2017机械制造装备设计v30-第11章

机械制造装备设计（ManufacturingEquipmentDesign）[e-mail]机械类专业必修课机械制造装备设计2机械制造装备设计机床概述运动分析典型机床车床齿轮加工机床其他机床机床设计总体设计运动系统主传动系统设计进给传动系统设计控制系统关键组件主轴组件导轨支承件第十一章支承件3第十一章支承件主要内容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。基本要求对机床大构件具有结构分析及初步的设计能力。4第十一章支承件第一节支承件应满足的要求和设计步骤第二节支承件的静力分析第三节支承件的静刚度和形状选择的原则第四节支承件的动态特性第五节支承件的热变形特性第六节结构计算的有限元法简介511.1支承件应满足的要求和设计步骤支承件，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”。611.1支承件应满足的要求和设计步骤支承件根据其形状，可分为三大类：（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。7立柱摇臂11.1支承件应满足的要求和设计步骤支承件根据其形状，可分为三大类：（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。8底座工作台11.1支承件应满足的要求和设计步骤支承件根据其形状，可分为三大类：（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。9主轴箱11.1支承件应满足的要求和设计步骤功用：承载和作为基准。支承其上的其他零部件保证并保持各零部件的相互位置和相对运动关系承受切削力、摩擦力、夹紧力等载荷有时容纳变速机构、电动机、电气箱、切削液、润滑油等10一、对机床支承件的基本要求11.1支承件应满足的要求和设计步骤11自身刚度局部刚度接触刚度基本要求其他方面内应力热变形抗振性静刚度具有足够的静刚度和较高的刚度—重量比抵抗受迫振动抵抗自激振动具有较好的热变形特性。具有较小的内应力。排屑、操纵、油液回收、加工及装配工艺性、吊装等。11.1支承件应满足的要求和设计步骤一、对机床支承件的基本要求(一)应具有足够的静刚度和较高的刚度/重量比。设计时应在满足刚度的基础上，减轻机床重量节约原材料，降低机床造价。(二)应有较好的动态特性。这包括有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串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。(三)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、表面质量的影响较小。(四)应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布置液压，电气等器件，并具有良好的工艺性，便于制造和装配。1211.1支承件应满足的要求和设计步骤二、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1311.2支承件的静力分析14类型载荷机床中、小型机床以切削力为主中型车床、铣床、钻床、加工中心等精密和高精度机床以移动件的重力和热应力为主双柱立式坐标镗床等大型机床同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等以摇臂钻床为例，进行切削载荷分析见图11-1。11.2支承件的静力分析摇臂钻床受力分析（仅分析切削载荷:切削转矩T、进给力Ff）15立柱和摇臂——梁类件；底座——板类件；主轴箱——箱形件。11.2支承件的静力分析摇臂钻床受力分析1611.2支承件的静力分析卧式车床床身的受力分析1711.3支承件的静刚度和形状选择的原则一、支承件的静刚度支承件的变形一般包括三个部分：自身变形、局部变形和接触变形。例如床身，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。床身如果设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨处的局部变形就会相当大。车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占相当大的比重。1811.3.1支承件的静刚度1．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。自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚度。摇臂钻床的摇臂，主要考虑竖直（yz）面内z向的弯曲刚度和扭转刚度。车床的床身，主要考虑水平（xz）面内x向的弯曲刚度，竖直（yz）面内y向的弯曲刚度和扭转刚度。（2）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、隔板的布置等。1911.3.1支承件的静刚度2．局部刚度（1）局部刚度：抵抗局部变形的能力。20导轨部位溜板箱使得导轨产生局部变形（2）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸等有关。11.3.1支承件的静刚度3．接触刚度两个平面接触，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。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。2111.3.1支承件的静刚度①接触刚度Kj(Mpa/um)是平均压强p与变形δ之比。②Kj不是一个固定值，δ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，这些高点产生了变形，实际接触面积增加，接触刚度提高。2211.3.1支承件的静刚度支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布影响。①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。②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。