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1、 第七节 支承件设计 支承件床身、立柱、横梁、摇臂、底座、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件（大件）一、支承件的功能和应满足的基本要求（一）支承件的功能 支承机床各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力 保证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（二）支承件应满足的基本要求基本要求1）足够的刚度和较高的刚度重量比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。 2）较好的动态特性 包括较大的动刚度和阻尼；与其它部件相配合，使整机的各阶固有频
2、率 不致与激振频率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。3）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 由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应 力，使支承件变形。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。 4）应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的 工艺性以便于制造和装配。二、支承件的结构设计 考虑机床的类型、布局及常用支承件的形状 满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性 受力和变形分析、结构设计，初步决定形状和尺 寸 有限元计算，求出静态刚度和动态特性， 再修改和完善（一）机床的类型
3、、布局和支承件的形状1. 机床的类型 （1）以切削为主的中小型机床 （2）以移动件的重力和热应力为主的精密和高精 密机床 （3）重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机 床（一）机床的类型、布局和支承件的形状2. 机床的布局形式对支承件形状的影响 3. 支承件的形状箱型类、板块类、梁类（二）支承件的截面形状和选择最小重量条件下，最大静刚度 支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷 自身刚度主要考虑弯曲刚度和扭转刚度 在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。 材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。（二）支承件的截面形状和选择1）空心截面的刚度都比实心的大2
4、）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低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（三）支承件肋板和肋条的布置1）空心截面的刚度都比实心的大2）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低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 在两壁之间起连接作用的内壁 肋板 肋板功用把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷 当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置肋板来提高支承件的自身刚度肋板布置的三种基本形式纵向肋板主要提高抗弯刚度横向肋板主要提高抗扭刚度斜向肋板兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果T型肋板：主要
5、提高水平面抗弯刚度，对提 高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度作用不明 显。多用在刚度要求不高的床身上。 C图的肋板在垂直面和水平面的抗弯刚度都 比A图好。 W型布置能较大的提高水平面的抗弯、抗 扭刚度。 D图自由排屑，提高刚度。肋条配置与某一内壁上，主要为减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度（四）合理选择支承件的壁厚减轻机床重量，壁厚根据工艺上的可能选择得薄些。C =（2L+B+H）/3三、支承件的材料 支承件的重量在机床总重量中占有很大比重，因 此必须合理选择材料。 支承件的材料，主要为铸铁和钢 铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸 铁的牌号应根据导轨的要求选择 如果导轨是镶装上去
6、的，或者支承件上没有导轨 ，则一般可采用HT150 如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q235AF或 Q275钢（一）铸铁 铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸 铁的牌号应根据导轨的要求选择 如果导轨是镶装上去的，或者支承件上没有导轨 ，则一般可采用HT150（二）钢板焊接结构 如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q235AF或 Q275钢（三）支承件的其它材料 预应力钢筋混凝土支承件(主要为床身、立柱、 底座等）近年来有较大的发展。混凝土的比重 是钢的13，弹性膜量是钢的110115， 阻尼高于铸铁，适合于制造受载均匀，截面积 大、抗振性要求较高的支承件。 采用钢筋混凝土可节约大量钢材，
7、降低成本。 但钢筋混凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支 承件连接刚度不足等问题，有待进一步研究解 决。 四、提高支承件结构性能的措施（一）提高支承件的静刚度和固有频率根据支承件受力情况合理地选择支承件的材料、截 面形状和尺寸、壁厚，合力地布置肋板和肋条， 提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。（二）提高动态特性1.改善阻尼特性2.采用新材料制造支承件四、提高支承件结构性能的措施（三）提高热稳定性1.控制温升2.采用热对称结构3.采用热补偿装置第八节 导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求（一）导轨的功用和分类 功用:承载和导向 在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动 动导轨运动的一方 支承
