11章详细设计15讲-支承

1先进设计系统第11章详细设计先进设计系统机械系统设计第8章生产线第9章概念设计第10章总体设计第11章详细设计第12章设计评价第13章创新设计第14章虚拟设计第15章智能设计第11章详细设计11.1详细设计的基本内容11.2结构设计的原则11.3结构设计的原理11.4工业设计11.5面向材料的设计（自学）11.6导轨、机架与机器基础3先进设计系统第11章详细设计11.6导轨、机架与机器基础的设计11.6.1导轨11.6.2机架11.6.3机器基础4先进设计系统第11章详细设计11.6.1导轨的结构设计11.6.1.1导轨的功能、分类和要求11.6.1.2滑动导轨的结构设计11.6.1.3滚动导轨11.6.1.4塑料导轨11.6.1.5提高构件耐磨性的途径5先进设计系统第11章详细设计11.6.1.1导轨的功能、分类和要求1.导轨的功能在机床、仪器、锻压设备等机械中使用的导轨，其功能是导向和承载，即保证运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。在导轨副中，运动的一方称为动导轨，不动的一方称为支承导轨。6先进设计系统第11章详细设计11.6.1.1导轨的功能、分类和要求2.导轨的分类⑴按运动形式分。直线运动导轨和回转运动导轨。⑵按摩擦性质分。滑动导轨(如圆柱形、棱柱形等)滚动导轨(如滚珠式、滚柱式和滚针式等)流体介质摩擦导轨(如动压式、静压式等)弹性摩擦导轨(如片簧式、膜片式、柔性铰链式)。⑶按受力结构分。开式导轨和闭式导轨。开式借助重力或弹力来保持两导轨面的接触，闭式只靠导轨本身的结构来保证两导轨面的接触。7先进设计系统第11章详细设计11.6.1.1导轨的功能、分类和要求3.导轨应满足的基本要求5⑴导向精度：是指动导轨沿支承导轨运动时的直线度和圆度，以及导轨同其他运动件之间相互位置的准确性。导向精度主要取决于导轨的结构类型。⑵导轨刚度：是指导轨抵抗恒定载荷和交变载荷变形的能力。它取决于导轨的自身刚度、局部刚度和接触刚度。8先进设计系统第11章详细设计11.6.1.1导轨的功能、分类和要求3.导轨应满足的基本要求⑶精度保特性：主要由导轨的耐磨性决定。导轨的耐磨性是指导轨在长期使用后，应能保持一定的导向精度。它与导轨材料、摩擦性质、受力状况及运动速度有关。⑷低速运动平稳性：导轨运动的平稳性是指动导轨在作低速运动或微量位移时不出现速度不均匀、时走时停、或快或慢的“爬行现象”。⑸热敏感性和结构工艺性：导轨在温度变化的情况下，应能正常工作，并具有良好的结构工艺性。9先进设计系统第11章详细设计11.6.1.2滑动导轨的结构设计1.导轨材料⑴材料类型①铸铁。铸铁的铸造性能和加工性能好，并具有良好的减振性和耐磨性。②钢。淬硬钢制造的导轨，其耐磨性比灰铸铁提高5~10倍。钢料多用于镶装导轨，多用于数控机床的滚动导轨上。③有色全属。多用于镶装导轨，与铸铁的支承导轨搭配，可防止咬合磨损，常用于重型机床的动导轨上。④塑料。用于镶装导轨，与铸铁支承导轨搭配，具有摩擦系数低、良好的耐磨性能和防爬性能、工艺简单、成本低廉等优点。缺点是刚度低。10先进设计系统第11章详细设计11.6.1.2滑动导轨的结构设计⑵材料搭配实验证明，不同材料组成的导轨副，其磨损情况各不相同。为了提高耐磨性和防止咬焊，应合理地搭配导轨副的材料。一般原则是动导轨和支承导轨应采用不同的材料。若选材相同，也一定要采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。其差值可取20~40HBS。11先进设计系统第11章详细设计11.6.1.2滑动导轨的结构设计⑵组合形式6(a)双三角形(c)三角形－矩形(d)燕尾形图11-23直线运动导轨的组合形式(b)双矩形(f)双圆柱(e)燕尾形－矩形12先进设计系统第11章详细设计11.6.1.2滑动导轨的结构设计⑶间隙调整导轨接合面间都存在间隙，若间隙过小，不但增加运动阻力，而且会加速导轨的磨损。若间隙过大，又会使导向精度降低。还容易产生振动。因此，除在装配过程中应仔细调整导轨的间隙外，在使用一段时间后，因磨损还需重调。常用镶条和压板来调整导轨的间隙。