機(jī)械設(shè)計(jì)之機(jī)架部分

1、機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)座的材料和時(shí)效處理1 .機(jī)座的材料：機(jī)座材料應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)、工藝、本錢(qián)、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)周期等要求正確選擇,常用的有：鑄鐵：容易鑄成形狀復(fù)雜的零件；價(jià)格較廉價(jià)；鑄鐵的摩擦大,有良好的抗振性.其缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng),單件生產(chǎn)本錢(qián)較高；鑄件易產(chǎn)生廢品,質(zhì)量不易限制；鑄件的加工余量大,機(jī)械加工費(fèi)用大.常用的灰口鑄鐵有兩種：HT200適用于外形較簡(jiǎn)單,單位壓力較大(p>5公斤/厘米2)的導(dǎo)軌,或彎曲應(yīng)力較大的(t>30Qa>斤/厘米2)床身等；HT150的流動(dòng)性較好,但機(jī)械性能稍差,適用于形狀復(fù)雜而載荷不大的機(jī)座.假設(shè)灰口鑄鐵不能滿(mǎn)足耐磨性要求,應(yīng)采用耐磨鑄鐵.(2)鋼：用鋼

2、材焊接成機(jī)架.鋼的彈性模量比鑄鐵大,焊接機(jī)架的壁厚較薄,其重量比同樣剛度的機(jī)座約輕20%50%;在單件小批量生產(chǎn)情況下,生產(chǎn)周期較短,所需設(shè)備簡(jiǎn)單；焊接機(jī)架的缺點(diǎn)是鋼的抗振性能較差,在結(jié)構(gòu)上需采取防振舉措；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時(shí)本錢(qián)較高.2 .機(jī)座的時(shí)效處理制造機(jī)座時(shí),鑄造(或焊接)、熱處理及機(jī)加工等都會(huì)產(chǎn)生高溫,因各局部冷卻速度不同而收縮不均勻,使金屬部產(chǎn)生應(yīng)力.如果不進(jìn)行時(shí)效處理,將因應(yīng)力的逐漸重新分布而變形,使機(jī)座喪失原有的精度.時(shí)效處理就是在精加工之前,使機(jī)座充分變形,消除應(yīng)力,提升其尺寸的穩(wěn)定性.常見(jiàn)的方法有自然時(shí)效、人工時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效等幾種,其中以人工時(shí)效應(yīng)用最廣.機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)

3、計(jì)1 .機(jī)座的典型結(jié)構(gòu)(1)方形截面機(jī)座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,箱體有較大的空間來(lái)安放其它部件；但剛度稍差,宜用于載荷較小的場(chǎng)合.所以機(jī)座應(yīng)選擇適宜的壁厚、筋板和形狀,以保證在重力、慣性力和外力的作用下,有足夠的剛度.見(jiàn)圖21-1.(2)圓形截面機(jī)座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,易于制造和造型設(shè)計(jì),有較好的承載水平.(3)鑄鐵板裝配式機(jī)座鑄鐵板裝配結(jié)構(gòu),適用于局部形狀復(fù)雜的場(chǎng)合.它具有生產(chǎn)周期短、本錢(qián)低以及簡(jiǎn)化木模形狀和鑄造工藝等優(yōu)點(diǎn).但剛度較整體箱體機(jī)座的差,且加工和裝配工作量較大.2 .截面形狀的選擇為保證機(jī)座的剛度和強(qiáng)度,減輕重量和節(jié)約材料,必須根據(jù)設(shè)備的受力情況,選擇經(jīng)濟(jì)合理的截面形狀.機(jī)座雖受力較復(fù)雜

