《機(jī)械設(shè)計(jì)》課件第18章

18.1概述18.2機(jī)座和箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)18.3機(jī)座和箱體的結(jié)構(gòu)工藝性第18章機(jī)座和箱體18.1概述

機(jī)座和箱體等零件，在一臺機(jī)器的總質(zhì)量中占有很大的比例(例如在機(jī)床中約占總質(zhì)量的70%~90%)，同時(shí)在很大程度上影響著機(jī)器的工作精度及抗振性能。若兼作運(yùn)動部件的滑道(導(dǎo)軌)，還影響著機(jī)器的耐磨性等。所以，正確選擇機(jī)座和箱體等零件的材料和正確設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機(jī)器質(zhì)量、節(jié)約金屬材料、提高工作精度、增強(qiáng)機(jī)器剛度及耐磨性等的重要途徑。18.1.1機(jī)座和箱體的一般類型

1.按構(gòu)造形式分

機(jī)座和箱體按構(gòu)造形式可分為以下四類：

(1)機(jī)座類(圖18-1(a)、(b)、(c)、(d));

(2)機(jī)架類(圖18-1(e)、(f)、(g));

(3)基板類(圖18-1(h));

(4)箱殼類(圖18-1(i)、(j))。圖18-1機(jī)座和箱體的種類

2.按結(jié)構(gòu)分

機(jī)座和箱體按結(jié)構(gòu)可分為以下兩類：

(1)整體式;

(2)裝配式。

3.按制造方法分

機(jī)座和箱體按制造方法可分為以下幾類：

(1)鑄造;

(2)焊接;

(3)拼焊;

(4)其他，如粘接或沖壓。18.1.2機(jī)座和箱體的材料及制造方法

固定式機(jī)器，尤其是固定式重型機(jī)器，機(jī)座和箱體通常選用鑄造的方法制成。鑄造材料常用鑄鐵(包括普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵及變性灰鑄鐵等)，只有需要強(qiáng)度較高時(shí)才選用鑄鋼；當(dāng)對重量有嚴(yán)格限制(如飛行器中機(jī)座和機(jī)箱等)時(shí)，選用鋁合金等輕合金；對于電器等輕型產(chǎn)品，選用工程塑料。

對于運(yùn)動的機(jī)器，如汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)等，為減小質(zhì)量，機(jī)座和箱體常采用鋼或鋁合金型材焊接。

總之，成批生產(chǎn)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件以鑄造為宜，單件或少量生產(chǎn)且生產(chǎn)期限較短的零件用焊接。但對于單件大型機(jī)座和箱體，若單用鑄或焊皆不經(jīng)濟(jì)或不可能，則應(yīng)采用拼焊結(jié)構(gòu)等。此外，還可以采用粘接或沖壓制造機(jī)座和箱體。18.2機(jī)座和箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

18.2.1截面形狀

機(jī)座和箱體常用的幾種截面形狀為矩形、空心圓形、空心矩形、工字形。在面積相等時(shí)，空心矩形截面彎曲強(qiáng)度不及工字形截面，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不及空心圓形截面，但它的扭轉(zhuǎn)剛度卻大得多，而且采用空心矩形截面的機(jī)架和箱體的內(nèi)壁上易裝設(shè)其他機(jī)件，所以絕大多數(shù)的機(jī)座和箱體都采用這種截面形狀。18.2.2壁厚

壁厚直接影響機(jī)座和箱體的強(qiáng)度與剛度。一般先按經(jīng)驗(yàn)或類比法確定壁厚和其他結(jié)構(gòu)尺寸，再用有限元法等計(jì)算其強(qiáng)度和剛度，經(jīng)過不斷修整，獲得合理尺寸。

鑄造機(jī)座和箱體的最小壁厚可參考表18-1確定。其中N為當(dāng)量尺寸，則有

(18-1)