13先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨1.滚动直线导轨的结构形式滚动导轨：在导轨工作面之间安排滚动体，使导轨而之间为滚动摩擦。滚动导轨的滚动体有：滚珠、滚柱和滚针。滚珠导轨的承载能力小，刚度低，适用于运动部件重量不大，切削力和颠覆力矩都较小的设备。滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的设备。滚针导轨的滚针尺寸小，结构紧凑，适用于导轨尺寸受限的设备。滚动导轨也分为开式和闭式两种。开式用于加工过程中载荷变化较小，颠覆力矩较小的场合。当颠覆力矩较大，载荷变化较大对可用闭式导轨。14先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨滚动直线导轨已做成独立的标准部件，其标准块简称滚动导轨块。它具有刚度高、承载能力大及便于拆装等优点，可直接装在任意行程长度的运动部件上。目前，数控机床普遍采用了滚动导轨块。例：图11-24。图11-24滚动导轨块在数控车床上应用滚动导轨块15先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨例：图11-25为滚柱式滚动导轨的结构型式。端盖2与导向片4引导滚动体返回，5为保持架。当运动部件移动时，滚柱3在支承部件的导轨面与本体6之间滚动，同时又绕本体6循环滚动，滚柱3与运动部件的导轨面并不接触，因而该导轨面不需淬硬磨光。(b)(a)345621图11-25滚柱式滚动导轨块的结构原理图1－防护板；2－端盖；3－滚柱；4－导向叶；5－保持架；6－本体16先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨例：图11-26是滚珠式滚动导轨的标准块。它由4列滚珠组成，分别配置在导轨的两个肩部，可以承受任意方向(上、下、左、右)的载荷。与图11-25所示的滚动导轨块相比较，该导轨块可承受颠覆力矩和侧向力。图11-26滚珠式导轨块结构1－压紧圈；2－支承板；3－密封板；4－承载钢珠列；5－反向钢珠列；6－加油嘴；7－侧板；8－导轨；9－保持架817先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨2.滚动导轨预紧预紧可以提高导轨的刚度。但预紧力应选择适当，否则会使牵引力显著增加。图11-27为矩形滚柱导轨(曲线1)和滚珠导轨(曲线2)的过盈量与牵引力的关系。图11-27滚动导轨的过盈量与牵引力的关系1－矩形动导轨；2－滚珠导轨0246810过盈量(μm)21302010牵引力/N18先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨预紧的方法有两种。⑴采用过盈配合：图11-28a。在压板与溜板的接合面之间加－垫片，改变垫片的厚度，由此形成包容尺寸A-δ(δ为过盈量)。过盈量的大小可通过实际测量来决定。⑵采用调整元件：图11-28b。调整的原理和方法与滑动导轨调整间隙相似。拧侧面螺钉3，即可调整导轨体1及2的位置而预加负载。也可用斜镶条来调整。(a)采用过盈配合的实现预紧(b)采用调整元件实现预紧321图11-28滚动导轨的预紧方式1、2－导轨体；3－侧面螺钉19先进设计系统第11章详细设计11.6.1.3滚动导轨滚动导轨块的选用主要考虑其额定动、静载荷与额定寿命。具体计算及选用参见有关手册及产品样本。20先进设计系统第11章详细设计11.6.1.4塑料导轨1.塑料导轨的应用镶装镶塑导轨1)适用于数控机床，有逐渐取代滚动导轨的趋势。2)还适用于其他各类设备的导轨，特别是在维修和改装中可以减少结构的修改，因而加大了塑料导轨的应用范围。3)塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用。21先进设计系统第11章详细设计11.6.1.4塑料导轨2.塑料导轨的材料类型目前国内、外已研制了数十种塑料基体的复合材料用于机床导轨，其中应用较广的为填充PTEE(聚四氟乙烯)软带材料，例如美国霞板(Shanban)公司的特尔赛(Turcite-B)塑料导轨软带及我国的TSF软带。