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1、机械制造技术装备及设计4-5,机电工程学院 制造工程系,第五章 支承件设计,第一节 概 述,一、支承件的功用 支承件是机床的基本构件，主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。这些大件的作用是支承其它零部件，保证它们之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。机床切削时，支承件承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力等。 机床中的支承件有的互相固联在起，有的在导轨上作相对运动。导轨常与支承件做成一体，也有采用装配、镶嵌或粘接方法与支承件相联接。,二、支承件的基本要求 1刚度 刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力； 2抗振性 抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能
2、力； 3热变形 热变形影响机床的工作精度和几何精度； 4内应力 支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，并应在焊，铸等工序后进行失效处理； 5其它 支承件还应使排屑通畅，操作方便，调运安全，等。,三、支承件的静力分析,图 4.5-1 普通车床的受力分析,切削力分解为三个分力：Px、Py、Pz作用在离主轴端部x处直径为d的工件上。根据力的平衡，求出床头箱支反力，尾架顶尖上的支反力及主轴端拨盘上的扭矩,第二节 支承件的静刚度与结构设计,一、支承件的静刚度 支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和接触变形。,1提高支承件自身刚度 1) 正确选择支承件的截面和尺寸 支承件抵抗自身变形的
3、能力称为支承件的自身刚度，主要决定于支承件的材料、形状、尺寸和筋板的布置等。 对于同一材料，截面积相当而形状不同时，截面惯性矩相差很大，合理选择截面可提高支承件自身刚度。 惯性矩是一个物理量，通常被用作述一个物体抵抗扭动，扭转的能力。惯性矩的国际单位为千克乘以平方米(kgm2)。,各种截面的惯性矩比值,空心截面的惯性矩比实心的大。因此，在工艺可能的条件下应尽量减薄壁厚。一般不用增加壁厚的办法来提高自身刚度。 方形截面的抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度较低。若支承件所承受的主要是弯矩，则应取方形或矩形为好。环形的抗扭刚度比方形、方框形与长框形的大 不封闭的截面比封闭的截面刚度低得多，特别是抗扭刚度
4、下降更多,2) 合理布置隔板,a 所示为床身前后壁用“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。但这种床身结构简单，铸造工艺性好。 b 为“”形隔板，“”形架具有一定的宽度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，在大中型车床上应用较多。 c 为W形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著。 d 床身刚度最高，排屑容易。,3) 合理开窗和加盖,图 4.5-3 开孔和加盖对刚度的影响,为了安装机件或清砂，支承件壁上往往需要开窗孔。窗孔对刚度有影响，因而开窗孔后加
5、盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度。,2提高支承件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。连接刚度与连接处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法等有关。,a 的刚度较低， b 的刚度较高， c 最高,连接结构的受力和变形情况,翻边式和壁龛式刚度比较,图4.5-5 凸缘设计对刚度的影响,支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件局部刚度。这种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和尺寸等有关。 合理设置加强筋是提高局部刚度的有效途径。,二、支承件的结构设计 1支承件形状和尺寸的确定 1) 卧式床身 卧式床身