式中，l、b、h——機(jī)座和箱體的長、寬、高，單位為mm。焊接機(jī)座和箱體的壁厚也可參考表18-1選取。18.2.3肋板和加強(qiáng)肋

在兩壁之間起聯(lián)接作用的內(nèi)壁板稱為肋板，肋板的形式如圖18-2所示。分布于內(nèi)壁或外壁上的凸板稱為加強(qiáng)肋，加強(qiáng)肋的形式如圖18-3所示。

加設(shè)肋板和加強(qiáng)肋使質(zhì)量增大不多，但使機(jī)座和箱體的強(qiáng)度、剛度大幅度提高，同時(shí)可使壁厚減小，從而有利于保證鑄造或焊接質(zhì)量。一般鑄造機(jī)架多用井字肋。

加強(qiáng)肋的高度一般不大于壁厚的5倍，而厚度為壁厚的0.7~0.8倍。圖18-2肋板的形式圖18-3加強(qiáng)肋的形式18.3機(jī)座和箱體的結(jié)構(gòu)工藝性

18.3.1鑄造工藝性

鑄件是由液態(tài)金屬在型腔內(nèi)成形的，其形狀和大小幾乎不受限制，可獲得形狀復(fù)雜的毛坯，而又易于大批量生產(chǎn)，在機(jī)械制造中使用得最多。由于鑄件在冷卻過程中內(nèi)部冷卻速度不同，能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此所有的鑄件均應(yīng)經(jīng)過時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力。

鑄造時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。

(1)造型方法。盡量采用整體模在平板上使用兩箱造型。如圖18-4(a)所示，改進(jìn)前鑄件是三箱造型，改成圖18-4(b)后成為兩箱造型，減少了分型面，簡化了造型工藝過程。圖18-4鑄件的分型面

(2)拔模斜度。為起模方便，應(yīng)留有拔模斜度。如圖18-5(a)所示為改進(jìn)前的鑄件，無拔模斜度。圖18-5(b)為改進(jìn)后的鑄件，包括內(nèi)腔在內(nèi)起模方向都留有結(jié)構(gòu)斜度，使模型容易起拔，保證了鑄件的質(zhì)量。圖18-5起模方向留有結(jié)構(gòu)斜度

(3)鑄件的內(nèi)腔。利用型芯可以鑄出形狀極為復(fù)雜的鑄件內(nèi)腔，但生產(chǎn)成本會明顯地增加，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量不用或少用型芯。

圖18-6所示為軸承支架的三種設(shè)計(jì)方案。圖18-6(a)所示方案的結(jié)構(gòu)必須應(yīng)用型芯。若剛性能符合要求，則可改為圖18-6(b)所示方案的工字型結(jié)構(gòu)，可不用型芯。如必須應(yīng)用型芯時(shí)，則可采用圖18-6(c)所示方案的結(jié)構(gòu)，在鑄件上增加工藝孔作為安裝型芯的支承，并使鑄件內(nèi)腔清砂工作大為方便。圖18-6支架的三種設(shè)計(jì)方案

(4)鑄制孔徑。鑄件上的孔用鑄造方法制出，可減少機(jī)械加工量。若孔的尺寸太小，造芯和清砂都有困難，應(yīng)以機(jī)加工來替代。表18-2為灰鑄鐵鑄件容許鑄出的最小孔徑。18.3.2焊接工藝性

焊接件的靈活運(yùn)用可替代部分鑄件和鍛件，適用于單件、小批量或大型部件的生產(chǎn)制造，故應(yīng)用面越來越廣。一般焊接后都要對焊接件進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理。

1.焊接材料的選擇

在滿足工作性能要求的前提下，應(yīng)選用可焊性較好的材料來制造焊接結(jié)構(gòu)件。最常見的是鋼材焊接，而且含碳量低的材料可焊性好。圖18-7為幾種鋼材的可焊性比較及可焊性與含碳量的關(guān)系。圖18-7可焊性受含碳量及合金元素成分的影響焊接結(jié)構(gòu)件的金屬材料最好采用相等的厚度，這樣容易獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。如果接頭兩側(cè)的材料厚度相差較大，則接頭處會造成應(yīng)力集中，而且由于接頭兩邊熱容量不等，容易產(chǎn)生焊接缺陷。圖18-8所示為不等厚金屬材料焊接時(shí)的接頭過渡形式。圖

