机床课件第11章 支承件

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1、南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计第十一章第十一章 支承件支承件内容：机床支承件的功用、分类、应满足的要求；支承件的受力分析、结构设计。要求：对机床大构件具有结构分析及初步的设计能力。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计第一节第一节 支承件应满足的要求和设计步骤支承件应满足的要求和设计步骤u支承件：是机床的基础构件，包括床身、立 柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体 和升降台等。也称为“大件”。u作用：承载 和作为基准。支承其它机床 零部件，保持 它们的相对位 置，承受各种 切削力等。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计二、对支承件的基本要求二、对支承件的基本要求1、使

2、用要求安装其它零部件、排屑畅通、吊运安全。2、工艺要求便于制造和装配。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计3、性能要求 （1）应具有足够的静刚度、较高的刚度重量比。（2）应具有较好的动态特性。 支承件的固有频率不致与激振频率重合而产生共 振； 应具有较大的动刚度（激振力的副值与振副之比）、较大的阻尼，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，受迫振动的振幅较小。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计（3）应具有较好的热变形特性。设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加 工精度的影响。 散热、隔热。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工 致冷、隔离热源。 均热。 采用：“热对称”等结构，

3、使热变形对 精度的影响较小。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计二、重要支承件的设计步骤二、重要支承件的设计步骤1、进行受力分析。2、初步决定其形状和尺寸。3、进行验算。4、修改、对比，选择最佳方案。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计第二节第二节 支承件的静力分析支承件的静力分析一、根据机床所受的载荷的特点分类 1中、小型机床：载荷以切削力为主。重量（工 件、移动部件）忽略不计。如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。 2精密和高精度机床：载荷以移动件的重力和热 应力为主。切削力较小（因以精加工为主）忽略不 计。如双柱立式坐标镗床等。 3大型机床：载荷必须同时考虑工件重力、切削 力

4、和移动件的重力。如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计二、根据支承件的形状分类二、根据支承件的形状分类1、梁类件：一个方向的尺寸比另外两个方向 的大得多的零件。如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。2、板类件：两个方向的尺寸比第三个方向的大得多的零件。如底座、工作台、刀架等。3、箱形件：三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台等。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计三、摇臂钻床受力分析三、摇臂钻床受力分析 （仅分析切削载荷（仅分析切削载荷: :切削转切削转 矩矩T T 、进给力、进给力 Ff）立柱和摇臂梁类件； 底座板类件； 主轴箱箱形件。 南

5、昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计1 1、摇臂的受力分析、摇臂的受力分析 （1）yz平面内：最大弯矩M1=FfL，使摇臂产生弯曲变形。（2）xz平面内:绕y轴的扭矩 M2= Ffe，使摇臂产生扭转变形 。（3）xy平面内：切削转矩T作用于摇臂，产生弯曲变形。但T比Ff要小得多。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计结论：摇臂所受的载荷，主要是：竖直(yz)面内的弯矩M1；绕y轴的扭矩M2。这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使主轴偏离其正确位置。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计2 2、立柱

6、的受力分析、立柱的受力分析 l立柱分内外两层。l摇臂沿外柱升降，并连同外柱绕内柱转动。摇臂与外柱在上 、下两圈D、E处接触。工作时，内、外 柱之间在F处夹紧。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计(1)(1)外柱的受力分析外柱的受力分析 n摇臂作用于外柱的，可 看作是由D、E点处两个集中力组成的力偶。 yz平面内：弯矩 M1=FfL xz平面内：弯矩M2= Ffe 切削转矩T使外柱扭转，扭矩作用于E与F之间。通常这个扭转变形不大，可 以忽略。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计(2)(2)内柱的受力分析内柱的受力分析 n受力情况与外柱相似 yz和xz面内的弯曲；从夹紧点F至根部之间的

7、扭转。扭转变形不大，可以忽略。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计结论： 立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱的弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。 立柱的形状往往是圆形的，故Ml、M2两个力矩中，只需考虑大的一个，一般为Ml =FfL。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计四、普通车床床身受力分析四、普通车床床身受力分析 卧式车床床身在切削力作用下主要产生 的变形是垂直和水平面内的弯曲变形，及 由在垂直和水平方向的扭矩联合作用下的 扭转变形。 在弯曲变形中，水平面内的弯曲对加工 精度的影响比垂直面内的弯曲要大。对于 较长的床身，扭转变形对加工精度的影响 最大。南昌大学机电工程学院 制

8、造技术装备机床设计第三节第三节 支承件的静刚度支承件的静刚度 例：床身床身载荷是通过导轨面施加到床身上去的。 变形包括床身自身的变形，导轨部分局部的变 形，导轨表面的接触变形。支承件的变形自身变形 局部变形 接触变形南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计1 1、自身刚度、自身刚度（1）自身刚度：在外载荷作用下，支承件本 体抵抗变形的能力。（2）自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转 刚度。 （3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、隔板的布置等。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计2 2、局部刚度、局部刚度（1）局部刚度：抵抗局部变形的能力。（2）局部变形发生在载荷集中的地方。（3）局部