4、,但不外是拉、壓、彎、扭的作用.當(dāng)受簡(jiǎn)單拉、壓作用時(shí),變形只和截面積有關(guān),而與截面形狀無(wú)關(guān),設(shè)計(jì)時(shí)主要是選擇合理的尺寸.如果受彎、扭作用時(shí),變形與截面形狀有關(guān).在其它條件相同情況下,抗扭慣性矩Ic越大,扭轉(zhuǎn)變形越小,抗扭剛度越大.表21.1是面積相同的,各種截面形狀與慣性矩的比擬.從表中可以看出：1空心結(jié)構(gòu)的剛度比實(shí)心結(jié)構(gòu)的剛度大；2封閉圓形截面的抗扭剛度好,而封閉方形截面的抗彎和抗扭都較好；3加大橫截面輪廓尺寸和減小壁厚時(shí),可提升剛度.3 .隔板與增強(qiáng)筋封閉空心截面的剛度較好,但為了鑄造清砂及其部零部件的裝配和調(diào)整,必須在機(jī)座壁上開(kāi)"窗口",其結(jié)果使機(jī)座整體剛度大大降低.

5、假設(shè)單靠增加壁厚提升剛度,勢(shì)必使機(jī)座笨重、浪21-2.直形筋的鑄造工藝費(fèi)材料,故常用增加隔板和增強(qiáng)筋來(lái)提升剛度.增強(qiáng)筋常見(jiàn)的有直形筋、斜向筋、十字筋和米字筋四種如圖簡(jiǎn)單,但剛度最??；米字筋的剛度最大,但鑄造工藝最復(fù)雜.增強(qiáng)筋和隔板的厚度,一般取壁厚的0.8倍.21-24 .連接剛度為提升結(jié)合外表的連接剛度,可采取如下舉措:1根據(jù)受力大小和方向,合理選擇緊固螺釘?shù)闹睆?、?shù)量及其位置.必要時(shí),可使螺釘產(chǎn)生預(yù)緊力,來(lái)提升連接剛度.2提升結(jié)合外表的光潔度和形狀精度,使結(jié)合外表上的接觸點(diǎn)增多,從而提升結(jié)合面的接觸剛度.3增加局部剛度來(lái)提升連接剛度,如圖21-3,在安裝螺釘處加厚凸緣；或用壁龕式螺釘孔;或

6、用增強(qiáng)筋等方法增加局部剛度,從而提升連接剛度.5 .結(jié)構(gòu)的工藝性機(jī)座屬于箱體類(lèi)零件,體積大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,本錢(qián)較高.設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性,以便于制造和降低本錢(qián).箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 .箱體的主要功能(1)支承并包容各種傳動(dòng)零件,如堆、軸、軸承等,使它們能夠保持正常的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)精度.箱體還可以?xún)?chǔ)存潤(rùn)滑劑,實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)零件的潤(rùn)滑.(2)平安保護(hù)和密封作用,使箱體的零件不受外界環(huán)境的影響,又保護(hù)機(jī)器操作者的人生安全,并有一定的隔振、隔熱和隔音作用.(3)使機(jī)器各局部分別由獨(dú)立的箱體組成,各成單元,便于加工、裝配、調(diào)整和修理.(4)改善機(jī)器造型,協(xié)調(diào)機(jī)器各局部比例,使整機(jī)造型美觀.2 .箱體

7、的分類(lèi)按箱體的功能可分為：(1)傳動(dòng)箱體,如減速器、汽車(chē)變速箱及機(jī)床主軸箱等的箱體,主要功能是包容和支承各傳動(dòng)件及其支承零件,這類(lèi)箱體要求有密封性、強(qiáng)度和剛度.見(jiàn)圖21-6.(2)泵體和閥體,如齒輪泵的泵體,各種液壓閥的閥體,主要功能是改變液體流動(dòng)方向、流量大小或改變液體壓力.這類(lèi)箱體除有對(duì)前一類(lèi)箱體的要求外,還要求能承受箱體液體的壓力.(3)支架箱體,如機(jī)床的支座、立柱等箱體零件,要求有一定的強(qiáng)度、剛度和精度,這類(lèi)箱體設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意剛度和外觀造型.按箱體的制造方法分,主要有：鑄造箱體,常用的材料是鑄鐵,有時(shí)也用鑄鋼、鑄鋁合金和鑄銅等.鑄鐵箱體的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形狀可以較復(fù)雜,有較好的吸振性和機(jī)加