18-8不等厚金屬材料焊接接頭的過渡形式

2.焊縫的布置

焊接結(jié)構(gòu)件中的焊縫布置與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、工人勞動條件等都密切相關(guān)。一般焊縫形式如下：

(1)焊縫的布置應(yīng)盡可能分散。焊縫集中和重疊，會造成金屬的嚴(yán)重過熱，使組織惡化，機(jī)械性能下降，所以兩條平行的焊縫一般要求相距100mm以上。

(2)焊縫的位置應(yīng)盡可能對稱。焊縫位置對稱的優(yōu)點(diǎn)是焊縫冷卻后收縮，因?yàn)楹缚p位置對稱，所以結(jié)構(gòu)件整體變形最小。

(3)焊縫應(yīng)盡可能避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置。對于受重載的結(jié)構(gòu)件、高壓容器等，在最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置上不應(yīng)設(shè)置焊縫。例如焊接大跨距的鋼梁，如果原材料長度不夠，則寧可增加一條焊縫，以便使焊縫避開最大應(yīng)力的地方，如圖18-9(b)所示。壓力容器的封頭一般都設(shè)計(jì)成圖18-9(d)所示的形狀，使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角位置。圖

18-9避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的焊縫布置

(4)處理好焊縫位置與加工面的關(guān)系。設(shè)計(jì)焊縫時(shí)要注意，不要讓焊縫被切削，以免影響焊縫強(qiáng)度。對于精度要求較高的焊接件，應(yīng)在全部焊成之后進(jìn)行退火，然后再進(jìn)行機(jī)械加工，免除焊接變形的影響。對有些情況，焊接部件必須加工好之后再進(jìn)行焊接，則焊縫的位置應(yīng)該離已加工表面盡可能遠(yuǎn)一點(diǎn)。在粗糙度要求較高的加工表面上，不要設(shè)置焊縫。因?yàn)椴粌H焊縫中有可能存在著某些缺陷，而且焊縫的組織與母材的組織有明顯的差別，加工后不能均勻地達(dá)到較高粗糙度的要求。

(5)焊縫位置應(yīng)考慮到焊接操作方便。焊縫位置應(yīng)考慮到焊接操作空間，內(nèi)側(cè)焊縫也能伸入焊條。焊縫的布置應(yīng)盡量能在水平位置上進(jìn)行焊接，同時(shí)要減少或避免工件翻轉(zhuǎn)。良好的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)汁，還應(yīng)盡量使全部焊接件(至少是主要部件)能在焊接前一次裝配點(diǎn)固，以簡化焊接工序，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。18.3.3切削加工工藝性

機(jī)座和箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，決定了切削加工的難易程度，對加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益有重要影響，也是評價(jià)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。切削加工主要設(shè)計(jì)原則如下：

(1)便于加工中裝夾。便于裝夾，即有足夠大的夾持面，零件就能在機(jī)床上卡緊以便于加工，同時(shí)還應(yīng)準(zhǔn)確地定位。

(2)便于加工和測量。加工時(shí)刀具的引進(jìn)和退出要方便，盡量避免箱體內(nèi)表面加工，凸緣上的孔要留出足夠的加工空間，盡可能避免彎曲的孔，留出退刀槽和空刀槽等。

(3)有利于保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。有相互位置精度要求的表面，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)確定一個(gè)定位基準(zhǔn)面，用這個(gè)基準(zhǔn)面可以在一次裝夾中加工出各種位置的面，既保證了各面的位置精度，又減少了裝夾次數(shù)。薄壁件在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮加工時(shí)夾緊力或切削力作用下變形，所以要有足夠的剛度，確保加工精度?？椎妮S線應(yīng)與其端面垂直，避免鉆孔