金屬切削機床戴曙第十一章支承件課件

第十一章支承件

第一節(jié)支承件應(yīng)滿足的要求和設(shè)計步驟

第二節(jié)支承件的靜力分析

第三節(jié)支承件的靜剛度和形狀選擇

第四節(jié)支承件的動態(tài)分析

第五節(jié)支承件的熱變形特性

第六節(jié)結(jié)構(gòu)計算的有限元法簡介第一節(jié)支承件應(yīng)滿足的要求和設(shè)計步驟支承件：是機床的基礎(chǔ)構(gòu)件，包括床身、立柱、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等。也稱為“大件”。作用：承載和作為基準。支承其它機床零部件，保持它們的相對位置，承受各種切削力等。

二、對機床支承件的基本要求(一)應(yīng)具有足夠的靜剛廢和較高的剛度一重量比。性。設(shè)計時應(yīng)力求在滿足剛度的基礎(chǔ)上，減輕機床重量(二)應(yīng)有較好的動態(tài)特性后者在很大程度上反映了設(shè)計的合理節(jié)約原材料，降低機床造價。這包括有較大的動剛廢和阻尼；與其它部件相配合，使整機的各階固有頻串不致與激振頻率重合而產(chǎn)生共振；不會發(fā)生薄壁振動而產(chǎn)生噪聲等。(二)應(yīng)具有較好的熱變形特性，使整機的熱變形較小或熱變形對加工精度、表面質(zhì)量的影響較小。(四)應(yīng)考慮到便于排屑、清砂，吊運安全；合理地布置液壓，電氣等器件，并具有良好的工藝性，便于制造和裝配。（3）應(yīng)具有較好的熱變形特性。

設(shè)法減小熱變形、不均勻熱變形，以降低對加工精度的影響。散熱、隔熱。加大散熱面積、加設(shè)散熱片、風扇、人工致冷、隔離熱源。均熱。采用：“熱對稱”等結(jié)構(gòu)，使熱變形對精度的影響較小。二、重要支承件的設(shè)計步驟1、進行受力分析。2、初步?jīng)Q定其形狀和尺寸。3、進行驗算。4、修改、對比，選擇最佳方案。第二節(jié)支承件的靜力分析1．中、小型機床：載荷以切削力為主。重量（工件、移動部件）忽略不計。如中型車床、銑床、鉆床、加工中心等。2．精密和高精度機床：載荷以移動件的重力和熱應(yīng)力為主。切削力較小（因以精加工為主）忽略不計。如雙柱立式坐標鏜床等。3．大型機床：載荷必須同時考慮工件重力、切削力和移動件的重力。如重型車床、落地鏜銑床、龍門式機床等。1．自身剛度（1）自身剛度：在外載荷作用下，支承件本體抵抗變形的能力。（2）自身剛度主要應(yīng)考慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

（3）主要決定于支承件的材料、形狀、尺寸、隔板的布置等。2．局部剛度（1）局部剛度：抵抗局部變形的能力。（2）局部變形發(fā)生在載荷集中的地方。（3）局部剛度與支承件局部受載荷處的結(jié)構(gòu)、尺寸等有關(guān)。3．接觸剛度

（1）接觸剛度：支承件的結(jié)合面在外載荷的作用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，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。支承件的自身剛度和局部剛度對接觸壓強分布有影響。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，接觸剛度也較高。如自身剛度或局部剛度不足，則在集中載荷作用下，構(gòu)件變形較大，使接觸壓強分布不均，使接觸變形分布也不均，降低了接觸剛度。三、支承件的形狀選擇的原則

(1)支承件的變形，主要是彎曲和扭轉(zhuǎn)，與截面慣性矩有關(guān)，即與截面形狀有關(guān)。(2)材料和截面積相同而形狀不同時，截面慣性矩相差很大。(3)提高支承件的剛度，必須選取有利的截面形狀。表11—2，截面積近似地皆為10000mm2八種不同截面形狀的抗彎和抗扭慣性矩的比較。五、窗孔(1)支承件外壁開窗孔，會降低抗彎、抗扭剛度，其中抗扭剛度降低更大。應(yīng)避免在主要承受扭矩的支承件上開孔。(2)對抗彎剛度，與彎曲平面垂直的壁上的窗孔，影響最大。對抗扭剛度，較窄壁上的窗孔，比較寬壁上的影響大。(3)窗孔應(yīng)靠近支承件的幾何中心線附近，孔寬或孔徑不超過支承件寬度的0.25倍。(4)窗孔邊緣厚一些(翻邊)，工作時加蓋，并用螺釘上緊，可補償一部分剛度的損失。