8、工性能,常用于成批生產(chǎn)的中小型箱體.(2)焊接箱體,由鋼板、型鋼或鑄鋼件焊接而成,結(jié)構(gòu)要求較簡(jiǎn)單,生產(chǎn)周期較短.焊接箱體適用于單件小批量生產(chǎn),尤其是大件箱體,采用焊接件可大大降低本錢(qián).(3)其它箱體,如沖壓和注塑箱體,適用于大批量生產(chǎn)的小型、輕載和結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單的箱體.2設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)要求箱體設(shè)計(jì)首先要考慮箱體零件的布置及與箱體外部零件的關(guān)系,如車(chē)床按兩頂尖要求等高,確定箱體的形狀和尺寸,此外還應(yīng)考慮以下問(wèn)題：1 .滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求.對(duì)受力很大的箱體零件,滿(mǎn)足強(qiáng)度是一個(gè)重要問(wèn)題；但對(duì)于大多數(shù)箱體,評(píng)定性能的主要指標(biāo)是剛度,由于箱體的剛度不僅影響傳動(dòng)零件的正常工作,而且還影響部件的工作精度

9、.2 .散熱性能和熱變形問(wèn)題.箱體零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?影響其潤(rùn)滑性能；溫度升高使箱體產(chǎn)生熱變形,尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應(yīng)力,對(duì)箱體的精度和強(qiáng)度有很大的影響.3 .結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理.如支點(diǎn)的安排、筋的布置、開(kāi)孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等均要有利于提升箱體的強(qiáng)度和剛度.4 .工藝性好.包括毛坯制造、機(jī)械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運(yùn)輸、維護(hù)修理等各方面的工藝性.5 .造型好、質(zhì)量小.設(shè)計(jì)不同的箱體對(duì)以上的要求可能有所側(cè)重.3箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)箱體的形狀和尺寸常由箱體部零件及部零件間的相互關(guān)系來(lái)決定,決定箱體結(jié)構(gòu)尺寸和外觀造型的這一設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為"結(jié)構(gòu)包容法",當(dāng)然

10、還應(yīng)考慮外部有關(guān)零件對(duì)箱體形狀和尺寸的要求.箱體壁厚的設(shè)計(jì)多采用類(lèi)比法,對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行比擬,參照設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)等資料提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定壁厚、筋板和凸臺(tái)等的布置和結(jié)構(gòu)參數(shù).對(duì)于重要的箱體,可用計(jì)算機(jī)的有限元法計(jì)算箱體的剛度和強(qiáng)度,或用模型和實(shí)物進(jìn)行應(yīng)力或應(yīng)變的測(cè)定,直接取得數(shù)據(jù)或作為計(jì)算結(jié)果的校核手段.1 .箱體的毛坯、材料及熱處理箱體的毛坯：選用鑄造毛坯或焊接毛坯,應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)行全面分析決定.鑄造容易鑄造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體毛坯,焊接箱體允許有薄壁和大平面,而鑄造卻較困難實(shí)現(xiàn)薄壁和大平面.焊接箱體一般比鑄造箱體輕,鑄造箱體的熱影響變形小,吸振水平較強(qiáng),也容易獲得較好的結(jié)構(gòu)剛度.(2)

11、箱體的材料和熱處理箱體的常用材料有：鑄鐵多數(shù)箱體的材料為鑄鐵,鑄鐵流動(dòng)性好,收縮較小,容易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體.鑄鐵的阻尼作用強(qiáng),動(dòng)態(tài)剛性和機(jī)加工性能好,價(jià)格適度.參加合金元素還可以提升耐磨性.具體牌號(hào)查閱有關(guān)手冊(cè).鑄造鋁合金用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體.多數(shù)可通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化,有足夠的強(qiáng)度和較好的塑性.鋼材鑄鋼有一定的強(qiáng)度,良好的塑性和韌性,較好的導(dǎo)熱性和焊接性,機(jī)加工性能也較好,但鑄造時(shí)容易氧化與熱裂.箱體也可用低碳鋼板和型鋼焊接而成.箱體的熱處理：鑄造或箱體毛坯中的剩余應(yīng)力使箱體產(chǎn)生變形,為了保證箱體加工后精度的穩(wěn)定性,對(duì)箱體毛坯或粗加工后要用熱處理方法消除剩余應(yīng)力,減少變形

