第十一章-支承件

1、 u支承件：支承件：是是机床的基础构件机床的基础构件，包括床身、立柱、，包括床身、立柱、 横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降 台等。也称为台等。也称为“大件大件”。 u作用：作用：承载承载 和作为基准。和作为基准。 支承支承其它机其它机 床零部件，床零部件， 保持保持它们的它们的 相对位置相对位置， 承受承受各种各种切切 削力削力等。等。 二、对机床支承件的基本要求二、对机床支承件的基本要求 (一一)应具有足够的静刚度和较高的刚度应具有足够的静刚度和较高的刚度-重量比。重量比。 性。设计时应力求在满足刚度的基础上，减轻机床重量性。设计时应力求在

2、满足刚度的基础上，减轻机床重量 (二二)应有较好的动态特性应有较好的动态特性 后者在很大程度上反映了设计的合理后者在很大程度上反映了设计的合理 节约原材料，降低机床造价。节约原材料，降低机床造价。 这包括有较大的动刚度和阻尼；与其它部件相配合，使这包括有较大的动刚度和阻尼；与其它部件相配合，使 整机的各阶固有频串不致与激振频率重合而产生共振；不整机的各阶固有频串不致与激振频率重合而产生共振；不 会发生薄壁振动而产生噪声等。会发生薄壁振动而产生噪声等。 (二二)应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或 热变形对加工精度、表面质量的影响较小。热变形对

3、加工精度、表面质量的影响较小。 (四四)应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布置应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布置 液压，电气等器件，并具有良好的工艺性，便于制造和装液压，电气等器件，并具有良好的工艺性，便于制造和装 配。配。 （五）、性能要求（五）、性能要求 （1）应具有足够的静刚度、较高的刚度）应具有足够的静刚度、较高的刚度重量比。重量比。 （2）应具有较好的动态特性。）应具有较好的动态特性。 l 支承件的固有频率支承件的固有频率不不致与激振频率重合而致与激振频率重合而产生共产生共 振；振； l 应具有应具有较大的动刚度较大的动刚度（激振力的副值与振副之（激振力的副值与振副之

4、 比）、比）、较大的阻尼较大的阻尼，使支承件受到一定副值周期，使支承件受到一定副值周期 性激振力的作用时，性激振力的作用时，受迫振动的振幅较小。受迫振动的振幅较小。 （3）应具有较好的热变形特性。）应具有较好的热变形特性。 设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加工精设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加工精 度的影响。度的影响。 l 散热、隔热散热、隔热。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致 冷、隔离热源。冷、隔离热源。 l 均热均热。 l 采用：采用：“热对称热对称”等结构，使热变形对等结构，使热变形对 精度的影响较小。精度的影响较小。 1、进行

5、受力分析。进行受力分析。 2、初步决定其形状和尺寸。初步决定其形状和尺寸。 3、进行验算。进行验算。 4、修改、对比，选择最佳方案。修改、对比，选择最佳方案。 1中、小型机床：中、小型机床：载荷载荷以切削力为主。以切削力为主。重量（工重量（工 件、移动部件）忽略不计。件、移动部件）忽略不计。 如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。 2精密和高精度机床：精密和高精度机床：载荷载荷以移动件的重力和热以移动件的重力和热 应力为主。应力为主。切削力较小（因以精加工为主）忽略切削力较小（因以精加工为主）忽略 不计。不计。 如双柱立式坐标镗床等。如双柱立式坐标镗床等。 3

6、大型机床：大型机床：载荷必须载荷必须同时考虑工件重力、切削同时考虑工件重力、切削 力和移动件的重力。力和移动件的重力。 如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。 例：例： 载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包 括床身自身的变形，导轨部分局部的变形，导括床身自身的变形，导轨部分局部的变形，导 轨表面的接触变形。轨表面的接触变形。 支承件的变形支承件的变形 自身变形自身变形 局部变形局部变形 接触变形接触变形 （1）自身刚度：）自身刚度：在外载荷作用下，支承件本在外载荷作用下，支承件本 体抵抗变形的能力。体抵抗变形的能

7、力。 （2）自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚 度。度。 （3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、 隔板的布置等。隔板的布置等。 （1）局部刚度：）局部刚度： 抵抗局部变形抵抗局部变形 的能力。的能力。 （2）局部变形发局部变形发 生在载荷集中生在载荷集中 的地方。的地方。 （3）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸 等有关。等有关。 （1）接触刚度：接触刚度：支承件的结合面在外载荷的作用支承件的结合面在外载荷的作用 下抵抗接触变形的能力。下抵抗接触变形的能力。 （2）两个平

