机械制造装备第五章.ppt

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机械制造装备设计,主讲:

杨建军,第五章支承件设计,5-1支承件的功用及基本要求支承件,又称基础件，指床身、立柱、横梁、底座、工作台、主轴箱等起支承作用的构件。

一、功用及特点：

1、功用支承机床的其它零部件；（支承）保证各部件间的相互位置关系和相对运动轨迹；（保证）,第五章支承件设计,5-1支承件的功用及基本要求承受各种作用力（重力、切削力、摩擦力、夹紧力）；（受力）储存切削液、润滑油、液压油或安装电机、电气、变速机构等装置。

（容纳）,5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,2、支承件的简化为便于分析计算，将支承件作必要的简化：

梁件：

床身、横梁、摇臂、滑枕板件：

底座、工作台、刀架箱体件：

主轴箱、床头箱、升降台,5-1支承件的功用及基本要求,3、支承件结构参数的确定方法根据使用要求和受力情况，参考同类型机床初步确定其形状尺寸，再进行难处或模型仿真、实验分析，依分析结果作适当修改，确定结构尺寸及布局。

5-1支承件的功用及基本要求,二、支承件的基本要求1、刚度要求一般指静刚度，批在规定最大载荷（恒定或交变）作用下，最大变形不超过规定数值，以保证加工精度。

5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,2、抗振性要求抵抗受到振动：

振幅不超过允许值；自激振动：

给定切削条件下，切削稳定；降低噪声：

薄壁面积超过400400mm2时，产生薄壁振动，成为机床噪声的主要原因之一。

5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,3、较小的热变形及热应力1）减小热变形支承件的热变形破坏了部件之间的相对位置和相对运动关系，影响机床的工作精度和几何精度。

采取措施减小热的产生。

选择好的动力源，改善润滑。

改善散热条件，选用导热性好的材料，强制冷却等。

合理分布温度场。

5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,2）减小热应力由于焊接、铸造和粗加工在支承件内部形成的内应力，在使用过程中逐渐解放导致支承件变形。

（1）选择合理的焊接、铸造结构和工艺，以减小后期使用中的变形；

（2）在铸铁材料中加入镍、铬，提高耐磨性，减小内应力；（3）进行时效处理。

5-1支承件的功用及基本要求,5-1支承件的功用及基本要求,4、其它要求排屑通畅，冷却润滑回流通畅，液压、电气装置布置合理，操作方便，吊运安全，加工装配工艺性好。

支承件的重量占整机的50%80%，在满足刚度、抗振性的基础上，尽量减轻重量，节省材料。

5-1支承件的功用及基本要求,一、受力分析目的通过分析支承支承件载荷分布规律，以便改善结构、改善受力状况，提高支承件性能。

5-2支承件的受力分析,二、载荷的简化1、中小型机床，以切削力为主，工件重量可忽略；中型车床、铣床、摇臂钻床等2、精密、高精密机床，以工件重力和热应力为主；双柱座标镗床，横梁及其上主轴箱重量不可忽略3、大型机床，切削力与重力均应考虑重型车床、落地镗床、龙门式机床,5-2支承件的受力分析,三、支承件受力分析示例以某中型车床床身为例，床身受力如下图所示。

床身简化为梁件；载荷以切削力为主。

5-2支承件的受力分析,床身受力情况,5-2支承件的受力分析,床身受力情况：

为便于分析，工件夹在主轴与尾架上，刀架处于床身中点位置。

床身所受载荷分解在垂直与水平面内。

5-2支承件的受力分析,垂直面xoz内,垂直面xoz内：

垂直面内的弯曲，使刀尖沿Z向产生1的位移，引起工件d1/2的加工误差，影响较小。

5-2支承件的受力分析,使床身下弯,水平面xoy内：

5-2支承件的受力分析,水平面xoy内：

水平面内的弯曲，使刀尖沿y向产生2的位移，引起工件d2/2的加工误差，以1：

1影响加工精度。

5-2支承件的受力分析,使床身前凸,5-2支承件的受力分析,作用在床身中点的主切削力Fc和背向力Fp产生绕床身中性轴的扭矩Mnz、Mny，使床身发生扭转,Mnz、Mny，使床向发生扭转床身的扭转变形，使刀尖绕床身中性线转过角，产生2的位移，引起工件d3/2的加工误差，占床身变形量的6090%。

