机械设计之机架部分

1、机座得结构设计机座得材料与时效处理1?、机座得材料 : 机座材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量与生产周期等要求正确选择 ,常用得有 :（1）铸铁 :容易铸成形状复杂得零件 ;价格较便宜 ;铸铁得内摩擦大 ,有良好得抗振性。 其缺点就 是生产周期长 ,单件生产成本较高； 铸件易产生废品 ,质量不易控制 ;铸件得加工余量大， 机械 加工费用大。 ?常用得灰口铸铁有两种： T200 适用于外形较简单，单位压力较大 （p> 5 公斤 /厘米 2）得导轨，或弯曲应力较大得（ 300公斤 /厘米）床身等； HT150 得流动性较 好，但机械性能稍差 ,适用于形状复杂而载荷不大得机座。若灰口铸铁不

2、能满足耐磨性要求， 应采用耐磨铸铁 . ?（2） 钢：用钢材焊接成机架。钢得弹性模量比铸铁大,焊接机架得壁厚较薄，其重量比同样刚度得机座约轻%50 ；在单件小批量生产情况下 ,生产周期较短 ,所需设备简单；焊接机架得缺点就是钢得抗振性能较差,在结构上需采取防振措施 ;钳工工作量较大；成批生产时成本较高。2?、机座得时效处理制造机座时 ,铸造（或焊接 ）、热处理及机加工等都会产生高温，因各部分冷却速度不同而收 缩不均匀 ,使金属内部产生内应力。如果不进行时效处理，将因内应力得逐渐重新分布而变 形 ,使机座丧失原有得精度 . ?时效处理就就是在精加工之前 ,使机座充分变形， 消除内应力， 提高其尺

3、寸得稳定性。常见得方法有自然时效、人工时效与振动时效等几种,其中以人工时效应用最广。机座得结构设计 1?、 机座得典型结构 ?（）方形截面机座 ?结构简单 ,制造方便， 箱体内 有较大得空间来安放其它部件； 但刚度稍差， 宜用于载荷较小得场合。 所以机座应选择合适 得壁厚、筋板与形状，以保证在重力、惯性力与外力得作用下 ,有足够得刚度。见图 2 -1。 ?（ 2）圆形截面机座 ?结构简单、紧凑 ,易于制造与造型设计，有较好得承载能力。3（?）铸铁板装配式机座 铸铁板装配结构， 适用于局部形状复杂得场合。 它具有生产周期短、 成本低以及简化木模形 状与铸造工艺等优点 .但刚度较整体箱体机座得差

4、,且加工与装配工作量较大。、截面形状得选择为保证机座得刚度与强度， 减轻重量与节约材料， 必须根据设备得受力情况， 选择经济合理 得截面形状。机座虽受力较复杂 ,但不外就是拉、压、弯、扭得作用。当受简单拉、压作用 时，变形只与截面积有关，而与截面形状无关,设计时主要就是选择合理得尺寸。如果受弯、扭作用时 ,变形与截面形状有关 . ?在其它条件相同情况下，抗扭惯性矩Ic 越大，扭转变形越小，抗扭刚度越大。表 21 、就是面积相同得 ,各种截面形状与惯性矩得比较 .从表中可以瞧出：1） 空心结构得刚度比实心结构得刚度大；2?）封闭圆形截面得抗扭刚度好，而封闭方形截面得抗弯与抗扭都较好； ?）加大横

5、截面轮廓尺寸与减小壁厚时,可提高刚度 . ?、隔板与加强筋 ?封闭空心截面得刚度较好 ,但为了铸造清砂及其内部零部件得装配与调整，必须在机座壁上开 ”窗口 "，其结果使机座整体刚度大大降低。若单靠增加壁厚提高刚度，势必使 机座笨重、浪费材料，故常用增加隔板与加强筋来提高刚度。加强筋常见得有直形筋、 斜向筋、十字筋与米字筋四种 （如图 2-2 ）。直形筋得铸造工艺简 单，但刚度最小；米字筋得刚度最大,但铸造工艺最复杂。加强筋与隔板得厚度，一般取壁厚得0、 8 倍。?图 14 、连接刚度 ?为提高结合表面得连接刚度，可采取如下措施： ）根据受力大小与方向，合理选择紧固螺钉得直径、数量及其

