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1、机座的结构设计机座的材料和时效处理 1.机座的材料：机座材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求正确选择，常用的有： (1)铸铁：容易铸成形状复杂的零件；价格较便宜；铸铁的内摩擦大，有良好的抗振性。其缺点是生产周期长，单件生产成本较高；铸件易产生废品，质量不易控制；铸件的加工余量大，机械加工费用大。 常用的灰口铸铁有两种：HT200适用于外形较简单，单位压力较大（p5公斤/厘米2）的导轨，或弯曲应力较大的（300公斤/厘米2）床身等；HT150的流动性较好，但机械性能稍差，适用于形状复杂而载荷不大的机座。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，应采用耐磨铸铁。 (2)钢：用钢材焊接成机架。
2、钢的弹性模量比铸铁大，焊接机架的壁厚较薄，其重量比同样刚度的机座约轻20%50%；在单件小批量生产情况下，生产周期较短，所需设备简单；焊接机架的缺点是钢的抗振性能较差，在结构上需采取防振措施；钳工工作量较大；成批生产时成本较高。 2.机座的时效处理 制造机座时，铸造（或焊接）、热处理及机加工等都会产生高温，因各部分冷却速度不同而收缩不均匀，使金属内部产生内应力。如果不进行时效处理，将因内应力的逐渐重新分布而变形，使机座丧失原有的精度。 时效处理就是在精加工之前，使机座充分变形，消除内应力，提高其尺寸的稳定性。常见的方法有自然时效、人工时效和振动时效等几种，其中以人工时效应用最广。 机座的结构设
3、计 1. 机座的典型结构 (1)方形截面机座 结构简单，制造方便，箱体内有较大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷较小的场合。所以机座应选择合适的壁厚、筋板和形状，以保证在重力、惯性力和外力的作用下，有足够的刚度。见图21-1。 (2)圆形截面机座 结构简单、紧凑，易于制造和造型设计，有较好的承载能力。 (3)铸铁板装配式机座 铸铁板装配结构，适用于局部形状复杂的场合。它具有生产周期短、成本低以及简化木模形状和铸造工艺等优点。但刚度较整体箱体机座的差，且加工和装配工作量较大。 2.截面形状的选择 为保证机座的刚度和强度，减轻重量和节约材料，必须根据设备的受力情况，选择经济合理的截面形状
4、。机座虽受力较复杂，但不外是拉、压、弯、扭的作用。当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关，而与截面形状无关，设计时主要是选择合理的尺寸。如果受弯、扭作用时，变形与截面形状有关。 在其它条件相同情况下，抗扭惯性矩Ic越大，扭转变形越小，抗扭刚度越大。表21.1是面积相同的，各种截面形状与惯性矩的比较。 从表中可以看出： 1）空心结构的刚度比实心结构的刚度大； 2）封闭圆形截面的抗扭刚度好，而封闭方形截面的抗弯和抗扭都较好； 3）加大横截面轮廓尺寸和减小壁厚时，可提高刚度。 3.隔板与加强筋 封闭空心截面的刚度较好，但为了铸造清砂及其内部零部件的装配和调整，必须在机座壁上开窗口，其结果使机座整体
5、刚度大大降低。若单靠增加壁厚提高刚度，势必使机座笨重、浪费材料，故常用增加隔板和加强筋来提高刚度。 加强筋常见的有直形筋、斜向筋、十字筋和米字筋四种（如图21-2）。直形筋的铸造工艺简单，但刚度最小；米字筋的刚度最大，但铸造工艺最复杂。 加强筋和隔板的厚度，一般取壁厚的0.8倍。 图21-24.连接刚度 为提高结合表面的连接刚度，可采取如下措施： 1）根据受力大小和方向，合理选择紧固螺钉的直径、数量及其位置。必要时，可使螺钉产生预紧力，来提高连接刚度。 2）提高结合表面的光洁度和形状精度，使结合表面上的接触点增多，从而提高结合面的接触刚度。 3）增加局部刚度来提高连接刚度，如图21-3，在安装
6、螺钉处加厚凸缘；或用壁龛式螺钉孔；或用加强筋等办法增加局部刚度，从而提高连接刚度。 5.结构的工艺性 机座属于箱体类零件，体积大，结构复杂，成本较高。设计时，应使其具有良好的结构工艺性，以便于制造和降低成本。箱体的结构设计1.箱体的主要功能 (1)支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 (2)安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 (3)使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。 (4)改善机器造型
7、，协调机器各部分比例，使整机造型美观。 2.箱体的分类 按箱体的功能可分为： (1)传动箱体，如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传动件及其支承零件，这类箱体要求有密封性、强度和刚度。见图21-6。 (2)泵体和阀体，如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量大小或改变液体压力。这类箱体除有对前一类箱体的要求外，还要求能承受箱体内液体的压力。 (3)支架箱体，如机床的支座、立柱等箱体零件，要求有一定的强度、刚度和精度，这类箱体设计时要特别注意刚度和外观造型。 按箱体的制造方法分，主要有： (1)铸造箱体，常用的材料是铸铁，有时也用铸钢、铸铝合
