第十三讲 机床支承件与导轨设计.

金属切削与机床MetalCutting&MachineToolsMetalCutting&MachineTools第十三讲机床支承件与导轨设计机床支承件设计支承件功用及基本要求支承件的结构设计支承件材料与热处理机床导轨设计导轨功用、分类及基本要求导轨的截面形状和导轨间隙的调整导轨的结构类型和特点提高导轨耐磨性的措施（滑动导轨）MetalCutting&MachineTools机床支承件设计支承件功能及基本要求主要功能：保证机床各零、部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。MetalCutting&MachineTools机床支承件设计支承件功能及基本要求应满足要求：足够的刚度和较高的刚度—质量比。排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。较好的动态特性（提高固有频率）：1.支承件的固有频率不致与激振频率重合而产生共振；2.应具有较大的动刚度（激振力的副值与振副之比）、较大的阻尼，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，受迫振动的振幅较小。MetalCutting&MachineTools2020/2/85提高动态特性改善阻尼特性采用新材料制造支承件封沙结构的床身镗床主轴箱的截面图为增大阻尼，提高动态特性，将铸造砂芯封装在箱内。MetalCutting&MachineTools2020/2/86改善阻尼特性焊接件减振板a）铸铁板b)点焊在一起的两块板c）四周焊在一起的两块钢板悬梁的阻尼1一铁块2一钢球3一高粘度油振动时，油在钢球间产生的粘性摩擦及钢球、铁块间的碰撞，可耗散振动能量，增大阻尼。MetalCutting&MachineTools机床支承件设计支承件功能及基本要求应满足要求：热稳定性好——减小热变形、不均匀热变形，降低对加工精度的影响。散热、隔热—加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致冷、隔离热源。；均热—采用“热对称”等结构，减小热变形对精度的影响。MetalCutting&MachineTools机床支承件设计支承件结构设计1.首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。2.综合考虑其工艺性，初步决定其形状和尺寸。3.进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性。4.修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金属。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计机床类型中、小型机床以切削力为主；重量（工件、移动部件）忽略不计；精密和高精密机床以移动件的重力和热应力为主；切削力较小（以精加工为主）忽略不计，如双柱立式坐标镗床。大型和重型机床同时考虑工件重力、切削力和移动件重力：如重型车床、落地镗铣床、龙门机床等。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计机床布局形式卧式数控车床的布局形式a）平床身b)后倾床身c）前倾拖板d)前倾床身MetalCutting&MachineTools支承件结构设计机床布局形式床身导轨的倾斜角度有30°,45°,60°,75°。小型数控车床采用45°,60°的较多。中型卧式车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，其优点是排屑方便，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的静刚度支承件的静刚度自身刚度局部刚度接触刚度支承件的变形自身变形局部变形接触变形例：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。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的自身刚度（1）自身刚度：在外载荷作用下，支承件本体抵抗变形的能力。（2）自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚度。（3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、隔板的布置等。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的局部刚度抵抗局部变形的能力。（1）局部变形发生在载荷集中的地方。（3）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸等有关。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的接触刚度（1）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。（2）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。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的接触刚度（3）接触刚度是平均压强与变形之比，两者属于非线性关系。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。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的接触刚度（4）自身刚度与局部刚度对接触压强的分布有影响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。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件的结构设计中，应采用适当的措施，提高支承件的自身刚度、局部刚度和接触刚度。正确选择支承件形状和尺寸合理布置隔板、筋板合理开窗、加盖MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件形状选择箱形类:支承件在三个方向的尺寸上都相差不多，如各类箱体、底座、升降台等。板块类:支承件在两个方向的尺寸上比第三个方向大得多，如工作台、刀架等。梁类:支承件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件截面形状与选择支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。静刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面积，其抗弯和抗扭惯性矩也不同。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计支承件截面形状与选择MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩比较截面积相同（100cm2），截面形状不同的惯性矩的计算值和相对值，得出：1．空心截面的刚度比实心的大→床身截面应做成中空形式。2．圆形（环形）截面的抗扭刚度比方形或矩形截面大；抗弯刚度比方形小。受弯矩为主的支承件的截面应用矩形（立钻、插床立柱）；受扭矩为主的支承件应采用圆形（环形）的截面；既承受弯矩又承受扭矩的支承件应采用近似正方形。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩比较截面积相同（100cm2），截面形状不同的惯性矩的计算值和相对值，得出：3．封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度。4．保持横截面积不变，加大外廓尺寸，减少壁厚，可提高截面刚度。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：卧式床身截面的基本形式：空心矩形截面车床类床身：两面封闭式截面，便于排除大量切屑和冷却液，刚度较低——中小型车床。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：无升降台铣床、龙门刨床、龙门铣床床身——三面封闭式截面，不需要从床身排屑。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：大型和重型机床床身:三壁结构（双层壁结构），承受重载。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：磨床类床身:三面封闭式截面，内部可用于储存润滑油和冷却液，安装传动机构——载荷较小的机床。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：立式床身（立柱截面）的基本形式：圆形、方形，封闭结构圆形截面：抗扭刚度↑、抗弯刚度↓，用于载荷不大机床，如摇臂、台式钻床的立柱（床身）、组合机床的立柱。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：对称方形截面：抗扭刚度↑、抗弯刚度↑，用于承受复杂的空间载荷，如镗床和铣床的立柱（床身）、组合机床的立柱。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：对称矩形截面：抗扭刚度↓、抗弯刚度↑，用于承受弯曲载荷较大的机床，如中大型单轴或多轴立式钻床、组合机床的立柱。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计不同截面的抗弯抗扭惯性矩例：矩形截面，内部设有加强筋：如龙门式机床的立柱、组合机床的立柱。MetalCutting&MachineTools2020/2/832提高支承件的静刚度数控车床床身截面图：倾斜式空心封闭箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。加工中心床身截面图：采用三角形肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。MetalCutting&MachineTools2020/2/833提高支承件的静刚度采用双层壁加强肋的结构，其内腔设计成供液压油循环的通道使床身温度场一致，防止热变形；立柱设计成双重壁加强肋的封闭式框架结构，刚度好。滚齿机大立柱和床身截面的立体示意图MetalCutting&MachineTools支承件结构设计例：摇臂钻床受力分析（仅分析切削转矩、进给力）立柱和摇臂——梁类件；底座——板类件；主轴箱——箱形件。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计摇臂钻床受力分析（转矩T、进给力Ff）MetalCutting&MachineTools支承件结构设计摇臂受力分析（转矩T、进给力Ff）1、yz平面内：最大弯矩M1=Ff·L，使摇臂产生弯曲变形；2、xz平面内：绕y轴的扭矩M2=Ff·e，使摇臂产生扭转变形。3、xy平面内：切削转矩T作用于摇臂，产生弯曲变形。但T比Ff要小得多。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计摇臂受力分析结论：摇臂所受的载荷，主要是：竖直(yz)面内的弯矩M1；绕y轴的扭矩M2。这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使主轴偏离其正确位置。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计摇臂形状选择原则：截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，这两个方向的尺寸不宜相差太大。摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐减小，故摇臂的截面也是越靠近根部越大。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计立柱受力分析（转矩T、进给力Ff）立柱分内外两层；摇臂沿外柱升降，并连同外柱绕内柱转动。摇臂与外柱在上、下两圈D、E处接触。工作时，内、外柱之间在F处夹紧。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计立柱受力分析摇臂作用于外柱的，可看作是由D、E点处两个集中力组成的力偶。①yz平面内：弯矩M1=Ff·L②xz平面内：弯矩M2=Ff·e③切削转矩T使外柱扭转，扭矩作用于E与F之间。通常这个扭转变形可以忽略。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计立柱受力分析结论：立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱的弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。立柱的形状往往是圆形的，故Ml、M2两个力矩中，只需考虑大的一个，一般为Ml=Ff·L。MetalCutting&MachineTools支承件结构设计内柱形状选择原则：主要承受（yz和xz面内的）弯矩，越靠近下支承点F处，弯矩越大。F处到根部弯矩不变。故内立柱在上、下支承间一段CF应上细下粗