5-2支承件的受力分析,对床身设计的建议：

1、要特别注意提高床身的抗扭刚度及水平面内的抗弯刚度；一般将床身截面选为近似方形，中间段排屑需要无法封闭，床头箱处封闭。

2、导轨直线度要求垂直面内允差只许向上凸起；水平面内只许向后方凸出；以抵消床身受切削力作用及磨损后产生的误差。

5-2支承件的受力分析,一、支承件的静刚度支承件的变形根据根据载荷性质：

拉压变形、扭转变形、弯曲变形；根据变形发生的部位：

自身的变形、局部变形、接触变形。

自身变形：

与材料、形状、尺寸有关局部变形：

载荷集中的地方接触变形：

某些部件叠在一起，层次较多时。

5-3支承件的刚度和动态特性,1、自身刚度（变形）指抵抗自身变形的能力。

支承件整体的变形。

载荷类型：

拉压拉压变形弯矩弯曲变形占主要比重扭矩扭转变形影响因素：

材料、结构尺寸、筋板布置等,5-3支承件的刚度和动态特性,5-3支承件的刚度和动态特性,2、局部（刚度）变形指抵抗局部变形的能力。

变形发生在支承件的局部。

5-3支承件的刚度和动态特性,影响因素：

该局部区域的结构、尺寸等。

5-3支承件的刚度和动态特性,3、接触（刚度）变形指抵抗结合面之间变形的能力。

变形发生在接触的结合面之间。

5-3支承件的刚度和动态特性,平面接触为例宏观平面度：

实际接触面是名义接触面积的一部分。

微观不平度：

具体接触的只是一些高点。

特点：

Kj是p和的非线性函数。

5-3支承件的刚度和动态特性,5-3支承件的刚度和动态特性,结合面间的状态：

固定联结的结合（接触）：

床头箱与床身之间结合面间无相对运动，预紧（紧固件）外载荷。

5-3支承件的刚度和动态特性,半固定联结的结合（接触）：

结合面间有少量相对运动，预紧（锁紧件）外载荷。

尾架与床身之间活动联结的结合（接触）：

结合面间存在频繁相对运动，预紧（部件重力）。

主、进给运动导轨面之间,5-3支承件的刚度和动态特性,影响接触刚度的因素：

表面的粗糙度、宏观不平度、材料硬度、预紧度（预压强等）自身刚度、局部刚度、接触刚度三者之间的关系：

自身刚度、局部刚度高：

压强分布较均匀，接触刚度高。

支承件类型不同，工况不同，三者所占比例不同。

车床床身自身刚度；摇臂钻床的立柱与底座局部刚度；多层次的刀架接触刚度。

5-3支承件的刚度和动态特性,5-3支承件的刚度和动态特性,二、刚度的折算与比较问题：

刚度的类型不同（自身、局部、接触，弯曲、扭转），薄弱部位变形方向不同，无法直接比较评价。

解决办法：

通过各类型刚度对工件加工精度的影响来比较。

相同的变形量，对加工精度影响最大的方向，称为敏感方向。

5-3支承件的刚度和动态特性,二、刚度的折算与比较,5-3支承件的刚度和动态特性,三、支承件的动态特性实践与研究表明：

机床的加工精度很大程度上取决于机床的动态特性。

即：

机床系统在受到内、外激振力作用后，动态响应性能。

5-3支承件的刚度和动态特性,动态特性分析的三个主要问题：

（1）固有特性问题指确定系统的各阶固有频率、阻尼比、振型等。

了解系统的固有特性以避免使系统在工作中出现共振，又是对系统进行进一步研究的基础。

5-3支承件的刚度和动态特性,

（2）动力响应问题（受迫振动）指系统在外力激振作用下产生的动力响应。

动力响应引起疲劳损坏，影响系统强度性能出现较大位移，影响机床的加工精度,5-3支承件的刚度和动态特性,（3）动力稳定问题（自激振动）指系统在在一定条件下是否会出现自激振动（切削颤振、爬行现象）。