特尔赛自润滑复合材料是在聚四氟乙烯中填充50%的青铜粉，还加有二硫化钼、玻璃纤维和氧化物制成带状复合材料。具有优异的减磨、抗咬伤性能，不会损坏配合面，吸振性能好，低速无爬行，并可在干摩擦下工作。22先进设计系统第11章详细设计11.6.1.4塑料导轨3.塑料导轨的特点①摩擦因数低而稳定，比铸铁导轨副低一个数量级。②动静摩擦因数相近，运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好③吸收振动，有良好的阻尼性。优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨④耐磨性好，有自身润滑作用，无润滑油也能工作。灰尘磨粒的嵌入性好。⑤化学稳定性好，耐磨、低温，耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。⑥维护修理方便，软带耐磨，损坏后更换容易。⑦经济性好，结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1/20，为三层复合材料DU导轨成本的1/4。23先进设计系统第11章详细设计11.6.1.4塑料导轨3.塑料软带的粘贴工艺塑料导轨副多为塑料/金属类型。塑料软带一般粘在短的动导轨上，各种组合形式的滑动导轨均可粘贴。粘贴工艺如下⑴金属导轨面加工：槽深一般可选软带厚度的1/2~2/3。配对金属导轨面的粗糙度要求Ra为0.4~0.8μm。对磨导轨面硬度要求在HRC25以上⑵软带切成形及清洗⑶粘接及加工(a)矩形导轨图11-29镶粘塑料/金属导轨结构(b)燕尾形导轨(c)圆柱形导轨24先进设计系统第11章详细设计11.6.1.5提高构件耐磨性的途径1.降低摩擦表面的压强最典型实例是机床的卸荷导轨，它用液压或机械卸荷方式来减小导轨面的磨损。例：图11-30所示是最简单的液压卸荷系统，通入压力油可部分抵消导轨的负荷。用溢流阀调节进入各支座的润滑油的油压，油压的调节使卸荷力与负载力的比值为0.4~0.7为宜。图11-30液压卸荷导轨1－支承导轨；2－动导轨；3－精滤油器；4－油泵；5－粗滤油器；6－溢流阀；7－油箱123456725先进设计系统第11章详细设计11.6.1.5提高构件耐磨性的途径例：图11-31是常用的机械卸荷装置。导轨的一部分载荷由支承在辅助导轨面a上的滚动轴承3承受。卸荷力的大小通过螺钉1和碟形弹簧2调节。3a12图11-31机械卸荷导轨26先进设计系统第11章详细设计11.6.1.5提高构件耐磨性的途径2.用滚动摩擦代替滑动摩擦图11-32a是滑动导轨，如用图11-32b所示的滚动导轨取代，则会减小导轨面的摩擦，减少磨损。(b)滚动导轨滚动体防撬板(a)滑动导轨图11-32滑动导轨与滚动导轨镶27先进设计系统第11章详细设计11.6.1.5提高构件耐磨性的途径3.采用动、静压润滑方式减少摩擦流体动压润滑是靠两相对运动摩擦表面间特定几何形状，并借助粘性流体的动力学作用，自行产生足够的压力油膜，使两相对运动的摩擦面不直接接触，从而完全避免磨损。流体静压润滑是利用外部供油(或气)装置将一定压力的流体送入两摩擦面之间以建立压力油膜，使两滑动面不直接接触，从而避免磨损。28先进设计系统第11章详细设计11.6.1.5提高构件耐磨性的途径4.采用耐磨材料和适当的热处理工艺为提高其导轨的耐磨性，采用镶淬火钢导轨。5.使摩擦面均匀磨损例：导轨鼓形滚子，使中部较两端凸出0.01~0.02mm，以避免因加工或装配误差引起偏载和局部剧烈磨损。29先进设计系统第11章详细设计11.6.2机架11.6.2.1机架的作用、分类和要求11.6.2.2机架的结构设计30先进设计系统第11章详细设计11.6.2.1机架的作用、分类和要求支承系统：产品系统中用于支承和安装其他系统的机架、轴承、导轨和基础所构成的总体。它是机械系统的子系统。机架：底座、床身、立柱、横梁、支座、支架、箱体、门架、桁架、刀架、工作台、升降台和箱体等基础件。它们一般都比较大，故也称为“大件”。支承系统有如下基本作用：⑴支承和安装机械系统中的其他系统。⑵承受各种静态力和动态力。⑶保证各零部件之间相对位置精度和运动部件运动精度。⑷机架的内部用作电气箱、液压油、润滑油或冷却液压的储存器等。31