6、位置.必要时，可使螺钉产生预紧力 ,来提高连接刚度。 2?）提高结合表面得光洁度与形状精度，使结合表面上得接触 点增多 ,从而提高结合面得接触刚度。3）增加局部刚度来提高连接刚度，如图2 -3，在安装螺钉处加厚凸缘；或用壁龛式螺钉孔或用加强筋等办法增加局部刚度 ,从而提高连接刚度。、结构得工艺性 ?机座属于箱体类零件，体积大，结构复杂，成本较高. 设计时，应使其具有良好得结构工艺性 ,以便于制造与降低成本。箱体得结构设计1、箱体得主要功能（1）支承并包容各种传动零件，如 齿轮 、轴、轴承等，使它们能够保持正常得运动关系与 运动精度。箱体还可以储存润滑剂 ,实现各种运动零件得润滑 .（ 2）安全

7、保护与密封作用 ,使箱体内得零件不受外界环境得影响，又保护机器操作者得人生 安全，并有一定得隔振、隔热与隔音作用 .（3）使机器各部分分别由独立得箱体组成,各成单元 ,便于加工、装配、调整与修理 . ?（ 4）改善机器造型 ,协调机器各部分比例，使整机造型美观。2?、箱体得分类 ?按箱体得功能可分为：（ 1）传动箱体 ,如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等得箱体,主要功能就是包容与支承各传动件及其支承零件，这类箱体要求有密封性、强度与刚度.见图 21 。（2）泵体与阀体，如齿轮泵得泵体 ,各种 液压阀得阀体，主要功能就是改变液体流动方向、 流量大小或改变液体压力。 这类箱体除有对前一类箱体得要求

8、外， 还要求能承受箱体内液体 得压力。（ 3）支架箱体，如机床得支座、立柱等箱体零件，要求有一定得强度、刚度与精度,这类箱体设计时要特别注意刚度与外观造型。按箱体得制造方法分 ,主要有： ?（ 1）铸造箱体，常用得材料就是铸铁，有时也用铸钢、铸 铝合金与铸铜等。 铸铁箱体得特点就是结构形状可以较复杂,有较好得吸振性与机加工性能，常用于成批生产得中小型箱体 .（ 2）焊接箱体 ,由钢板、型钢或铸钢件焊接而成，结构要求较简单,生产周期较短 .焊接箱体适用于单件小批量生产，尤其就是大件箱体，采用焊接件可大大降低成本。（3 ）其它箱体 ,如冲压与注塑箱体，适用于大批量生产得小型、轻载与结构形状简单得箱

9、体。?2 设计得主要问题与设计要求?箱体设计首先要考虑箱体内零件得布置及与箱体外部零件得关系 ,如车床按两顶尖要求等高，确定箱体得形状与尺寸,此外还应考虑以下问题 :1、满足强度与刚度要求。对受力很大得箱体零件，满足强度就是一个重要问题；但对于大 多数箱体，评定性能得主要指标就是刚度，因为箱体得刚度不仅影响传动零件得正常工作， 而且还影响部件得工作精度。2、散热性能与热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能；温 度升高使箱体产生热变形 ,尤其就是温度不均匀分布得热变形与热应力,对箱体得精度与强度有很大得影响。3 、结构设计合理 .如支点得安排、筋得布置、开孔位置与连接结构

10、得设计等均要有利于提高 箱体得强度与刚度。4 、工艺性好 .包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修 理等各方面得工艺性。5、造型好、质量小。 设计不同得箱体对以上得要求可能有所侧重。3 箱体结构设计 箱体得形状与尺寸常由箱体内部零件及内部零件间得相互关系来决定,决定箱体结构尺寸与外观造型得这一设计方法称为 " 结构包容法 ”当,然还应考虑外部有关零件对箱体形状与尺寸 得要求 . ?箱体壁厚得设计多采用类比法，对同类产品进行比较，参照设计者得经验或设计 手册等资料提供得经验数据，确定壁厚、筋板与凸台等得布置与结构参数 .对于重要得箱体， 可用计算机得有限元