六、提高局部剛度1.合理選擇連接部位的結(jié)構(gòu)(1)設(shè)圖a的一般凸緣連接，相對連接剛度為1.0(2)圖b有加強筋的凸緣連接為1.06(3)圖c凹槽式為1.80(4)圖dU型加強筋結(jié)構(gòu)為1.853、合理配置加強肋（筋）

(1)有些支承件的內(nèi)部要安裝其它機構(gòu)，不但不能封閉，即使安裝隔板也會有所妨礙，這時采用加強肋來提高剛度。(2)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4～5倍，厚度與壁厚之比為0．8～1。七、提高接觸剛度1、提高結(jié)合面質(zhì)量導軌面、重要的固定結(jié)合面必須磨配或刮配。2、合理選擇螺釘尺寸、數(shù)量和布置固定螺釘應(yīng)在接觸面上造成一個預(yù)壓力。通常應(yīng)使接觸面間的平均預(yù)壓壓強約為2MPa。八、壁厚支承件的壁厚應(yīng)根據(jù)工藝上的可能選擇得薄一些。按照目前的工藝水平，砂模鑄造鑄鐵件的外壁厚可根據(jù)當量尺寸C(m)按表11-3選擇。式中：L、B、H——鑄件的長、寬、高（m）（三）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土：抗振性好，成本低（四）天然花崗巖：性能穩(wěn)定，精度保持性好，抗振性好，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性強，不導電，抗磁，與金屬不粘結(jié)，加工方便（五）樹脂混凝土：剛度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，熱穩(wěn)定性高，質(zhì)量輕，可有良好的幾何形狀精度，極好的耐腐蝕性，成本低，無污染，生產(chǎn)周期短，床身靜剛度高。且可以預(yù)埋金屬或添加加強纖維來提高某些力學性能十、工藝性鑄件要盡量形狀簡單，壁厚均勻，拔模容易，拐角要圓滑過渡焊接件設(shè)法減少焊接變形，盡量不仰焊加工平面盡可能設(shè)在一個平面內(nèi)，以便于加工第四節(jié)支承件的動態(tài)特性

動態(tài)特性一般包括三方面問題：1)共振問題

在工作時支承件的固有頻率不能與激振頻率相重合，應(yīng)避免發(fā)生共振現(xiàn)象。2)動力響應(yīng)問題

支承件應(yīng)具有較高的動剛度（共振狀態(tài)下，激振力的幅值與振幅之比）和較大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振動的振幅較小。

3)切削穩(wěn)定性問題抵抗切削自激振動的能力，研究支承件動態(tài)特性就要對切削穩(wěn)定性進行分析。

一、支承件固有頻率和振型

分析支承件動態(tài)特性時，通常可將支承件簡化為一個多自由度的系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)的固有頻率和主振型，是通過求解系統(tǒng)的無阻尼自由振動方程得到。

1.多自由度系統(tǒng)的固有頻率和主振型

圖a所示的振型，其固有頻率比圖b所示的低。因此，圖a為第一階振型，其固有頻率為第一階固有頻率，合稱第一階模態(tài)；圖b為第二階振型，第二階固有頻率，合稱第二階模態(tài)。

2.支承件的模態(tài)分析由于機床上激振力的頻率一般都不太高，因而只有最低幾階模態(tài)的固有頻率才有可能與激振頻率重合或接近。高階模態(tài)的固有頻率已遠高于可能出現(xiàn)的激振力頻率，一般不可能發(fā)生共振，對于加工質(zhì)量的影響是不大的。所以只需研究最低幾階模態(tài)。

