機床支承件設計

1、內容：內容： 機床支承件的功用、分類、應滿足的要求機床支承件的功用、分類、應滿足的要求; 支承件的受力分析、結構設計。支承件的受力分析、結構設計。 要求：要求： 對機床大構件具有結構分析及初步的設計能力。對機床大構件具有結構分析及初步的設計能力。 u支承件：支承件：是是機床的基礎構件機床的基礎構件，包括床身、立柱、，包括床身、立柱、 橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降 臺等。也稱為臺等。也稱為“大件大件”。 u作用：作用：承載承載 和作為基準。和作為基準。 支承支承其它機其它機 床零部件，床零部件， 保持保持它們的它們的 相對位置相對位置， 承

2、受承受各種各種切切 削力削力等。等。 1、使用要求、使用要求 安裝其它零部件、排屑暢通、吊運安全。安裝其它零部件、排屑暢通、吊運安全。 2、工藝要求、工藝要求 便于制造和裝配。便于制造和裝配。 3、性能要求、性能要求 （1）應具有足夠的靜剛度、較高的剛度）應具有足夠的靜剛度、較高的剛度重量比。重量比。 （2）應具有較好的動態(tài)特性。）應具有較好的動態(tài)特性。 l 支承件的固有頻率支承件的固有頻率不不致與激振頻率重合而致與激振頻率重合而產生共產生共 振；振； l 應具有應具有較大的動剛度較大的動剛度（激振力的副值與振副之（激振力的副值與振副之 比）、比）、較大的阻尼較大的阻尼，使支承件受到一定副值周

3、期，使支承件受到一定副值周期 性激振力的作用時，性激振力的作用時，受迫振動的振幅較小。受迫振動的振幅較小。 （3）應具有較好的熱變形特性。）應具有較好的熱變形特性。 設法減小熱變形、不均勻熱變形，以降低對加工精設法減小熱變形、不均勻熱變形，以降低對加工精 度的影響。度的影響。 l 散熱、隔熱散熱、隔熱。加大散熱面積、加設散熱片、風扇、人工致。加大散熱面積、加設散熱片、風扇、人工致 冷、隔離熱源。冷、隔離熱源。 l 均熱均熱。 l 采用：采用：“熱對稱熱對稱”等結構，使熱變形對等結構，使熱變形對 精度的影響較小。精度的影響較小。 1、進行受力分析。進行受力分析。 2、初步決定其形狀和尺寸。初步決

4、定其形狀和尺寸。 3、進行驗算。進行驗算。 4、修改、對比，選擇最佳方案。修改、對比，選擇最佳方案。 一、根據機床所受的載荷的特點分類一、根據機床所受的載荷的特點分類 1中、小型機床：中、小型機床：載荷載荷以切削力為主。以切削力為主。重量（工重量（工 件、移動部件）忽略不計。件、移動部件）忽略不計。 如中型車床、銑床、鉆床、加工中心等。如中型車床、銑床、鉆床、加工中心等。 2精密和高精度機床：精密和高精度機床：載荷載荷以移動件的重力和熱以移動件的重力和熱 應力為主。應力為主。切削力較?。ㄒ蛞跃庸橹鳎┖雎郧邢髁^小（因以精加工為主）忽略 不計。不計。 如雙柱立式坐標鏜床等。如雙柱立式坐標鏜床

5、等。 3大型機床：大型機床：載荷必須載荷必須同時考慮工件重力、切削同時考慮工件重力、切削 力和移動件的重力。力和移動件的重力。 如重型車床、落地鏜銑床、龍門式機床等。如重型車床、落地鏜銑床、龍門式機床等。 1、梁類件：、梁類件：一個方向的尺寸比另外兩個方向的大一個方向的尺寸比另外兩個方向的大 得多的零件。得多的零件。 如床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。如床身、立柱、橫梁、搖臂、滑枕等。 2、板類件：、板類件：兩個方向的尺寸比第三個方向的大得兩個方向的尺寸比第三個方向的大得 多的零件。多的零件。 如底座、工作臺、刀架等。如底座、工作臺、刀架等。 3、箱形件：、箱形件：三個方向的尺寸都差不多的零件

6、。三個方向的尺寸都差不多的零件。 如箱體、升降臺等。如箱體、升降臺等。 F Ff f 立柱和搖臂立柱和搖臂梁類件；梁類件； 底座底座板類件；板類件； 主軸箱主軸箱箱形件。箱形件。 搖臂和立柱，都可看作是一端固定的懸臂梁。搖臂和立柱，都可看作是一端固定的懸臂梁。 （1）yz平面內：平面內： 最大最大彎矩彎矩M M1 1=F=Ff fL L， 使搖臂產生使搖臂產生彎曲變形彎曲變形。 （2）xz平面內平面內: 繞繞y軸的軸的扭矩扭矩 M M2 2= F= Ff fe e，使搖臂產生，使搖臂產生扭轉變形扭轉變形。 （3）xy平面內：平面內： 切削切削轉矩轉矩T T作用于搖臂作用于搖臂，產生，產生 彎曲