8、面接触，平面有一定的宏观不平度，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；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。由于微观不平，真正接触的只是一些高点。 二、二、 接触刚度接触刚度Kj (Mpa/um)是是平均压强平均压强p与变形与变形之比。之比。 K Kj j不是一个固定值，不是一个固定值，与与p p的关系是的关系是非线性非线性的。的。 当压强很小时，两个面之当压强很小时，两个面之 间只有少数高点接触，接触间只有少数高点接触，接触 刚度较低。刚度较低。 当压强较大时，这些高点产生了当压强较大时，这些高点产生了

9、变形，实际接触面积增加，接触变形，实际接触面积增加，接触 刚度提高。刚度提高。 支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强 分布有影响。分布有影响。 如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强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的分布基本上是均匀的，接触刚度也较高。接触刚度也较高。 如自身刚度或局部刚度不足，则在集中载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，使接触压强分荷作用下，构件变形较大，使接触压强分 布不均布不均，使接触变形分布也不均，降低了使接触变形分布也不均，降低了 接触刚度。接触刚度。 (1) 支承件的变形，主要是

10、弯曲和扭转，与截面惯性支承件的变形，主要是弯曲和扭转，与截面惯性 矩有关，即与截面形状有关。矩有关，即与截面形状有关。 (2) 材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相 差很大。差很大。 (3) 提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。 表表112，截面积近似地皆为，截面积近似地皆为10000mm2八种不同截面形状八种不同截面形状 的抗弯和抗扭惯性矩的比较。的抗弯和抗扭惯性矩的比较。 （1）隔板：）隔板：在支承件两外壁间起连接作用的内壁。在支承件两外壁间起连接作用的内壁。 （2）隔板的作用：）隔板的作用：把

11、作用于支承件局部地区的载荷把作用于支承件局部地区的载荷 传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷，提提 高支承件的自身刚度。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，以提高自身刚度。设置隔板是提高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。的有效方法之一，其效果比增加壁厚更为显著。 (1)支承件外壁支承件外壁开开窗窗孔，会降低抗弯、抗扭刚度孔，会降低抗弯、抗扭刚度，其，其 中中抗扭刚度降低更大抗扭刚度降低更大。应避免在主要承受扭

12、矩的应避免在主要承受扭矩的 支承件上开孔。支承件上开孔。 (2)对抗弯刚度，与弯曲平面垂直的壁上的窗孔，影对抗弯刚度，与弯曲平面垂直的壁上的窗孔，影 响最大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔，比较宽响最大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔，比较宽 壁上的影响大。壁上的影响大。 (3)窗窗孔孔应靠近支承件的几何中心线附近应靠近支承件的几何中心线附近，孔宽或孔孔宽或孔 径不超过支承件宽度的径不超过支承件宽度的0.250.25倍。倍。 (4)(4)窗孔边缘厚一些窗孔边缘厚一些(翻边翻边)，工作时加盖，并用螺钉，工作时加盖，并用螺钉 上紧，可补偿一部分刚度的损失。上紧，可补偿一部分刚度的损失。 1.合理选择连接部

13、位的结构合理选择连接部位的结构 (1) 设图设图a的一般凸缘连接，相对连接刚度为的一般凸缘连接，相对连接刚度为1.0 (2) 图图b有加强筋的凸有加强筋的凸 缘连接为缘连接为1.06 (3) 图图c凹槽式为凹槽式为1.80 (4) 图图dU型加强筋结构型加强筋结构 为为1.85 例，例，车床床身，由于床身的基本部分较薄而导轨较车床床身，由于床身的基本部分较薄而导轨较 厚，如设计成图厚，如设计成图11-8a的形状，则在载荷的形状，则在载荷F的作用的作用 下，导轨处易发生局部变形。下，导轨处易发生局部变形。 采用加厚的过渡壁，并加肋采用加厚的过渡壁，并加肋(图图b)，可显著地提，可显著地提 高导轨

14、处的局部刚度。高导轨处的局部刚度。 (1)有些支承件的内部要安装其它机构，不但不能封有些支承件的内部要安装其它机构，不但不能封 闭，即使安装隔板也会有所妨碍，这时采用加强闭，即使安装隔板也会有所妨碍，这时采用加强 肋来提高刚度。肋来提高刚度。 (2)合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法。合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法。 (3)加强肋的高度可取为壁厚的加强肋的高度可取为壁厚的45倍，厚度与壁厚倍，厚度与壁厚 之比为之比为081。 1、提高结合面质量、提高结合面质量 导轨面导轨面 、重要的固定结合面必须磨配或刮、重要的固定结合面必须磨配或刮 配。配。 2、合理选择螺钉尺寸、数量和布置、合