11、法计算箱体得刚度与强度，或用模型与实物进行应力或应变得测定 ,直 接取得数据或作为计算结果得校核手段。1 、箱体得毛坯、材料及热处理?（）箱体得毛坯：选用铸造毛坯或焊接毛坯，应根据具体条件进行全面分析决定 .铸造容易铸造出结构复杂得箱体毛坯，焊接箱体允许有薄壁与大 平面 ,而铸造却较困难实现薄壁与大平面。焊接箱体一般比铸造箱体轻， 铸造箱体得热影响变形小， 吸振能力较强， 也容易获得较好得 结构刚度。 ?（ 2）箱体得材料与热处理箱体得常用材料有：铸铁 多数箱体得材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小 ,容易获得形状与结构复杂得箱体。 铸铁得阻尼作用强 ,动态刚性与机加工性能好 , 价格适度。加入

12、合金元素还可以提高耐磨性。 具体牌号查阅有关手册 .铸造铝合金 用于要求减小质量且载荷不太大得箱体。 多数可通过热处理进行强化 ,有足够得 强度与较好得塑性 .钢材 铸钢有一定得强度，良好得塑性与韧性，较好得导热性与焊接性 ,机加工性能也较好， 但铸造时容易氧化与热裂。箱体也可用低碳钢板与型钢焊接而成。?箱体得热处理：铸造或箱体毛坯中得剩余应力使箱体产生变形，为了保证箱体加工后精度得稳定性 ,对箱体 毛坯或粗加工后要用热处理方法消除剩余应力，减少变形。常用得热处理措施有以下三类 : A）热时效 .铸件在 500 600°下退火 ,可以大幅度地降低或消除铸造箱体中得剩余应力。 ?B）热

13、冲击时效。将铸件快速加热，利用其产生得热应力与铸造剩余应力叠加，使原有剩 余应力松弛 .C）自然时效。 自然时效与振动时效可以提高铸件得松弛刚性，使铸件得尺寸精度稳定。 2?、箱体结构参数得选择（） 壁厚铸铁、铸钢与其它材料箱体得壁厚可以从表 21-2 中选取 ,表中 N 用下式计算： ?N= （L+ +H）/3 00 （ m）式中 L铸件长度（ mm）,、B、H 中，为最大值；B铸件宽度（ m）； H-铸件高度 （mm ）；表 21-2 铸造箱体得壁厚仪器仪表铸造外壳得最小壁厚参考表213 选取（2）加强筋为改善箱体得刚度， 尤其就是箱体壁厚得刚度， 常在箱壁上增设加强筋， 若箱体中有中间短

14、 轴或中间支承时 ,常设置横向筋板。 筋板得高度不应超过壁厚得 （ 3-4） 倍，超过此值对提 高刚度无明显效果。加强筋得尺寸见表21 4。（ 3）孔与凸台 箱体内壁与外壁上位于同一轴线上得孔， 从机加工角度要求， 单件小批量生产时， 应尽可能 使孔得质量相等； 成批大量生产时， 外壁上得孔应大于内壁上得孔径， 这有利于刀具得进入 与退出。箱体壁上得开孔会降低箱体得刚度,实验证明，刚度得降低程度与孔得面积大小成正比。在箱壁上与孔中心线垂直得端面处附加凸台,可以增加箱体局部得刚度；同时可以减少加工面.当凸台直径与孔径 d得比值 /d 与凸台高度 h与壁厚 t得比值 /h 2时，刚度增加 较大；比值大于 2 以后 ,效果不明显。如因设计需要，凸台高度加大时，为了改善凸台得局 部刚度 ,可在适当位置增设局部加强筋 .见图 21 8.?图 1-8（ 4 ）连接与固定箱体连接处得刚度主要就是结合面得变形与位移