7、變形。但彎曲變形。但T T比比F Ff f要小得多。要小得多。 結論：結論： 搖臂所受的載荷，主要是：搖臂所受的載荷，主要是： l豎直豎直(yz)面內的彎矩面內的彎矩M1； ； l繞繞y軸的扭矩軸的扭矩M2。 這兩個力矩使搖臂產生彎曲和扭轉變形。使主這兩個力矩使搖臂產生彎曲和扭轉變形。使主 軸偏離其正確位置。軸偏離其正確位置。 l 立柱分內外兩層。立柱分內外兩層。 l 搖臂沿外柱升降，并搖臂沿外柱升降，并 連同外柱繞內柱轉動。連同外柱繞內柱轉動。 搖臂與外柱在上、下?lián)u臂與外柱在上、下 兩圈兩圈D、E處接觸。工處接觸。工 作時，內、外柱之間作時，內、外柱之間 在在F處夾緊。處夾緊。 n 搖臂作用

8、于外柱的，可看搖臂作用于外柱的，可看 作是由作是由D、E點處兩個集中點處兩個集中 力組成的力偶。力組成的力偶。 yz平面內：平面內：彎矩彎矩M1=FfL xz平面內：平面內：彎矩彎矩M2= Ffe 切削轉矩切削轉矩T使外柱扭轉，使外柱扭轉， 扭矩作用于扭矩作用于E與與F之間。通常之間。通常 這個扭轉變形不大，可以這個扭轉變形不大，可以忽忽 略。略。 n受力情況與外柱相似受力情況與外柱相似 yz和和xz面內的彎曲面內的彎曲； 從夾緊點從夾緊點F至根部之間至根部之間 的扭轉。的扭轉。扭轉變形扭轉變形不大，不大， 可以可以忽略。忽略。 結論：結論： u立柱內、外層都以彎曲變形為主。立柱內、外層都以彎

9、曲變形為主。立柱的立柱的 彎曲變形也將使主軸偏離其正確位置。彎曲變形也將使主軸偏離其正確位置。 u立柱的形狀往往是圓形的，故立柱的形狀往往是圓形的，故Ml、M2兩個兩個 力矩中，只需考慮大的一個，一般為力矩中，只需考慮大的一個，一般為Ml =FfL。 u臥式車床床身在切削力作用下主要產生的臥式車床床身在切削力作用下主要產生的 變形是垂直和水平面內的彎曲變形，及由變形是垂直和水平面內的彎曲變形，及由 在垂直和水平方向的扭矩聯(lián)合作用下的扭在垂直和水平方向的扭矩聯(lián)合作用下的扭 轉變形。轉變形。 u在彎曲變形中，水平面內的彎曲對加工精在彎曲變形中，水平面內的彎曲對加工精 度的影響比垂直面內的彎曲要大。

10、對于較度的影響比垂直面內的彎曲要大。對于較 長的床身，扭轉變形對加工精度的影響最長的床身，扭轉變形對加工精度的影響最 大。大。 例：例： 載荷是通過導軌面施加到床身上去的。變形包載荷是通過導軌面施加到床身上去的。變形包 括床身自身的變形，導軌部分局部的變形，導括床身自身的變形，導軌部分局部的變形，導 軌表面的接觸變形。軌表面的接觸變形。 支承件的變形支承件的變形 自身變形自身變形 局部變形局部變形 接觸變形接觸變形 （1）自身剛度：）自身剛度：在外載荷作用下，支承件本在外載荷作用下，支承件本 體抵抗變形的能力。體抵抗變形的能力。 （2）自身剛度主要應考慮彎曲剛度和扭轉剛自身剛度主要應考慮彎曲剛

11、度和扭轉剛 度。度。 （3）主要決定于支承件的材料、形狀、尺寸、）主要決定于支承件的材料、形狀、尺寸、 肋板的布置等。肋板的布置等。 （1）局部剛度：）局部剛度： 抵抗局部變形抵抗局部變形 的能力。的能力。 （2）局部變形發(fā)局部變形發(fā) 生在載荷集中生在載荷集中 的地方。的地方。 （3）局部剛度與支承件局部受載荷處的結構、尺寸）局部剛度與支承件局部受載荷處的結構、尺寸 等有關。等有關。 （1）接觸剛度：接觸剛度：支承件的結合面在外載荷的作用支承件的結合面在外載荷的作用 下抵抗接觸變形的能力。下抵抗接觸變形的能力。 （2）兩個平面接觸，平面有一定的宏觀不平度，兩個平面接觸，平面有一定的宏觀不平度，