15、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。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通常应使接触面间的平均预压压强约为 2MPa。 n 支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。 n 按照目前的工艺水平，砂模铸造铸铁件的外壁厚可按照目前的工艺水平，砂模铸造铸铁件的外壁厚可 根据当量尺寸根据当量尺寸C(m)按表按表11-3选择。选择。 式中：式中：L、B、H铸件的长、宽、高（铸件的长、宽、高（m） 1、支承件的材料、支承件的材料 支承件常用的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、 天然花岗岩、预应

16、力钢筋混凝土、树脂混凝土等 （一）铸铁：（一）铸铁： 铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本 低，适于成批生产。 （二）钢板焊接结构：（二）钢板焊接结构： 制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进， 重量轻 （三）预应力钢筋混凝土：（三）预应力钢筋混凝土： 抗振性好，成本低 （四）天然花岗岩：（四）天然花岗岩： 性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热 稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁， 与金属不粘结，加工方便 （五）树脂混凝土：（五）树脂混凝土： 刚度高，具有良好的阻尼性能 ，抗振 性好，热稳定性高，质量轻，可有良 好的 几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低， 无污染，生产周期短，床身

17、静刚度高。 且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某 些力学性能 2、支承件的时效处理，目的是消除残、支承件的时效处理，目的是消除残 余应力余应力 铸铁和钢质的支承件需要进行时效处理铸铁和钢质的支承件需要进行时效处理 以消除内应力以消除内应力 时效处理：时效处理： 自然时效自然时效 人工时效人工时效 振动时效振动时效 n普通精度机床的支承件：普通精度机床的支承件：粗加工后进行一粗加工后进行一 次时效。次时效。 n精密机床的支承件：精密机床的支承件：粗加工前、后各一次。粗加工前、后各一次。 n高精度机床的支承件：进行高精度机床的支承件：进行热时效处理后，热时效处理后， 进行天然时效处理进行天然时效处

18、理把铸件堆放在露天把铸件堆放在露天 一年左右，让它们充分地变形。一年左右，让它们充分地变形。 铸件要尽量形状简单，壁厚均匀，拔模容铸件要尽量形状简单，壁厚均匀，拔模容 易，拐角要圆滑过渡易，拐角要圆滑过渡 焊接件设法减少焊接变形，尽量不仰焊焊接件设法减少焊接变形，尽量不仰焊 加工平面尽可能设在一个平面内，以便于加工平面尽可能设在一个平面内，以便于 加工加工 第四节 支承件的动态特性 动态特性一般包括三方面问题动态特性一般包括三方面问题： 1) 1) 共振问题共振问题 在工作时支承件的固有频率不能与激振频率相重合，应避免发生共振现象。在工作时支承件的固有频率不能与激振频率相重合，应避免发生共振现

19、象。 2) 2) 动力响应问题动力响应问题 支承件应具有较高的动刚度（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）和支承件应具有较高的动刚度（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）和 较大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振动的振幅较大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振动的振幅 较小。较小。 3) 3) 切削稳定性问题切削稳定性问题 抵抗切削自激振动的能力，研究支承件动态特性就要对切削稳定性进行分抵抗切削自激振动的能力，研究支承件动态特性就要对切削稳定性进行分 析。析。 一、支承件固有频率和振型 分析支承件动态特性时，通常可将支承件简化为一个多自由度的系统，多分

20、析支承件动态特性时，通常可将支承件简化为一个多自由度的系统，多 自由度系统的固有频率和主振型，是通过求解系统的无阻尼自由振动方程得到。自由度系统的固有频率和主振型，是通过求解系统的无阻尼自由振动方程得到。 1.多自由度系统的固有频率和主振型 图图a a所示的振型，其固有频率比图所示的振型，其固有频率比图b b所示的低。因此，图所示的低。因此，图a a为第一阶振型，其为第一阶振型，其 固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态；图固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态；图b b为第二阶振型，第二阶固有为第二阶振型，第二阶固有 频率，合称第二阶模态。频率，合称第二阶模态。 2. 支承件的模态分析

