机械制造装备的设计9(支撑件导轨)

第9章支承件及导轨支承件(Structuralelements)•功用•基本要求•受力分析•静刚度•结构设计提高自身刚度减少热变形提高局部刚度材料和热处理提高接触刚度结构工艺性提高抗振性焊接结构第一节支承件的功用及基本要求•支承件——床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件——大件•在切削时，刀具与工件之间相互作用的力沿着大部分支承件逐个传递并使之变形。•机床的动态力(如变动的切削力，往复运动件的惯性，旋转件的不平衡等)使支承件和整机振动•支承件的热变形改变执行器官的相对位置或运动轨迹。•影响加工精度和表面质量•支承件是机床十分重要的构件一、功用•支承机床各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力•保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。•内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机二、基本要求•1．足够的静刚度和较高的刚度／重量比要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一定的数值。重量占机床总重量的80％以上，应尽量减轻支承件的重量。•2．良好的动态特性包括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率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。•3．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的影响较小由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形。热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。•4．应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。支承件的设计步骤•根据其使用要求进行受力分析•根据所受的力和其它要求(如排屑、安装别的零部件等)，并参考现有机床的同类型件，初步决定其形状和尺寸。•可以用有限元法(Finiteelementmethod)借助计算机进行验算，求得其静态和动态特性。•据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案。•这样，在设计阶段就可以预测支承件的性能，以避免盲目性，提高一次成功率。第二节支承件的受力分析•支承件是机床的一个组成部分•分析支承件的受力必须首先分析机床的受力•了解支承件的受力情况，产生的变形以及由此引起的加工误差是合理设计支承件结构的依据。•为简化分析，根据机床所受载荷的特点，对不同类型机床的受力分析各有所侧重。•机床根据其所受的载荷的特点，可分为三大类:•中、小型机床——载荷以切削力为主工件的重量、移动部件(如车床的刀架)的重量等相对较小，在受力和变形分析时可忽略不计(例如车床刀架从床身的一端移至床身中部时，引起的床身弯曲变形的变化可忽略不计)如中型车床、铣床、钻床、加工中心等•精密和高精度机床——以精加工为主，切削力较小载荷以移动件的重力和热应力为主例如双柱立式坐标镗床，分析横梁受力和变形时，主要考虑主轴箱从横梁的一端移至中部，引起的横梁弯曲和扭转变形。•大型机床——工件重，切削力较大，移动件的重量也较大•载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。•例如重型车床、落地镗铣床和龙门式机床等。三大类支承件•(1)一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等——梁类件•(2)两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件如底座、工作台、刀架等——板类件•(3)三个方向的尺寸都差不多的零件如箱体、升降台等——箱形件一、摇臂钻床的受力分析摇臂钻床的受力状况•切削载荷——切削转矩T进给力Ff•切削载荷经主要支承件主轴箱4、摇臂3、立柱2和1，传递至底座5•上述支承件产生弹性变形——弯曲或扭转•变形的结果——主轴轴线在yz平面xz平面内产生偏转，使轴线不垂直于底座的顶面•钻床精度标准规定了主轴在一定的轴向力(模拟Ff)作用下，主轴轴线在yz和zx面内允许的偏转角。•轴向力的大小，因机床的种类、大小而异，见各类钻床的精度标准。•分析时，立柱和摇臂可看作是梁类件•底座可看作是板类件•主轴箱可看作是箱形件•这里主要分析摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁摇臂的受力分析•进给力Ff使摇臂在yz面内受到一弯矩M1，最大值FfL，——产生弯曲变形•主轴与摇臂中性轴之间的距离为e，故受到绕y轴的扭矩M2=Ffe，——产生扭转变形•切削转矩T作用于摇臂，使它在zy平面内产生弯曲变形•T比FfL要小得多•摇臂所受的载荷，主要是竖直(yz)面内的弯矩M1和绕y轴的扭矩M2•——使摇臂产生弯曲和扭转变形•使主轴偏离其正确位置•摇臂的左端锁紧在立柱上,右端悬空•简化为一端固定的悬臂梁•钻削时，主轴上受的轴向进给力F，使摇臂在x-y平面内受Mw力矩的作用而产生弯曲变形•Mw在摇臂的长度上呈三角形分布，最大力矩Mw=FL•主轴中心偏离摇臂中心轴的距离为e，F又产生扭矩Tn1=Fe，使摇臂产生扭转变形•扭矩Tn1在摇臂的长度上是均匀分布的•主轴上的钻削扭矩Tn2在摇臂的长度上也是均匀分布的，而且使摇臂产生的变形很小，可以忽略不计•摇臂的变形主要——X-Y平面内的弯曲变形绕X轴的扭转变形•它们将影响所钻孔的位置精度，各孔中心线的平行度和对基准面的垂直度。•摇臂上越接近立柱的地方承受的力矩越大，摇臂设计成变截面，在越接近立柱的地方越显粗壮。•为了减小摇臂的扭转变形，应尽量减小e值，所以摇臂钻床主轴箱应设计得扁平。•为此传动系统应平面布置，并使摇臂的截面具有较大的扭转截面矩。二.