机床支承件结构设计共32页文档

机床支承件设计

机床支承件设计了解支承件的功能和应满足的基本要求，可根据机床的类型和布局形式合理地选择支承件的形状，理解支承件构造的设计特点、支承件材料及壁厚的合理选择，掌握支承件截面形状选择的一般原则，以及提高支承件构造性能的合理措施等。

一、支承件的功能和应满足的基本要求支承件的主要功能是保证机床上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、热稳定性和耐用度等。

支承件应满足的基本要求：1）具有足够的刚度和较高的刚度一质量比；2）具有较好的动态特性；3）热稳定性好, 热变形对加工精度的影响要小；4）排屑畅通、吊运安全，构造工艺性良好。

二、支承件的构造设计设计支承件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。

在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。

还要根据其使用要求，开展受力和变形分析，再根据所受的力和其他要求开展构造设计，初步决定其形状和尺寸。

通过计算机对其开展有限元分析和计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计开展修改和完善，选出最正确构造形式。

既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减小质量，节约材料。

常见支承件的形状：1）箱形类；2）板块类；3）梁类。

支承件构造的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。

静刚度主要包括抗弯刚度和抗扭刚度，均与截面系数成正比。

支承件截面形状不同，即使同一材料、截面积一样，其抗弯和抗扭截面系数也不同。

1）支承件空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的截面形状和一样大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面，其抗弯刚度和抗扭刚度都高。

2）圆（或环）形截面的抗扭刚度比矩形截面的好，但抗弯刚度比矩形截面的低。

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。

支承件的肋板和肋条的布置：肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板, 而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身刚度和整体刚度。

2 机床设计(支承件、导轨设计2-4)

2．机床的布局形式不同的布局方式，支承件结构和形状不同。 3．支承件的形状（1）箱形类：支承件在三个方向尺寸上相差不多，如各类箱体、底座、升降台等；（2）板块类：支承件在二个方向尺寸上比第三个方向尺寸大的多，如工作台、刀架等；（3）梁类：支承件在一个方向尺寸上比另两个方向大的多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。
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。
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。
隔离的地基上，或在液压马达、液压缸等热源外面加隔
热罩；采用双层壁结构，其间有空气层。 3．温度均衡分布设计时尽量减少支承件本身各部位的温差。
4．采用热补偿装置：（1）基本方法：在热变形的相反方向上采取措施，产
生相应的反方向热变形，使两者之间影响相互抵
消，减少综合热变形——转移掉。
（2）温度误差软件补偿——利用计算机和检测装置进
作用：↓局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的
局部刚度。
布局：纵向、横向和斜向，常布置成交叉排列。
①必须使筋条位于壁板的弯曲平面内；
②筋条厚度一般为床身壁厚的 0.7 ~ 0.8 倍；
③一般铸铁床身用井字形，焊接床身用米字形。 ④局部增设筋条，提高支承件的局部刚度。
加强筋的常见形式：
☆直线型加强筋：载荷较小窄壁上，刚性差。
（一）提高支承件刚度（静刚度）和固有频率
1．合理选择支承件的材料、结构形状和尺寸、壁厚；

机床主要部件设计支承件设计分解

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第二节支承件设计
二、支承件的受力分析方式三大类支承件
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。
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第二节支承件设计
一、支承件的基本要求
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。
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第二节支承件设计
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： ◆ 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。
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第二节支承件设计
固有频率用刚度与质量之比表示，即
K
ห้องสมุดไป่ตู้
m
2 0
◆ 重点理解：当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）
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
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第二节支承件设计

机床支承件结构设计PPT课件

• 式中L、B、H—铸件的长、宽和高（m）
当量尺寸/m 0.75 1.0 1.5 1.8 2.0 2.5 3 3.5 4.5
壁厚/m
8 10 12 14 16 18 20 22 25
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壁厚的设计
焊接件壁厚： • 中型机床，5~6mm，
闭式，正确布置隔板、肋，防止薄壁振动。或采用10mm厚壁板
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整体布局
结构特征的工艺性特征
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整体布局—结构选择结构类型
◎“—”形形式
承载结构主要是床身，或床身与底座的组合。
◎ “|”形形式
承载结构主要是立柱，或立柱与底座的组合。
◎ “┴”形形式
承载结构式床身和立柱的组合
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整体布局—结构选择
结构类型
◎“匚”形形式
承载结构是床身与立柱、横臂等三者的结合。称为单臂式机床。
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机床支承件概述
基本设计要求
– 高刚度化—结构设计及加工 – 高阻尼精度—增加系统阻尼，调整构件自身
频率
– 高耐磨性—选取耐磨材料，保证润滑良好 – 热变形小 —注重散热和隔热，平衡温度场，
采用热对称结构
–屑通畅，操作方便，吊运安全，加工
及装配性好等
◎“□”形形式
支承由床身、横梁以及双立柱组合而成，形成封闭的方框。
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整体布局—结构选择
数控机床受热变形与切入方向关系
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整体布局—运动部件选择
• 与工件形状、尺寸和重量的关系
工件较轻时
工件较重或较高时
工作台完成进给工作台与刀具完成进给
大型、重型工件刀具进给
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确定形体尺寸
• 确定机床床身和立柱形体尺寸的主要参数如下