21、由于机床上激振力的频率一般都不太高，因而只有最低几阶模态的固有频率由于机床上激振力的频率一般都不太高，因而只有最低几阶模态的固有频率 才有可能与激振频率重合或接近。高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振才有可能与激振频率重合或接近。高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振 力频率，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响是不大的。所以只需研究最力频率，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响是不大的。所以只需研究最 低几阶模态。低几阶模态。 1) 第一阶模态 整机摇晃振动，振型如图整机摇晃振动，振型如图a a所示。床身作为一个刚体在弹性基础上做摇晃振所示。床身作为一个刚体在弹性基础上做摇晃振 动

22、。整机摇晃的固有频率较低，通常约为数十赫兹。动。整机摇晃的固有频率较低，通常约为数十赫兹。 2) 第二阶模态 一次弯曲振动，振型如图一次弯曲振动，振型如图b b所示。主振系统是床身本身。振动的特点是各点的所示。主振系统是床身本身。振动的特点是各点的 振动方向一致，上下振幅相差不大，纵向振动方向一致，上下振幅相差不大，纵向(z(z向向) )越近中部，振幅越大；越近两端越近中部，振幅越大；越近两端 振幅越小。振幅越小。 3) 第三阶模态 一次扭转振动，振型如图一次扭转振动，振型如图c所示。主振系统与第二阶模态相同。振型振动的特所示。主振系统与第二阶模态相同。振型振动的特 点是两端的振动方向相反点是

23、两端的振动方向相反,振幅为两端大中间小。振幅为两端大中间小。 4) 第四阶模态 二次弯曲振动，振型如图二次弯曲振动，振型如图d d所示。主振系统同上。特点是有两条节线所示。主振系统同上。特点是有两条节线ABAB和和CDCD。 在这两条节线上，振幅为零。两端的振动方向相同，与两节线间的振动方向相在这两条节线上，振幅为零。两端的振动方向相同，与两节线间的振动方向相 反。反。 5) 薄壁振动 在高频振动中，需要注意的是薄壁振动。薄壁振动的振幅不大，又是局部振在高频振动中，需要注意的是薄壁振动。薄壁振动的振幅不大，又是局部振 动，故对加工精度影响不大，但却是重要的噪声源或噪声的传播者。动，故对加工精度

24、影响不大，但却是重要的噪声源或噪声的传播者。 上述模态中，第二、三、四阶将引起执行器官之间的相对位移，对加工精度上述模态中，第二、三、四阶将引起执行器官之间的相对位移，对加工精度 和加工表面粗糙度，影响较大。第一阶也能引起安装部件的相对位移而影响加和加工表面粗糙度，影响较大。第一阶也能引起安装部件的相对位移而影响加 工质量。工质量。 二、改善支承件动态特性和措施 改善支承件的动态特性，提高其抗振性，其关键是提高支承件的动刚度。改善支承件的动态特性，提高其抗振性，其关键是提高支承件的动刚度。 1. 单自由度系统的动态特性 提高结构的动刚度，可以采用以下一些办法：提高系统的静刚度；增大系提高结构的

25、动刚度，可以采用以下一些办法：提高系统的静刚度；增大系 统中的阻尼比；提高系统的固有角频率；或改变激振角频率，以使二者远离。统中的阻尼比；提高系统的固有角频率；或改变激振角频率，以使二者远离。 2. 改善支承件动态特性的措施 1) 提高静刚度 提高静刚度的途径主要是合理地设计结构的截面形状和尺寸、合理的布置提高静刚度的途径主要是合理地设计结构的截面形状和尺寸、合理的布置 肋板和肋条、还必须注意结构的整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。肋板和肋条、还必须注意结构的整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。 2) 增加阻尼 常用的有保留砂芯的方法（常称封砂结构），铸件的砂芯不清与铸件和砂常用的有保留

26、砂芯的方法（常称封砂结构），铸件的砂芯不清与铸件和砂 与砂之间的摩擦耗散振动能量，以提高阻尼。与砂之间的摩擦耗散振动能量，以提高阻尼。 3) 调整固有频率 增加刚度或减少质量，都可以使固有频率提高，而改变阻尼系数，则固有增加刚度或减少质量，都可以使固有频率提高，而改变阻尼系数，则固有 频率的变化不大。频率的变化不大。 4) 采用减振器 采用减振器也是提高抗振性的一种有效方法，其特点是结构轻巧。采用减振器也是提高抗振性的一种有效方法，其特点是结构轻巧。 第五节 支承件的热变形特性 一、支承件热变形 机床和支承件的热变形 机床工作时，存在各种热源，如切削、电动机、液压系统和机械摩擦都会机床工作时，存在各种热源，如切削、电动机、液压系统和机械摩擦都会 发热，使各部件因温度分布不均而产生变形，这就是热变形。发热，使各部件因温度分布不均而产生变形