2311.3.3支承件形状选择的原则(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，截面积近似地皆为10000mm2八种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。2411.3.3支承件形状选择的原则25不同截面的抗弯抗扭惯性矩11.3.3支承件形状选择的原则从表中可看出：1）无论圆形、方形或矩形，都是空心截面的刚度比实心的大，因此，床身截面应作成中空形状。2）保持横截面不变，加大外廓尺寸，减少壁厚，可提高截面抗弯、抗扭刚度。3)封闭截面比不封闭截面刚度大。2611.3.3支承件形状选择的原则从表中可看出：4)圆形截面的抗扭刚度好，而抗弯刚度较差；而方形截面正相反。5)矩形截面的抗弯刚度＞方形截面。因此，以承受弯矩为主的支承件截面应采用矩形。27抗扭抗弯0.881.01.041.0惯性矩相对值截面形状51序号抗扭抗弯0.881.01.041.0惯性矩相对值截面形状51序号11.3.3支承件形状选择的原则结论（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：矩形方形圆形，抗扭刚度：圆形方形矩形。（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。2811.3.4窗孔为了安装机件或清砂，立柱上往往需要开窗孔。窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。2911.3.4窗孔为了安装机件或清砂，立柱上往往需要开窗孔。窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。(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，与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，比较宽壁上的影响大。(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失。3011.3.5提高自身刚度-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，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。3111.3.5提高自身刚度-隔板32T形肋联接，主要提高水平面抗弯刚度，多用在刚度要求不高的机床上，结构简单，铸造工艺性好。门形肋板具有一定的宽度和高度，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比前一种好，铸造工艺性也不差，多应用于大中型车床上。斜形肋板在床身的前后壁间呈W形布置，能较好地提高水平面内的抗弯、抗扭刚度，但铸造较困难，只在长床身中才采用。11.3.6提高局部刚度1.合理选择连接部位的结构33图示相对连接刚度一般凸缘连接1.0加强筋的凸缘连接1.06凹槽式1.80U型加强筋结构1.8511.3.6提高局部刚度2、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。3411.3.6提高局部刚度3、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4～5倍，厚度与壁厚之比为0.8～1。3511.3.7提高接触刚度1、提高结合面质量导轨面、重要的固定结合面必须磨配或刮配。2、合理选择螺钉尺寸、数量和布置固定螺钉应在接触面上造成一个预压力。通常应使接触面间的平均预压压强约为2MPa。3611.3.8壁厚的选择支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。按照目前的工艺水平，砂模铸造铸铁件的外壁厚可根据当量尺寸C(m)按表11-3选择。式中：L、B、H——铸件的长、宽、高（m）3711.3.9材料和时效处理1、支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。（一）铸铁铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。3811.3.9材料和时效处理1、支承件的材料（二）钢板焊接结构制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻。3911.3.9材料和时效处理（三）预应力钢筋混凝土抗振性好，成本低。4011.3.9材料和时效处理（四）天然花岗岩性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工方便。4111.3.9材料和时效处理（五）树脂混凝土刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能。4211.3.9材料和时效处理2、支承件的时效处理铸铁和钢质的支承件需要进行时效处理，以消除内应力。时效处理：自然时效、人工时效、振动时效。普通精度机床的支承件：粗加工后进行一次时效。精密机床的支承件：粗加工前、后各一次。高精度机床的支承件：进行热时效处理后，进行天然时效处理——把铸件堆放在露天一年左右，让它们充分地变形。4311.3.10工艺性铸件要尽量形状简单，壁厚均匀，拔模容易，拐角要圆滑过渡焊接件设法减少焊接变形，尽量不仰焊加工平面尽可能设在一个平面内，以便于加工4411.4支承件的动态特性动态特性一般包括三方面问题：1)共振问题在工作时支承件的固有频率不能与激振频率相重合，应避免发生共振现象。2)动力响应问题支承件应具有较高的动刚度（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）和较大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振动的振幅较小。3)切削稳定性问题抵抗切削自激振动的能力，研究支承件动态特性就要对切削稳定性进行分析。4511.4支承件的动态特性一、支承件固有频率和振型分析支承件动态特性时，通常可将支承件简化为一个多自由度的系统，多自由度系统的固有频率和主振型，是通过求解系统的无阻尼自由振动方程得到。1.多自由度系统的固有频率和主振型图a所示的振型，其固有频率比图b所示的低。因此，图a为第一阶振型，其固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态；图