研究临界条件动力稳定性影响机床的加工效率、生产率,5-3支承件的刚度和动态特性,

（一）固有频率与主振型机床系统是一个质量弹簧阻尼系统，其质量、弹性（刚度）是连续分布的，故按振动理论，有无穷多个自由度，有无穷多个固有频率和振型，合称模态。

将模态按频率从低到高排列，称为阶。

5-3支承件的刚度和动态特性,普通车床床身的固有特性（低阶模态）一阶模态主振系统：

床身和底部结合面振型特点：

整机摇晃垂直弯曲振动固有频率：

几十Hz,5-3支承件的刚度和动态特性,二阶模态主振系统：

床身振型特点：

扭摆振动水平弯曲振动固有频率：

100多Hz,5-3支承件的刚度和动态特性,三阶模态主振系统：

床身振型特点：

一个中性面两端方向相反固有频率：

200多Hz,5-3支承件的刚度和动态特性,四阶模态主振系统：

床身振型特点：

两个中性面中间与两端相反固有频率：

300多Hz,5-3支承件的刚度和动态特性,

（二）支承件动态特性（模态）分析理论计算模态分析法、试验模态分析法,5-3支承件的刚度和动态特性,（三）改善动态特性的措施受迫振动动态柔度：

动柔度模的倒数：

即：

动态刚度式中：

动态系数，K静刚度,5-3支承件的刚度和动态特性,式中：

c临界阻尼系统振幅：

故：

提高刚度，增大阻尼比，减小质量，减小激振力，可提高动刚度，改善动态特性。

5-3支承件的刚度和动态特性,改善措施：

1、提高系统静刚度受迫振动：

静刚度KnA避免共振自激振动：

静刚度Kblim生产率、质量措施：

合理设计结构截面形状尺寸合理布置隔板和筋及各部分三种刚度的匹配,5-3支承件的刚度和动态特性,2、增加阻尼可见：

增加阻尼对改善动态特性是有效的措施：

铸件保留砂芯，焊件填混凝土采用阻尼减振器、焊接接头，表面喷涂一层阻高的材料胶泥、腻子石墨纤维选用不同的材料混凝土铸铁，铸铁是钢的24倍,5-3支承件的刚度和动态特性,5-3支承件的刚度和动态特性,5-3支承件的刚度和动态特性,5-3支承件的刚度和动态特性,3、提高固有频率（减小质量）薄壁上布隔板、加筋，开孔，使用钢材4、电流变材料根据测得的信号，主动改变阻尼和刚度,5-3支承件的刚度和动态特性,一、机床支承件的结构特点1、卧式车床床身,5-4支承件的结构设计,导轨与床身之间的连接形式,5-4支承件的结构设计,1、卧式车床床身,5-4支承件的结构设计,车床床身,5-4支承件的结构设计,车削中心床身,5-4支承件的结构设计,2、加工中心床身卧式加工中心床身,5-4支承件的结构设计,卧式加工中心床身,5-4支承件的结构设计,卧式加工中心床身,5-4支承件的结构设计,立式加工中心床身,5-4支承件的结构设计,小型加工中心床身,5-4支承件的结构设计,3、立柱,5-4支承件的结构设计,加工中心立柱,5-4支承件的结构设计,加工中心立柱,5-4支承件的结构设计,4、底板底座,5-4支承件的结构设计,5、箱体,5-4支承件的结构设计,6、横梁、横臂,5-4支承件的结构设计,6、横梁、横臂,5-4支承件的结构设计,7、滑板、工作台,5-4支承件的结构设计,二、支承件刚度的影响因素1、截面形状对静刚度的的影响等截面面积不同形状惯性矩的对比：