12、 因而實際接觸面積只是名義接觸面積的一部分；因而實際接觸面積只是名義接觸面積的一部分； 由于微觀不平，真正接觸的只是一些高點。由于微觀不平，真正接觸的只是一些高點。 （3） 接觸剛度接觸剛度Kj (Mpa/um)是是平均壓強平均壓強p與變形與變形之比。之比。 K Kj j不是一個固定值，不是一個固定值，與與p p的關系是的關系是非線性非線性的。的。 當壓強很小時，兩個面之當壓強很小時，兩個面之 間只有少數高點接觸，接觸間只有少數高點接觸，接觸 剛度較低。剛度較低。 當壓強較大時，這些高點產生了當壓強較大時，這些高點產生了 變形，實際接觸面積增加，接觸變形，實際接觸面積增加，接觸 剛度提高。剛度

13、提高。 （4）支承件的自身剛度和局部剛度對接觸壓支承件的自身剛度和局部剛度對接觸壓 強分布有影響。強分布有影響。 如自身剛度和局部剛度較高，則接觸壓強如自身剛度和局部剛度較高，則接觸壓強 的分布基本上是均勻的的分布基本上是均勻的，接觸剛度也較高。接觸剛度也較高。 如自身剛度或局部剛度不足，則在集中載如自身剛度或局部剛度不足，則在集中載 荷作用下，構件變形較大，使接觸壓強分荷作用下，構件變形較大，使接觸壓強分 布不均布不均，使接觸變形分布也不均，降低了使接觸變形分布也不均，降低了 接觸剛度。接觸剛度。 在支承件的結構設計中，應采取適當措施，在支承件的結構設計中，應采取適當措施， 提高支承件的自身

14、剛度、局部剛度和接觸剛度。提高支承件的自身剛度、局部剛度和接觸剛度。 一、提高支承件自身剛度的措施一、提高支承件自身剛度的措施 正確選擇支承件形狀和尺寸正確選擇支承件形狀和尺寸 合理布置隔板合理布置隔板 合理開窗、加蓋合理開窗、加蓋 1、正確選擇支承件形狀和尺寸、正確選擇支承件形狀和尺寸 (1) 支承件的變形，主要是彎曲和扭轉，與截面慣性支承件的變形，主要是彎曲和扭轉，與截面慣性 矩有關，即與截面形狀有關。矩有關，即與截面形狀有關。 (2) 材料和截面積相同而形狀不同時，截面慣性矩相材料和截面積相同而形狀不同時，截面慣性矩相 差很大。差很大。 (3) 提高支承件的剛度，必須選取有利的截面形狀。

15、提高支承件的剛度，必須選取有利的截面形狀。 表表112，截面積近似地皆為，截面積近似地皆為10000mm2八種不同截面形狀八種不同截面形狀 的抗彎和抗扭慣性矩的比較。的抗彎和抗扭慣性矩的比較。 （1）截面積相同時，截面積相同時，空心空心截面的剛度截面的剛度大于實心大于實心的的。 （2）加大輪廓尺寸，減小壁厚，可大大提高剛度加大輪廓尺寸，減小壁厚，可大大提高剛度 。 （3）抗彎剛度：矩形抗彎剛度：矩形方形方形園形，園形， 抗扭剛度：園形抗扭剛度：園形方形方形矩形。矩形。 （4）不封閉的截面比封閉的截面，不封閉的截面比封閉的截面， 剛度顯著下降。剛度顯著下降。 特別是抗扭剛度，下降更多特別是抗扭剛

16、度，下降更多 。 （1）搖臂：）搖臂： 主要是主要是豎直豎直(yz)面內的彎矩面內的彎矩M1=FfL、繞、繞y軸的扭矩軸的扭矩 M2=Ffe，以，以M1為主。為主。因此形狀選擇原則：因此形狀選擇原則： 截面形狀應為空心矩形。四周盡量封閉。截面形狀應為空心矩形。四周盡量封閉。 豎向尺寸應大于橫向尺寸。豎向尺寸應大于橫向尺寸。但由于扭矩的存在，但由于扭矩的存在， 這兩個方向的尺寸這兩個方向的尺寸不宜相差太大。不宜相差太大。 搖臂靠近立柱處的根部彎矩最大，往自由端逐漸搖臂靠近立柱處的根部彎矩最大，往自由端逐漸 減小，故減小，故搖臂的截面搖臂的截面也是也是越靠近根部越大。越靠近根部越大。 n 主要承受