卧式车床床身的受力分析•在垂直（X-Z）平面内，Fz经刀架作用在床身上，经工件作用于主轴箱和尾架上的力为F1和F2•由Fz将引起床身在垂直方向的弯矩为Mwz•Fz的作用点到主轴中心线的距离为d/2（d工件直径)，在床身上还作用有扭矩Tnz=Fzd/2•在水平（x-y）平面内，Fy经刀架作用在床身上，其反作用力F3和F4经工件作用在主轴箱和尾架上•由Fy将引起床身在水平方向的弯矩为Mwy由于Fy的作用点到床身中心轴的距离为h，对床身还作用有扭矩Tny=Fyh•——车床床身变形的主要形式是垂直和水平面内的弯曲，以及由Tnz和Tny联合作用下的扭转车床床身变形对加工精度的影响•根据车床床身在水平面内的弯曲变形变形（近似以1：1反映为工件的半径误差）、在垂直平面内的弯曲变形及扭转变形对加工精度的影响•水平面内的弯曲变形大于垂直面内的影响•扭转变形使刀尖在y方向产生较大的偏移•设计车床床身时，主要应提高水平面内的弯曲刚度•在设计长床身时，也要注意提高扭转刚度第三节支承件的静刚度一、支承件的静刚度•支承件的变形包括——自身变形局部变形接触变形•支承件的静刚度——自身刚度局部刚度接触刚度•如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上•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•不能忽略局部变形和接触变形。它们有时甚至占主要地位•如床身，如设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨处的局部变形就会相当大•又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占相当大的比重（一）自身刚度•摇臂钻床摇臂和普通车床床身的受力和变形，主要是指支承件自身变形•自身刚度——支承件抵抗自身变形的能力•自身刚度主要为——弯曲刚度和扭转刚度•取决于——支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板的布置等（二）局部刚度•抵抗局部变形的能力——局部刚度•局部变形发生在载荷较集中的局部结构处•取决于受载部位的构造、尺寸及筋的配置•例如，导轨与伸出床壁外面部分的弯曲变形；•主轴箱在主轴支承附近的部位•摇臂钻床立柱与摇臂的配合部位以及底座装立柱的部位。（三）接触刚度•两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微观不平度，所以只是一些高点相接触•支承件各接触面抵抗接触变形的能力——接触刚度接触刚度与自身刚度的区别•接触刚度是平均压强与变形之比Kj即Kj=p／δ•Kj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•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•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，降低了接触刚度第四节支承件的结构设计设计方法•支承件的设计通常是根据使用要求和受力情况，参考同类型机床，初步确定其形状和尺寸•较重要的支承件要进行验算或膜型试验，根据验算或试验结果作适当修改设计时应考虑的问题保证良好的静刚度和动态特性减少热变形合理选用材料和热处理方式有较好的结构工艺性等一、提高支承件自身刚度(一)正确选择截面的形状和尺寸•支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷•自身刚度主要考虑——弯曲刚度和扭转刚度•在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。•材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。刚度（1）截面积相同时：空心大于实心（2）方形截面的抗弯刚度高于圆形截面抗扭刚度则较低（3）不封闭截面比封闭的截面刚度显著下降，特别是抗扭刚度数控车床床身（二）合理布置隔板•在两壁之间起连接作用的内壁——隔板•隔板功用——把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷•当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承件的自身刚度隔板布置的三种基本形式纵向隔板——主要提高抗弯刚度横向隔板——主要提高抗扭刚度斜向隔板——兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果T型隔板：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作用不明显。多用在刚度要求不高的床身上。C图的隔板在垂直面和水平面的抗弯刚度都比A图好。W型布置能较大的提高水平面的抗弯、抗扭刚度。D图自由排屑，提高刚度。必须注意隔板的布置方向：•纵向隔板应布置在弯曲平面内，此时隔板对X轴的惯性矩为：l3b/12•若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时，则惯性矩为lb3／12•两者之比为l2：b2•由于l＞b，所以图a的抗弯刚度比图b要大得多（三）合理开孔和加盖•支承件外壁开孔，会降低抗弯及抗扭刚度，对抗扭刚度的影响更大。•开孔对抗扭刚度影响较大。•应该尽量避免在主要承受扭矩的支承件上开孔•孔宽或孔径不超过支承件宽度的0.25倍二、提高局部刚度（一）合理选择连接部位的结构•设图a的一般凸缘连接相对连接刚度为1.0•则图b有加强筋的凸缘连接为1.06•图c的凹槽式为1.80•图dU型加强筋结构为1.85•——图c和图d两种结构•最好特别是用来承受力矩效果更好•缺点——结构复杂。(二）合理选择螺钉尺寸和布置•当受力矩时，螺钉应主要布置在受拉伸的一侧•当受转矩时，螺钉应均匀分布在连接部位的四周•螺钉尺寸应经过计算，使它足以能承受外载荷的作用(三）注意床身与导轨连接处的局部过渡•图a为床身与导轨以单壁连接，结构简单，刚度较差，适用于承受小载荷•图b为单壁减薄与加强筋结构，刚度较前一种形式好，适用于中等载荷；•图c为双壁连接，结构较复杂，刚度较高，适用于中等载荷及重载荷；•图d为直接连接，没有过渡壁，导轨的局部刚度最高。（四）合理配置加强筋•当支承件的内部要安装其它机构，不但不能封闭，安置隔板也会有所妨碍——采用加强筋提高刚度•合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法•加强筋的高度可取为壁厚的4～5倍，筋的厚度取壁厚的0.8～1倍•图a和b的筋分别用来提高导轨和轴承座处的局部刚度•图c、d、e为当壁板面积大于400X400mm2时,为避免薄壁振动而在内表面加的筋，以提高壁板的抗弯刚度三、提高接触刚度•最好方法：减少接触面的层次•如将车床床身和床腿做成整体式•但具体设计时，常限于结构或功能上的原因而不能减少接触面的层次，例如车床的刀架。•（1）导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配磨刮研时，每25×25mm2：高精度机床为12点精密机床为8点普通机床为6点并使接触点均匀分布•固定结合面配磨时，表面粗糙度值应小于Ra1.6•（2）以固定螺钉连接时通常应使接触面间的平均预压压强不得小于2MPa，以消除表面微观不平