机床支承件设计(全)

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钢板焊接结构
• 用钢板和型钢等焊接支承件，其特点是制造周期短，省去制作木模和铸造工艺；支承件可制成封闭结构，刚性好；便于产品更新和结构改进；钢板焊接支承件固有频率比铸铁高，在刚度要求相同情况下，采用钢焊接支承件可比铸铁支承件壁厚减少一半，重量减轻20%～30％。 • 钢板焊接结构的缺点是钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的1/3，抗振性较铸铁差，为提高机床抗振性能，可采用提高阻尼的方法来改善动态性能。
尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的
抗弯刚度和抗扭刚度都高。 • 圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低。 • 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。
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支承件肋板的布置
肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。 • 水平布置的肋板有助于提高支承件水平面内弯曲刚度；垂直放置的肋板有助于提高支承件垂直面内的弯曲刚度；而斜向肋板能同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度。
• 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
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铸铁
• 一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加入少量合金元素可提高耐磨性。铸铁铸造性能好，容易获得复杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，使振动衰减的性能好成本低。但铸件需要木模芯盒，制造周期长，有时产生缩孔、气泡等缺陷，成本高，适于成批生产。 • 常用的铸件牌号有HT200、HT150、HT100。
机床的布局形式对支承件形状的影响
• 床身导轨的倾斜角度有30°,45°, 60°,75°。小

支承件

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。
五、窗孔
(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) 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。
四、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
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。
三、支承件的形状选择的原则
(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、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。
八、壁厚
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
2．局部刚度
（1）局部刚度：抵抗局部变形的能力。（2）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。
3．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。

机床典型部件设计(109页)

（三）主轴传动件位置的合理布置
1.传动件在主轴上轴向位置的合理布置合理布置传动件在主轴上的轴向位置, 可改善主轴的受力情况, 减小主轴变形, 提高其抗振性。其主要原则是尽量使传动力引起的主轴弯曲变形要小；引起主轴前端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。因此, 主轴上的传动件应尽量靠近前支承布置, 有多个传动件时, 其中最大的传动件应靠近前支承。根据传动件在不同的轴向位置时及传动力Q 在不同方向作用时, 分析其不同特点及应用范围。
3.主轴的设计要求
主轴的技术要求, 应根据机床精度标准的有关项目制定。它应满足设计要求、工艺要求、检测要求以及图面质量的要求, 应尽量做到设计、工艺、测量的基准相统一。
四、主轴滚动轴承
轴承是主轴部件中的重要组成部分, 轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、以及润滑和冷却等, 都直接影响着主轴部件的工作性能。
2.驱动主轴的传动轴位置的合理布置
主轴受到的驱动力Q 相对于切削力F 的方向取决于
驱动主轴的传动轴的空间位置。应尽可能将该驱动轴布置在合适的位置, 使驱动力Q 引起的主轴变形可抵消一部分因切削力F引起的主轴轴端精度敏感方向上的位移。对切削力F 是旋转变化或以轴向载荷为主的主轴不在此列。
（四）主轴主要结构参数的确定
当切削力F 和传动力Q 均作用在主轴前端时, 可使两者方向相反, 从而使其引起的主轴前端变形部分地相互抵消。此外, 前支承反力也较小。切削力F 和传动力 Q 均作用在主轴前端, 还可使主轴受扭长度较短, 但传动件需要安装在前支承外面, 增加了主轴的悬伸长度, 结构上也较复杂。这种布局一般只适用于大型机床, 如大型卧式车床、立式车床等的主轴组件。
（二）几种典型的主轴轴承配置形式

机械制造装备设计(第2章金属切削机床设计5-6 主轴&支承)

2.5.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式（2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支承处。这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，
温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度
机床，如立铣、多刀车床等。
2.5.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式（3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承
2.5.3 主轴部件结构设计
（三）主轴传动件位置的合理布置
合理布置传动件在主轴上的轴向位置，可以改善主轴的受力情况，减少主轴变形，提高主轴的抗振性。
主轴上传动件轴向布置时，应尽量靠近前支承，有多个传动件时，其中最大传动件应靠近前支承。
2.5.3 主轴部件结构设计
（四）主轴主要结构参数的确定主轴前、后轴径直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬伸量a和主轴主要支承间的跨距L，这些参数将直接影响主轴旋转精度和主轴刚度。
2.5.3 主轴部件结构设计（一）主轴部件的支承数目也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。
角接触球轴承背对背
安装
2.配置型式
（1）前端配置两个方向的推力轴承都布置在前支承处。这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大，温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利。这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。
离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组
件的制造和装配质量等。刚度不足，影响机床的加工精度、传动质量及工作的平稳性。
2.5.1 主轴部件应满足的基本要求
（3）抗振性：指抵抗受迫振动和自激振动的能力。主轴振动有两种类型：