9、刚度与支承件局部受载荷处的结构、 尺寸等有关。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计3 3、接触刚度、接触刚度 （1）接触刚度：支承件的结合面在外载荷的作用下抵抗接触变形的能力。（2）两个平面接触，平面有一定的宏观不平度，因而实际接触面积只是名义接触面积的一部 分；由于微观不平，真正接触的只是一些高点 。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计（3）接触刚度与自身刚度的不同点接触刚度与自身刚度的不同点 接触刚度Kj (Mpa/um)是平均压强p与变形之 比。Kj不是一个固定值，与p的关系是非线性的。 当压强很小时，两个面之间只有少数高点接触，接触刚度较低。 当压强较大时，这些高点产生了变

10、形，实际接触面积增加，接触刚度提高。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计（4）支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响。 如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强的分布基本上是均匀的，接触刚度也较高。 如自身刚度或局部刚度不足，则在集中载荷作用下，构件变形较大，使接触压强分布不均，使接触变形分布也不均，降低了接触刚度。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计第四节第四节 支承件的结构设计支承件的结构设计在支承件的结构设计中，应采取适当措施，提高支承件的自身刚度、局部刚度和接触刚 度。 一、提高支承件自身刚度的措施 正确选择支承件形状和尺寸 合理布置隔板 合理开窗、加盖 南昌大学机电工

11、程学院 制造技术装备机床设计一、提高支承件自身刚度的措施一、提高支承件自身刚度的措施 1、正确选择支承件形状和尺寸(1) 支承件的变形，主要是弯曲和扭转，与截面惯性矩有关，即与截面形状有关。(2) 材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。 (3) 提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。 表11-2，截面积近似为10000mm2、八种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计结论结论（1）截面积相同时，空心截面的刚度大于实心的。 （2）加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度 。（3）抗弯刚度：矩形方形园

12、形，抗扭刚度：园形方形矩形。（4）不封闭的截面比封闭的截面，刚度显著下降。特别是抗扭刚度，下降更多 。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计例：设计摇臂钻床支承件的原则例：设计摇臂钻床支承件的原则 （1）摇臂：主要是竖直(yz)面内的弯矩M1=FfL、绕y轴的扭矩M2=Ffe，以M1为主。因此形状选择原则： 截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。 竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，这两个方向的尺寸不宜相差太大。 摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐减小，故摇臂的截面也是越靠近根部越大。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计（2 2）内柱）内柱 主要承受（yz和xz面内的）弯

13、矩，越靠近下支承点F处，弯矩越大。F处到根部弯矩不变。 故内立柱在上、下支承间一段CF应上细下粗。F处到根部可做成等截面。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计（3）外柱 为摇臂升降的导向面，故常制成圆柱形。（4）主轴中心与摇臂的中心面越近，则力臂e越小，扭矩M2=Ffe也越小。所以设计主轴箱时应使主轴中心尽量接近导轨。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计2 2、合理布置隔板、合理布置隔板（1）隔板：在支承件两外壁间起连接作用的内壁。（2）隔板的作用：把作用于支承件局部地区的载荷传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载 荷，提高支承件的自身刚度。 （3）当支承件不能做成封闭的截形时，

14、则在其内部设置隔板，以提高自身刚度。设置隔板是提高刚度的有效方法之一，其效果比增加壁厚更为 显著。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计3 3、合理开窗和加盖、合理开窗和加盖(1)支承件外壁开窗孔，会降低抗弯、抗扭刚度 ，其中抗扭刚度降低更大。应避免在主要承受 扭矩的支承件上开孔。 (2)对抗弯刚度，于弯曲平面垂直的壁上的窗孔 ，影响最大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔， 比宽壁上的影响大。 (3)窗孔应靠近支承件的几何中心线附近，孔宽 或孔径不超过支承件宽度的0.25倍。(4)窗孔边缘厚一些(翻边)，工作时加盖，并用 螺钉上紧，可补偿一部分刚度的损

15、失。 南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计二、提高局部刚度的措施二、提高局部刚度的措施1、合理选择连接部位的结构(1) 设图a的一般凸缘连接，相对连接刚度为1.0(2) 图b：有加强肋的凸缘连接为1.06(3) 图c：凹槽式为1.80(4) 图d：U型加强肋结构为1.85南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计2 2、注意局部过渡、注意局部过渡例：车床床身，由于床身的基本部分较薄而导 轨较厚，如设计成图11-8a的形状，则在载荷F的作用下，导轨处易发生局部变形。采用加厚的过渡壁，并加肋(图b)，可显著地提高导轨处的局部刚度。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计3 3、合理配置加强肋（筋）、合理配置加强肋（筋） (1)有些支承件的内部要安装其它机构，不但不能封闭，即使安装隔板也会有所妨碍，这时采用加强肋来提高刚度。(2)合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法。(3)加强肋的高度可取为壁厚的45倍，厚度与壁厚之比为081。南昌大学机电工程学院 制造技术装备机床设计例例图a的肋用来提高轴承座处的局部刚度；图b和图c为当壁板面积大于400400mm2时，为避免薄壁振动而在壁板内表面加的肋。其作用在于提高壁板的抗弯刚度。图d为立柱内的环形肋，主要