1)第一階模態(tài)整機搖晃振動，振型如圖a所示。床身作為一個剛體在彈性基礎(chǔ)上做搖晃振動。整機搖晃的固有頻率較低，通常約為數(shù)十赫茲。

2)第二階模態(tài)

一次彎曲振動，振型如圖b所示。主振系統(tǒng)是床身本身。振動的特點是各點的振動方向一致，上下振幅相差不大，縱向(z向)越近中部，振幅越大；越近兩端振幅越小。3)第三階模態(tài)

一次扭轉(zhuǎn)振動，振型如圖c所示。主振系統(tǒng)與第二階模態(tài)相同。振型振動的特點是兩端的振動方向相反,振幅為兩端大中間小。4)第四階模態(tài)

二次彎曲振動，振型如圖d所示。主振系統(tǒng)同上。特點是有兩條節(jié)線AB和CD。在這兩條節(jié)線上，振幅為零。兩端的振動方向相同，與兩節(jié)線間的振動方向相反。5)薄壁振動

在高頻振動中，需要注意的是薄壁振動。薄壁振動的振幅不大，又是局部振動，故對加工精度影響不大，但卻是重要的噪聲源或噪聲的傳播者。上述模態(tài)中，第二、三、四階將引起執(zhí)行器官之間的相對位移，對加工精度和加工表面粗糙度，影響較大。第一階也能引起安裝部件的相對位移而影響加工質(zhì)量。二、改善支承件動態(tài)特性和措施

改善支承件的動態(tài)特性，提高其抗振性，其關(guān)鍵是提高支承件的動剛度。

1.單自由度系統(tǒng)的動態(tài)特性

提高結(jié)構(gòu)的動剛度，可以采用以下一些辦法：提高系統(tǒng)的靜剛度；增大系統(tǒng)中的阻尼比；提高系統(tǒng)的固有角頻率；或改變激振角頻率，以使二者遠離。2.改善支承件動態(tài)特性的措施

1)提高靜剛度提高靜剛度的途徑主要是合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)的截面形狀和尺寸、合理的布置肋板和肋條、還必須注意結(jié)構(gòu)的整體剛度、局部剛度和接觸剛度的匹配等。

2)增加阻尼

常用的有保留砂芯的方法（常稱封砂結(jié)構(gòu)），鑄件的砂芯不清與鑄件和砂與砂之間的摩擦耗散振動能量，以提高阻尼。3)調(diào)整固有頻率增加剛度或減少質(zhì)量，都可以使固有頻率提高，而改變阻尼系數(shù)，則固有頻率的變化不大。4)采用減振器

采用減振器也是提高抗振性的一種有效方法，其特點是結(jié)構(gòu)輕巧。

第五節(jié)支承件的熱變形特性一、支承件熱變形

機床和支承件的熱變形機床工作時，存在各種熱源，如切削、電動機、液壓系統(tǒng)和機械摩擦都會發(fā)熱，使各部件因溫度分布不均而產(chǎn)生變形，這就是熱變形。熱變形可以改變機床各執(zhí)行器官的相對位置及其位移的軌跡，從而降低加工精度。熱變形對普通中小機床加工精度影響不太明顯，但對自動機床、自動線、和精密、高精度機床的影響卻很明顯。二、改善支承件熱變形特性的措施改善支承件的熱變形特性，就是設(shè)法減少熱變形，特別是不均勻的熱變形，以及降低熱變形對精度的影響。1．散熱和隔熱

2.均熱

3.使熱變形對精度的影響較小

1.有限元法的基本原理利用加權(quán)余數(shù)法和變分法將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組求解該矩陣方程包括系數(shù)矩陣、激勵源矩陣和邊界矩陣，而計算這些矩陣的元素時，常常用到分部積分法。如果為了計算精度而選取很多個嘗試函數(shù)，那么計算這些為數(shù)眾多的分部積分既十分復雜又很費時間，并且很難用計算機進行數(shù)值計算。因此，我們需要尋找一個改進的方法來簡化計算，并設(shè)法利用計算機進行處理，有限元法就是其中的一種。通過嘗試函數(shù)的選取，近似解滿足1類邊界條件，第六節(jié)結(jié)構(gòu)計算的有限元法簡介基本思想：在有限元方法中，場域被分割