6、有3种结构形式：中小型车床床身，是由两端的床腿支承；对于大型卧式车床镗床、龙门刨床、龙门铣床等的床身，是直接落地安装在基础上；有些仿形和数控车床，则是采用框架式床身。 床身截面形状主要取决于刚度要求、导轨位置、内部需安装的零部件和排屑等。,a、b、c主要用于有大量切屑和冷却液排除的机床 a为前后壁之间加隔板的结构形式，用于中小型车床，刚度较低。 b为双重壁结构，刚度比图a高些。,c 所示的床身截面形状是通过后壁的孔排屑，这样床身的主要部分可做成封闭的箱形，刚度较高。,d、e、f 三种截面形式，可用于无排屑要求的床身 d主要用于中、小型工作台不升降式铣床、龙门刨床、插床和镗床的床身。 e床身内部
7、可安装尺寸较大的机构，也可兼作油箱，但切屑不允许落入床身内部。 f 是重型机床的床身，导轨可多达45个。,数控车床斜床身,加工中心床身,滚齿机大立柱和床身截面,2) 立柱 立柱可看作立式床身，其截面有圆形、方形和矩形 立柱所承受的载荷有2类：一类是承受弯曲载荷，载荷作用于立柱的对称面，如立式钻床的立柱；另一类承受弯曲和扭转载荷，如铣床、镗床的立柱。 圆形截面，抗弯刚度较差，主要 用于运动部件绕其轴心旋转以及 载荷不大的场合。 矩形截面，用于以弯曲载荷为主， 载荷作用于立柱对称面且较大的 场合，轮廓尺寸比例一般为h/b= 23。,方形截面，用于受有两个方向的弯曲和扭转载荷的立柱。截面尺寸比例h/
8、b1，两个方向的抗弯刚度基本相同，抗扭刚度也较高。,3) 横梁和底座,管式结构加工中心机床 （1979年美国专利） 床身底座、立柱为焊接件,水平床身为管形结构,框架结构,德国Bochringer公司PN系列数控车床床身底座 铸造结构：焊接结构：混凝土结构=1：0.53：3.14,大型车床钢板混凝土结构 （苏联设计）,2支承件材料的选择及时效处理 1) 铸铁 一般支承件都用灰铁制成。铸铁铸造性能较好，容易获得复杂结构的支承件，铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，振动的衰减性能好，成本低。铸件的周期较长，有时易产生缩孔，气泡等缺陷。 HT200 为级铸铁，用于外形简单和弯曲应力，压应力较大的支承件； H
9、T150 为级铸铁，铸造性能好而力学性能差，适用于精密机床，形状复杂及载荷不大的座身，底座也多采用级铸铁； HT100 为级铸铁，其力学性能较差，一般多用于镶嵌导轨的支承件。 2） 钢焊接结构 钢材的强度比铸铁高，弹性模量约为铸铁的1.5-2倍。支承件若用钢材焊接而成，质量可减轻20%50%，且可使固有频率提高。生产周期短，又不易出现废品。 对于大型和重型机床等有广泛应用。 3） 天然花岗岩 4） 预应力钢筋混凝土 5） 聚合物混凝土,3）时效处理 在铸造及焊接后因冷却收缩而产生内应力，且很均匀。时效处理方法有3种：即自然时效，人工时效和振动时效。 自然时效 指将铸铁毛坯或粗加工后的半成品在露
10、天存放3个月到几年，逐渐消除其内应力，使内部材料性能逐渐趋于稳定，然后进行加工。 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的速度缓慢冷却，以免产生新的内应力，冷却到400以下方可从炉中取出。 振动时效 指将激振器的激振器的激振频率调到等于零件一次弯曲振动的固有频率，使零件发生共振，其弯曲应力加上内应力将有一部分超过材料的屈服极限，使材料产生塑性变形而消除内应力。,第三节 支承件的动态特性,一、动态分析 1固有特性频率问题 研究为避免系统在工作时发生共振的动态分析 2. 动力响应问题 研究系统在外部激振力的作用下产生动力响应的情况 3. 动力稳定性问题 确定系统可能
11、发生自激振动的临界条件,二、固有频率和主振型 对于多自由度系统的固有频率和振型，是通过求解系统的无阻尼自由振动方程得到的。其运动方程为 式中 m 系统的质量矩阵； k 系统的刚度矩阵； x 系统的位移列阵； 系统的加速度列阵。 设方程的解为,求解可得n个固有角频率。将固有角频率按大小顺序排列，使nln2n3nn，其序号称为“阶”。 可求得响应的一个非零向量 , 它描绘了系统振动位移的一种形态，称为主振型。它只与系统本身的参数有关，而与其它条件无关。,三、提高支承件动态特性的措施 式中 A 振幅； F 激振力的幅值； K 系统静刚度； 激振角频率； n 固有角频率； 系统的阻尼比。 当=n时，将
12、产生共振，振幅 A = Amax，则,提高系统的静刚度和阻尼可以降低受迫振动的振幅。,采用阻尼减振器也是提高机床抗振性的措施之一 可采用调整固有频率的 方法降低振幅。 采用新材料,封沙结构,铸造砂芯封装结构,第四节 支承件的有限元计算简介,一、 划分单元 将支承件的连续结构作必要的简化，划分成一定数量的基本单元，通过结点相互连接，建立一个离散的模型。,二、 计算方法 可计算支承件的静刚度、动刚度、应力、应变及热特性。,第五节 支承件的动态试验简介,试验台与试验装置,各种激振装置,第六节 机床的安装,机床的垫脚和弹性垫脚,机床安装基础,Copyright by WQ Gao , GDUT 2005-2006,谢谢！,