8、导轨不动的一方 只有一个自由度 直线或回转运动 导轨可按下列性质分类： 1）按工作性质可分为：主运动导轨、进给运动导轨、调位导轨 调位导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动 例如车床尾架用的导轨2）按摩擦性质分滑动导轨滚动导轨 滑动导轨：混合摩擦导轨边界摩擦导轨液体动压导轨液体静压导轨 滚动导轨：滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨按两导轨面间 的摩擦状态按滚动体3)按结构形式分开式导轨依靠外载荷和部件自重，使两 导轨面在全长上保持贴合的导轨 闭式导轨用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合的导轨（二）导轨应满足的基本要求 机床导轨的质量在一定程度上决定了 机床的加工精度工作能力使用寿命（1）
9、导向精度 导向精度：直线运动导轨的直线性圆周运动导轨的真圆性导轨同其它运动件之间相互位置的准确性 影响因素: 导轨的几何精度和接触精度结构形式导轨及其支承件的自身刚度油膜刚度热变形等（2）承载能力大，刚度好 足够的刚度（3）精度保持性 耐磨性 刚度不足，影响部件之间的相对位置精度和导轨 的导向精度，使导轨面上的比压分布不均，加剧 导轨的磨损 耐磨性导向精度能否长期保持 导轨耐磨性与导轨材料、导轨面的摩擦性质、导 轨受力情况及两导轨相对运动速度等有关。导向精度（4）低速运动平稳 保证在作低速运动或微量位移时运动始终平 稳。 影响：使加工表面粗糙度增大；定位运动时的不平稳，将降低定位精度 影响因素
10、：导轨的结构和润滑动、静摩擦系数的差值传动导轨运动的传动系统的刚度等（5）结构简单、工艺性好 在可能的情况下，应尽量使导轨结构简 单，便于制造和维护 对于刮研导轨，应尽量减少刮研量 对于镶装导轨，应做到更换容易二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（一）直线运动导轨的截面形状 截面形状：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形 导轨两大类凸形和凹形 凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动 凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置（一）直线运动导轨的截面形状1.矩形导轨 矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具 有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导
11、 轨面的误差不会相互影响，便于安装调整 侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装 置，因此导向性较差 适用于载荷较大而导向性要求不高的机床（一）直线运动导轨的截面形状2.三角形导轨 支承导轨为凸形时山形导轨 支承导轨为凹形时V形寻轨 三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自 动补偿，不影响导向精度 导向精度随顶角的增加而降低 承载面积随的增加而增加 通常取=90 大型或重型机床，可取=110120 精密机床，常取90（一）直线运动导轨的截面形状2.三角形导轨 支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存 留润滑油适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨 支承导轨为V形时，由于能得到较充足
12、的润滑，除用 于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导 轨，如龙门刨床床身导轨必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘（一）直线运动导轨的截面形状3.燕尾形导轨 燕尾形导轨结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩 磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚 性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂 一般用作中、低速的多层导轨（一）直线运动导轨的截面形状4.圆柱形导轨 圆柱形导轨制造简单 要求加工时就直接达到较高精度 磨损后很难调整和补偿间隙 圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受 轴向载荷的场合（二）回转运动导轨的截面形状平面环形导轨锥面环形导轨1.平面环形导轨 平面环形导轨： 制造容易，热变形
13、后导轨仍能接触，只能承受 轴向力，不能承受径向力，需与带径向滚动轴 承的主轴相配合，来承受径向力 摩擦损失小，精度高，目前用得较多。 适用于大直径的工作台和转盘，如滚齿机、立 式车床导轨等。2.锥面环形导轨 能承受轴向力和较大的径向力，热变形也不影 响导轨接触，导向性比平面好， 但要保持锥面和主轴的同轴度较困难 母线倾斜角一般为30 常用于径向力较大的机床3.双锥面导轨（V型圆环导轨） V型圆环导轨能承受较大的轴向力、径向力和颠 覆力矩 能保持很好的润滑 制造较复杂 床身和工作台热变形不同时，两导轨面将不同 时接触 用于载荷大、速度高的立式车床（三）导轨的组合形式 从限制自由度的角度出发，采用
14、一条导 轨即可。 用一条导轨，移动部件无法承受颠覆力 矩 直线运动导轨一般由两条导轨组合 重型机床，常用三条或三条以上导轨的 组合1.双三角形导轨 导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较 好的精度保持性， 很难达到四个表面同时接触的要求，制造 困难 适用于精度要求较高的机床，如SG8630型 刀架导轨和Y3150E立柱导轨等2.双矩形导轨 具有较大的承载能力、制造调整比较简 单 导向性差，磨损后不能自动补偿，对加 工精度有较大影响 多用于普通精度机床和重型机床，如 X6132工作台导轨。 窄导向用一条导轨面的两侧面导向 导向精度高 宽导向用两条导轨面的两外侧面导向 3. 矩形和三角形导轨的组合
15、导向性好、刚度高、制造方便 应用最广泛 如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台 导轨、M1432A砂轮架导轨等。4.双燕尾形导轨 两个燕尾平面同时起导向及压板作用 一根镶条：调整各接触面的间隙 不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较 大 用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方 便和移动速度不大的场合 如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等 5.矩形和燕尾形导轨组合能承受较大力矩，间隙调整也比较方 便。多用于横梁、立柱、摇臂等的导轨，如 B2020型龙门刨床横梁导轨等。 6.双圆柱形组合：容易制造，耐磨性较好 ，但磨损后不易补偿。常用于仅受轴向力的场合，如压力机、 机械手的导轨。（四）导轨间隙的调整 导轨接合面之间都存在间隙 间隙过小，增加运动阻力，加速导 轨磨损 间隙过大，降低导向精度，容易产 生振动 调整方法：压板和镶条1压板 压板用于调整间隙和承受颠覆力矩2镶条。镶条用来调
