(jié)構(gòu)設(shè)計 三、支