结论：

（1）刚度，空心实心；故减薄壁厚，加大外径可提高刚度,5-4支承件的结构设计,5-4支承件的结构设计,

（2）抗扭刚度，圆形截面矩形截面抗弯刚度，矩形截面方形截面；建议：

对受扭为主：

圆形截面对受弯为主：

矩形截面即受弯又受扭：

近似方形（3）封闭不封闭截面刚度高,5-4支承件的结构设计,2、隔板及加强筋对刚度的影响

（1）隔板的影响指在支承件两外壁之间起连接作用的内壁。

通过隔板将局部载荷传递给其它壁板，提升支承件件自身的刚度。

5-4支承件的结构设计,纵隔板：

有效提高垂向（垂直布置）水平方向（水平布置）抗弯刚度,5-4支承件的结构设计,横隔板：

有效提高抗扭刚度,5-4支承件的结构设计,斜隔板：

有效提高抗扭、抗弯刚度,5-4支承件的结构设计,

（2）加强筋的影响指配置在内、外壁上，高度较低的壁板，减小局部变形（提高局部刚度）和薄壁振动，兼散热。

筋条高度可取壁厚的45倍，厚度取壁厚的0.70.8。

5-4支承件的结构设计,（3）开孔与加盖的影响开孔对抗扭刚度的影响实线仅开一孔虚线前后均开建议：

孔开在中心线附近，孔宽1/4壁宽。

5-4支承件的结构设计,加盖对抗弯、抗扭刚度的影响,5-4支承件的结构设计,三、支承件的接触刚度与局部刚度连接处的接触刚度，与材料、几何形状尺寸、表面硬度、粗糙度、精度，加工方法、预紧量大小等有关。

5-4支承件的结构设计,5-4支承件的结构设计,5-4支承件的结构设计,连接处的局部刚度与螺钉刚度、凸缘结构及刚度和接触刚度有关。

5-4支承件的结构设计,四、支承件的材料与热处理导轨支承件一体时，支承件按导轨要求选取择；导轨镶装时，支承件的材料按各自要求选；常用支承件的材料有铸、钢、砼等。

5-4支承件的结构设计,1、铸铁铸铁的铸造性能好复杂的结构支承件铸铁内阻尼大，振动衰减的性能好，成本低。

需木模，制造周期长HT200、HT150、HT100时效消除铸件的残余应力人工自然普通机床时效一次精密机床时效二次粗加工前振动精加工前,5-4支承件的结构设计,2、钢生产周期短，没有铸件的截面形状限制，可封闭，且可根据受力情况布置筋板条提高抗扭及抗弯刚度。

弹性模量是铸铁的2倍，刚度高的同时，壁厚是铸件的，重量减轻，f固有频率提高成批生产成本高，内阻尼小A3、45#钢时效处理,5-4支承件的结构设计,3、混凝土用作支承件抗拉砼须具备抗压刚度加短纤维材料（复合材料：

抗弯纤维增强砼）砼的比重是钢的1/3，弹性模量为1/101/5，阻尼比铸铁大。

适用受载均匀，截面积大，减振要求高的支承件。

缺点：

弹性模量小，抗拉、抗弯能力小,5-4支承件的结构设计,4、热处理人工自然普通机床时效一次精密机床时效二次粗加工前振动精加工前喷丸处理,5-4支承件的结构设计,五、结构工艺性满足铸造工艺特点满足焊接工艺特点满足机械加工工艺特点便于吊运,5-4支承件的结构设计,5-4支承件的结构设计,5-4支承件的结构设计,5-4支承件的结构设计,一、机床热变形内部热源：

切削过程电机发热液压系统机械摩擦外部热源：

阳光环境温度,5-5支承件的热变形,热膨胀改变机床各执行器官的相对位置及轨迹，改变预紧量等工况。

5-5支承件的热变形,二、改变机床的热特性1、散热、隔热,5-5支承件的热变形,2、均热,5-5支承件的热变形,3、改善结构，使热变形影响降低,5-5支承件的热变形,