12、.常用的熱處理舉措有以下三類(lèi)：A熱時(shí)效.鑄件在500600.C下退火,可以大幅度地降低或消除鑄造箱體中的剩余應(yīng)力.B熱沖擊時(shí)效.將鑄件快速加熱,利用其產(chǎn)生的熱應(yīng)力與鑄造剩余應(yīng)力疊加,使原有剩余應(yīng)力松弛.C自然時(shí)效.自然時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效可以提升鑄件的松弛剛性,使鑄件的尺寸精度穩(wěn)定.2 .箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇1壁厚鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從表21-2中選取,表中N用下式計(jì)算：N=2L+B+H/3000mm式中L-鑄件長(zhǎng)度mm,L、B、H中,L為最大值；B-鑄件寬度mm;H-鑄件高度mm;表21-2鑄造箱體的壁厚為至尺寸箱體材舒灰鑄鐵情婀幡忸合金禱舸0.3D,751,叩1,5.3,叩帥6g10

13、121620241D1D1515一加2D25U3.3D35354D455g1D占1266注:1.此菽為砂理鑄造數(shù)掘.2.球墨鑄鐵,可鍛僑鐵壁厚減小20隊(duì)儀器儀表鑄造外殼的最小壁厚參考表21-3選取合金種或鑄造方法砂型金屬理壓力得造熔模鑄造殼橫將造鋁合金1L52T.5鎂合金3知合金21一辭金食2122(2)增強(qiáng)筋為改善箱體的剛度,尤其是箱體壁厚的剛度,常在箱壁上增設(shè)增強(qiáng)筋,假設(shè)箱體中有中間短軸或中間支承時(shí),常設(shè)置橫向筋板.筋板的高度H不應(yīng)超過(guò)壁厚t的(3-4)倍,超過(guò)此值對(duì)提升剛度無(wú)明顯效果.增強(qiáng)筋的尺寸見(jiàn)表21-4.表21y鑄造箱體增強(qiáng)筋尺寸外表近期厚內(nèi)腔筋厚前的高度0.8106-D,7)t工

14、5tL筋所在整序(3)孔和凸臺(tái)箱體壁和外壁上位于同一軸線(xiàn)上的孔,從機(jī)加工角度要求,單件小批量生產(chǎn)時(shí),應(yīng)盡可能使孔的質(zhì)量相等；成批大量生產(chǎn)時(shí),外壁上的孔應(yīng)大于壁上的孔徑,這有利于刀具的進(jìn)入和退出.箱體壁上的開(kāi)孔會(huì)降低箱體的剛度,實(shí)驗(yàn)證實(shí),剛度的降低程度與孔的面積大小成正比.在箱壁上與孔中央線(xiàn)垂直的端面處附加凸臺(tái),可以增加箱體局部的剛度；同時(shí)可以減少加工面.當(dāng)凸臺(tái)直徑D與孔徑d的比值D/dW2和凸臺(tái)高度h與壁厚t的比值t/hw對(duì),剛度增加較大；比值大于2以后,效果不明顯.如因設(shè)計(jì)需要,凸臺(tái)高度加大時(shí),為了改善凸臺(tái)的局部剛度,可在適當(dāng)位置增設(shè)局部增強(qiáng)筋.見(jiàn)圖21-8.十圖21-84連接和固定箱體連接處的剛度主要是結(jié)合面的變形和位移,它包括結(jié)合面的接觸變形,連接螺釘?shù)淖冃魏瓦B接部位的局部變形.為了保證連接剛度,應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1重要結(jié)合面外表粗糙度值Ra應(yīng)不大于3.2um,接觸外表粗糙度值越小,那么接觸剛度越好.2合理選擇聯(lián)結(jié)螺釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量,保證結(jié)合面的預(yù)緊力.為了保證結(jié)合面之間的壓強(qiáng),又不使螺釘直徑太大,結(jié)合面的實(shí)際接觸面積在允許圍盡可能減小.如圖19-9.3合理設(shè)計(jì)聯(lián)結(jié)部位的結(jié)構(gòu),聯(lián)結(jié)部位的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)表21-5.表2