17、（主要承受（yz和和xz面內的）彎矩，面內的）彎矩， 越靠近下支承點越靠近下支承點F處，彎矩越大。處，彎矩越大。F 處到根部彎矩不變。處到根部彎矩不變。 n 故內立柱在上、下支承間一段故內立柱在上、下支承間一段 CF應上細下粗。應上細下粗。F處到根部可處到根部可 做成等截面。做成等截面。 （3）外柱）外柱 為搖臂升降的為搖臂升降的導向面，導向面，故常制成故常制成 圓柱形。圓柱形。 （4）主軸中心與搖臂的中心面越近，則力臂主軸中心與搖臂的中心面越近，則力臂 e越小，扭矩越小，扭矩M2=Ffe也越小。所以設計主也越小。所以設計主 軸箱時應使軸箱時應使主軸中心盡量接近導軌主軸中心盡量接近導軌。 （1

18、）隔板：）隔板：在支承件兩外壁間起連接作用的內壁。在支承件兩外壁間起連接作用的內壁。 （2）隔板的作用：）隔板的作用：把作用于支承件局部地區(qū)的載荷把作用于支承件局部地區(qū)的載荷 傳遞給其他壁板，從而使整個支承件承受載荷，傳遞給其他壁板，從而使整個支承件承受載荷，提提 高支承件的自身剛度。高支承件的自身剛度。 （3）當支承件不能做成封閉的截形時，則在其內部當支承件不能做成封閉的截形時，則在其內部 設置隔板，以提高自身剛度。設置隔板，以提高自身剛度。設置隔板是提高剛度設置隔板是提高剛度 的有效方法之一，其效果比增加壁厚更為顯著。的有效方法之一，其效果比增加壁厚更為顯著。 (1)支承件外壁支承件外壁開

19、開窗窗孔，會降低抗彎、抗扭剛度孔，會降低抗彎、抗扭剛度，其，其 中中抗扭剛度降低更大抗扭剛度降低更大。應避免在主要承受扭矩的應避免在主要承受扭矩的 支承件上開孔。支承件上開孔。 (2)對抗彎剛度，與彎曲平面垂直的壁上的窗孔，影對抗彎剛度，與彎曲平面垂直的壁上的窗孔，影 響最大。對抗扭剛度，較窄壁上的窗孔，比較寬響最大。對抗扭剛度，較窄壁上的窗孔，比較寬 壁上的影響大。壁上的影響大。 (3)窗窗孔孔應靠近支承件的幾何中心線附近應靠近支承件的幾何中心線附近，孔寬或孔孔寬或孔 徑不超過支承件寬度的徑不超過支承件寬度的0.250.25倍。倍。 (4)(4)窗孔邊緣厚一些窗孔邊緣厚一些(翻邊翻邊)，工作

20、時加蓋，并用螺釘，工作時加蓋，并用螺釘 上緊，可補償一部分剛度的損失。上緊，可補償一部分剛度的損失。 1、合理選擇連接部位的結構、合理選擇連接部位的結構 (1) 設圖設圖a的一般凸緣連接，相對連接剛度為的一般凸緣連接，相對連接剛度為1.0 (2) 圖圖b有加強筋的凸有加強筋的凸 緣連接為緣連接為1.06 (3) 圖圖c凹槽式為凹槽式為1.80 (4) 圖圖dU型加強筋結構型加強筋結構 為為1.85 例，例，車床床身，由于床身的基本部分較薄而導軌較車床床身，由于床身的基本部分較薄而導軌較 厚，如設計成圖厚，如設計成圖11-8a的形狀，則在載荷的形狀，則在載荷F的作用的作用 下，導軌處易發(fā)生局部變

21、形。下，導軌處易發(fā)生局部變形。 采用加厚的過渡壁，并加肋采用加厚的過渡壁，并加肋(圖圖b)，可顯著地提，可顯著地提 高導軌處的局部剛度。高導軌處的局部剛度。 (1)有些支承件的內部要安裝其它機構，不但不能封有些支承件的內部要安裝其它機構，不但不能封 閉，即使安裝隔板也會有所妨礙，這時采用加強閉，即使安裝隔板也會有所妨礙，這時采用加強 肋來提高剛度。肋來提高剛度。 (2)合理配置加強肋是提高局部剛度的有效方法。合理配置加強肋是提高局部剛度的有效方法。 (3)加強肋的高度可取為壁厚的加強肋的高度可取為壁厚的45倍，厚度與壁厚倍，厚度與壁厚 之比為之比為081。 圖圖a的肋用來提高軸承座處的局部剛度；的肋用來提高軸承座處的局部剛度； 圖圖b和圖和圖c為當壁板面積大于為當壁板面積大于400400mm2時，時， 為避免薄壁振動而在壁板內表面加的肋。其為避免薄壁振動而在壁板內表面加的肋。其 作用在于提高壁板的抗彎剛度。作用在于提高壁板的抗彎剛度。 圖圖d為立柱內的環(huán)形肋，主要用來抵抗截面形狀的畸變。前為立柱內的環(huán)形肋，主要用來抵抗截面形狀的