第三章_机床主要部件设计.

2019年12月19日机械制造装备设计第三章机床主要部件设计第二节支承件设计一、支承件的基本要求四、提高支承件静刚度的措施二、支承件的受力分析方式三、支承件的截面形状设计原则五、支承件的材料接触刚度指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。如导轨面产生接触变形。第二节支承件设计功用：相互连接构成机床基础，支承机床工作部件，承受载荷，以保证机床各部件的相对运动。一、支承件的基本要求1.具有足够静刚度和较高固有频率整体刚度（自身刚度）床身承受载荷产生整体弯曲变形。整体刚度与支承件材料以及截面形状、尺寸等影响惯性矩的参数有关。局部刚度指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。如导轨承受载荷产生局部变形。如卧式车床床身与导轨间的静刚度关系第二节支承件设计第二节支承件设计◆当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。◆当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。◆结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。小结接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的大小，材料硬度，接触面的压强等。接触刚度用结合面的平均压强p与变形量δ之比表示。其特性是：第二节支承件设计固有频率用刚度与质量之比表示，即20mK◆重点理解：当激振力频率ω接近固有频率ω0时，支承件将产生共振。因此，设计时要求：ωo1.3ω◆设计要点：在满足刚度的前提下，尽量减小支承件的质量m，提高固有频率ωo。2.良好的动态特性支承件有较高静刚度、固有频率、还应有较大阻尼，薄壁面积应小于400mm×400mm，避免薄壁振动。3.结构合理通过时效处理，能充分消除内应力，形状稳定。4.排屑畅通，工艺性好，成本低，吊运安装方便。第二节支承件设计机床支承件要承受切削力、零部件重量、传动力等载荷。支承件所承受的载荷不同，设计时分析其受力方式不同。1.中小型机床支承件受力分析以切削力为主。2.精密和高精度机床支承部件载荷以移动部件的质量和热应力为主。如：双柱立式坐标镗床的横梁，受力分析考虑主轴箱位于横梁中部时，横梁的弯曲和扭转变形。3.大型机床支承件受力分析应考虑工件重力，移动部件重力和切削力等。二、支承件的受力分析方式第二节支承件设计三、支承件的截面形状设计原则支承件变形主要是弯扭变形。且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。设计原则：◆截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大，满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。◆承受一个方向弯矩的支承件，当高度方向为受弯方向时，截面形状应为矩形。◆承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。◆承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。◆不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度，尽量将支承件制成封闭形状。◆截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。第二节支承件设计四、提高支承件静刚度的措施◆从抗弯刚度、铸造工艺、支承件功用综合考虑，支承件截面不能完全封闭，存在刚度损失。◆导轨与床身的过渡连接处存在局部刚度损失。◆箱体轴承孔处存在刚度损失。为什么要进行刚度补偿？第二节支承件设计纵向隔板应布置在弯曲平面内，即隔板的高度方向与作用力F的方向一致，如图。纵向隔板能提高抗弯刚度。1.隔板和加强肋（1）隔板（肋板）是连接外壁间的内壁。作用是将局部载荷传递给其它壁板，使整个支承件较均匀地承受载荷。纵向隔板第二节支承件设计无横向隔板时，相对抗扭刚度很低；增加一个端面横向隔板时，抗扭刚度成倍增加，均匀布置三个横向隔板后，抗扭刚度又成倍增加。支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。斜板是多个横隔板和纵隔板组合形成。支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度。斜向隔板横向隔板第二节支承件设计（2）加强肋（肋条）配置在外壁内侧或内壁上，其作用是加强局部刚度和减少薄壁振动。注意：肋条高应约为支承件壁厚的5倍。图a，用加强肋提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度。图b，用加强肋提高箱体轴承孔处的局部刚度。第二节支承件设计图c、d、e为工作台等板形支承件的加强肋。提高抗弯刚度，避免薄壁振动。第二节支承件设计2.支承件开孔后的刚度补偿立柱或横梁中为安装机件或工艺需要，需要开孔，从而造成抗扭、抗弯刚度的损失。（1）在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上。（2）也可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板。刚度补偿方法：第二节支承件设计3.提高接触刚度◆相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研，以增加接触面积。◆紧固螺栓应使结合面有2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大结合面积。◆结合面承受弯矩时，应使较多的紧固螺栓布置在受拉面，承受拉应力。◆结合面承受转矩时，螺栓远离扭转中心，均匀分布在四周。第二节支承件设计五、支承件的材料灰口铸铁的铸造、切削性能好，易得到复杂形状；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。（1）机床支承件常采用铸铁1.铸铁是加入少量的铬、硅、稀土等合金元素的灰口铸铁。（2）支承铸件消除应力的方式◆铸件壁厚不均匀，铸造冷却中产生铸造应力，铸造后应进行自然失效处理。◆精密机床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除铸造应力。◆床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。第二节支承件设计2.钢材特点及应用◆不用铸模，制作周期短。◆钢件抗弯刚度大于铸铁件。◆满足刚度要求时，钢件比铸件壁厚薄一半，重量减轻20%~30%。但阻尼为铸件的1/3，抗振性能差。◆适合于生产数量少，品种多的大型床身的制造。常用Q235-A，20钢的钢板和型钢焊接成支承件。第二节支承件设计3.树脂混凝土◆阻尼比是灰口铸铁的8~10倍，抗振性好。◆耐腐蚀性好。与金属粘接力强，可按结构要求，预埋金属件，减少金属加工量。◆浇注的床身静刚度比铸铁高16%~40%。◆可增加钢筋或加强纤维，提高抗拉强度。树脂混凝土即人造花岗岩，是制造床身的新型材料。◆钢板焊成框架，充入树脂混凝土，适合构成大、中型机床结构简单的支承件。特点及应用第二节结束①合理选择支承件的结构形式措施1支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身封闭整体箱形结构第二节支承件设计五、提高动刚度的措施措施2合理布置支承件肋板、肋条“T”形肋板连接，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第二节支承件设计五、提高动刚度的措施“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，效果最为显著措施2合理布置支承件肋板、肋条第二节支承件设计五、提高动刚度的措施“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多措施2合理布置支承件肋板、肋条第二节支承件设计五、提高动刚度的措施斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易措施2合理布置支承件肋板、肋条第二节支承件设计五、提高动刚度的措施连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连接刚度.措施3增加导轨与支承件的连接部分的刚度第二节支承件设计五、提高动刚度的措施措施4增加机床各部件的接触刚度和承载能力采用刮研的方法增加单位面积上的接触点在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积②合理选用构件的材料措施1床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接——增加刚度、减轻重量、提高抗振性铸件: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,需做木型模,易产生缩孔、气泡等缺陷焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品第二节支承件设计五、提高动刚度的措施人造大理石床身（混凝土聚合物）措施2采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料①合理选用构件的材料第二节支承件设计五、提高动刚度的措施措施2采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料①合理选用构件的材料天然大理石床身第二节支承件设计五、提高动刚度的措施措施1采用封砂床身结构在铸件支承件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力②改善阻尼特性第二节支承件设计五、提高动刚度的措施措施2采用间断焊缝在焊接支承件中除了可以内腔充填混凝土外，还可充分利用结合面间的摩擦阻尼来减小振动，提高动态特性。②改善阻尼特性第二节支承件设计五、提高动刚度的措施措施3支承件表面采用阻尼涂层在焊接支承件表面喷涂一层具有高内阻尼和高弹性的粘弹性材料，提高机床抗振性，改善态特性。结束第三章第二节支承件设计