8、金和铸铜等。铸铁箱体的特点是结构形状可以较复杂，有较好的吸振性和机加工性能，常用于成批生产的中小型箱体。 (2)焊接箱体，由钢板、型钢或铸钢件焊接而成，结构要求较简单，生产周期较短。焊接箱体适用于单件小批量生产，尤其是大件箱体，采用焊接件可大大降低成本。 (3)其它箱体，如冲压和注塑箱体，适用于大批量生产的小型、轻载和结构形状简单的箱体。 2 设计的主要问题和设计要求 箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系，如车床按两顶尖要求等高，确定箱体的形状和尺寸，此外还应考虑以下问题： 1.满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件，满足强度是一个重要问题；但对于大多数箱体，评定性能的主
9、要指标是刚度，因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。 2.散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能；温度升高使箱体产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力，对箱体的精度和强度有很大的影响。 3.结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。 4.工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 5.造型好、质量小。 设计不同的箱体对以上的要求可能有所侧重。 3箱体结构设计 箱体的形状和尺寸常由箱体内部零件及内部零件间的相互关系
10、来决定，决定箱体结构尺寸和外观造型的这一设计方法称为结构包容法，当然还应考虑外部有关零件对箱体形状和尺寸的要求。 箱体壁厚的设计多采用类比法，对同类产品进行比较，参照设计者的经验或设计手册等资料提供的经验数据，确定壁厚、筋板和凸台等的布置和结构参数。对于重要的箱体，可用计算机的有限元法计算箱体的刚度和强度，或用模型和实物进行应力或应变的测定，直接取得数据或作为计算结果的校核手段。 1.箱体的毛坯、材料及热处理 (1)箱体的毛坯：选用铸造毛坯或焊接毛坯，应根据具体条件进行全面分析决定。铸造容易铸造出结构复杂的箱体毛坯，焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较困难实现薄壁和大平面。 焊接箱体一般比铸
11、造箱体轻，铸造箱体的热影响变形小，吸振能力较强，也容易获得较好的结构刚度。 (2)箱体的材料和热处理 箱体的常用材料有： 铸铁 多数箱体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小，容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。具体牌号查阅有关手册。 铸造铝合金 用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 钢材 铸钢有一定的强度，良好的塑性和韧性，较好的导热性和焊接性，机加工性能也较好，但铸造时容易氧化与热裂。箱体也可用低碳钢板和型钢焊接而成。 箱体的热处理： 铸造或箱体毛坯中的剩余应力使箱
12、体产生变形，为了保证箱体加工后精度的稳定性，对箱体毛坯或粗加工后要用热处理方法消除剩余应力，减少变形。常用的热处理措施有以下三类： A)热时效。铸件在500600C下退火，可以大幅度地降低或消除铸造箱体中的剩余应力。 B)热冲击时效。将铸件快速加热，利用其产生的热应力与铸造剩余应力叠加，使原有剩余应力松弛。 C)自然时效。自然时效和振动时效可以提高铸件的松弛刚性，使铸件的尺寸精度稳定。 2.箱体结构参数的选择 (1) 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表21-2中选取，表中N用下式计算： N=（2L+B+H）/3000 （mm） 式中L-铸件长度（mm），L、B、H中，L为最大值； B
13、-铸件宽度（mm）； H-铸件高度（mm）； 表21-2 铸造箱体的壁厚 仪器仪表铸造外壳的最小壁厚参考表21-3选取 (2)加强筋 为改善箱体的刚度，尤其是箱体壁厚的刚度，常在箱壁上增设加强筋，若箱体中有中间短轴或中间支承时，常设置横向筋板。筋板的高度H不应超过壁厚t的（3-4）倍，超过此值对提高刚度无明显效果。加强筋的尺寸见表21-4。 (3)孔和凸台 箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，从机加工角度要求，单件小批量生产时，应尽可能使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径，这有利于刀具的进入和退出。箱体壁上的开孔会降低箱体的刚度，实验证明，刚度的降低程度与孔的面积大小成
14、正比。 在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度；同时可以减少加工面。当凸台直径D与孔径d的比值D/d2和凸台高度h与壁厚t的比值t/h2时，刚度增加较大；比值大于2以后，效果不明显。如因设计需要，凸台高度加大时，为了改善凸台的局部刚度，可在适当位置增设局部加强筋。见图21-8。 图21-8(4)连接和固定 箱体连接处的刚度主要是结合面的变形和位移，它包括结合面的接触变形，连接螺钉的变形和连接部位的局部变形。为了保证连接刚度，应注意以下几个方面的问题： 1)重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2um，接触表面粗糙度值越小，则接触刚度越好。 2)合理选择联结螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。为了保证结合面之间的压强，又不使螺钉直径太大，结合面的实际接触面积在允许范围内尽可能减小。如图19-9。 3)合理设计联结部位的结构，联结部位的结构及特点及应用见表21-5。 表21-5 1骄阳书屋#
