第十三讲 机床支承件与导轨设计

1、金属切削与机床Metal Cutting & Machine ToolsMetal Cutting & Machine Tools 第十三讲第十三讲 机床支承件与导轨设计机床支承件与导轨设计l机床支承件设计 n支承件功用及基本要求支承件功用及基本要求 n 支承件的结构设计支承件的结构设计n 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l机床导轨设计 n导轨功用、分类及基本要求导轨功用、分类及基本要求 n导轨的截面形状和导轨间隙的调整导轨的截面形状和导轨间隙的调整 n导轨的结构类型和特点导轨的结构类型和特点 n提高导轨耐磨性的措施（滑动导轨）提高导轨耐磨性的措施（滑动导轨）Metal C

2、utting & Machine Tools 机床支承件设计机床支承件设计l支承件功能及基本要求l主要功能：保证机床各零、部件之间的相互位置和相对保证机床各零、部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。定性和耐用度。Metal Cutting & Machine Tools 机床支承件设计机床支承件设计l支承件功能及基本要求l应满足要求： l足够的足够的刚度刚度和较高的和较高的刚度刚度质量质量比比。l排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。

3、 l较好较好的的动态特性（提高固有频率）：动态特性（提高固有频率）：1.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振；产生共振；2.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比）、（激振力的副值与振副之比）、较大的阻较大的阻尼尼，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，受迫振动受迫振动的振幅较小。的振幅较小。Metal Cutting & Machine Tools 2022-5-145提高动态特性提高动态特性l改善阻尼特性 l采用新材料制造支承件 封沙结构的床身 镗床主轴箱的截面图为增大阻

4、尼，提高动态特性，将铸造砂芯封装在箱内。为增大阻尼，提高动态特性，将铸造砂芯封装在箱内。 Metal Cutting & Machine Tools 2022-5-146改善阻尼特性改善阻尼特性焊接件减振板焊接件减振板a）铸铁板）铸铁板 b)点焊在一起的两块板点焊在一起的两块板c）四周焊在一起的两块钢板）四周焊在一起的两块钢板悬梁的阻尼悬梁的阻尼1一铁块一铁块2一钢球一钢球3一高粘度油一高粘度油 振动时，油在钢球间产生的振动时，油在钢球间产生的粘性摩擦及钢球、铁块间的碰撞，粘性摩擦及钢球、铁块间的碰撞，可耗散振动能量，增大阻尼。可耗散振动能量，增大阻尼。Metal Cutting &a

5、mp; Machine Tools 机床支承件设计机床支承件设计l支承件功能及基本要求l应满足要求： l热稳定性热稳定性好好减小热变形、减小热变形、不均匀热变形，降低对加工精不均匀热变形，降低对加工精度的影响度的影响。散热、隔热散热、隔热加大散热面积、加加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致冷、隔设散热片、风扇、人工致冷、隔离热源。；离热源。；均热均热采用采用 “热对称热对称”等等结构，减小热变形对精度的结构，减小热变形对精度的影响。影响。Metal Cutting & Machine Tools 机床支承件设计机床支承件设计l支承件结构设计1.首先考虑所属首先考虑所属机床的类型机床的

6、类型、布局布局及常用支承件的及常用支承件的形状形状。2.综合考虑其工艺性，初步决定其形状和尺寸。综合考虑其工艺性，初步决定其形状和尺寸。3.进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性。进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性。4.修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支承件具有修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金属。良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金属。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l机床类型n中、小型机床以切削力为主；重量（工件、移动部件）忽略不计；n精密和高精密机床以移动件的重

7、力和热应力为主；切削力较小（以精加工为主）忽略不计，如双柱立式坐标镗床。n大型和重型机床 同时考虑工件重力、切削力和移动件重力：如重型车床、落地镗铣床、龙门机床等 。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l机床布局形式卧式数控车床的布局形式卧式数控车床的布局形式a）平床身）平床身 b)后倾床身后倾床身 c）前倾拖板）前倾拖板 d)前倾床身前倾床身Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l机床布局形式n床身导轨的倾斜角度有30,45, 60,75。n小型数控车床采用45, 60的较多

8、。n中型卧式车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，其优点是排屑方便，不使切屑堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置；床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和抗扭强度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件的静刚度支承件的静刚度支承件的静刚度自身刚度自身刚度局部刚度局部刚度接触刚度接触刚度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例：例： 载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包括床身载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包括床身自身自身的变形的变形，导轨部分，导轨部分局部的

9、变形局部的变形，导轨表面的，导轨表面的接触变形接触变形。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件的自身刚度（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 体抵体抵抗变形的能力。抗变形的能力。（2）自身刚度主要应）自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚度。考虑弯曲刚度和扭转刚度。 （3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、隔）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、隔板的布置等。板的布置等。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件的局部刚度抵抗局

10、部变形的能力。抵抗局部变形的能力。 （1）局部变形发生在载荷集中的地方。局部变形发生在载荷集中的地方。 （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。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件的接触刚度（1）接触刚度：接触刚度：支承件的结合面在外载荷的作用下支承件的结合面在外载荷的作用下抵抗接触变形的能力。抵抗接触变形的能力。（2）两个平面接触，平面有一定的宏观不平度，因两个平面接触，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；由而实际接触面积只是名义接

11、触面积的一部分；由于微观不平，真正接触的只是一些高点。于微观不平，真正接触的只是一些高点。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件的接触刚度（3）接触刚度是平均压强与变形之比，两者属于非接触刚度是平均压强与变形之比，两者属于非线性关系。线性关系。u当压强很小时，两个面之间只有少数高点接触，接触刚度当压强很小时，两个面之间只有少数高点接触，接触刚度较低。较低。u当压强较大时，这些高点产生了变形，实际接触面积增加当压强较大时，这些高点产生了变形，实际接触面积增加，接触刚度提高。，接触刚度提高。Metal Cutting & M

12、achine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件的接触刚度（4）自身刚度与局部刚度对接触压强的分布有影响）自身刚度与局部刚度对接触压强的分布有影响如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强的分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，则在集中载荷作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，使接触压强分布不均用下，构件变形较大，使接触压强分布不均，使接触变形分布也不均，降低了接触刚度。使接触变形分布也不均，降低了接触刚度。Metal Cutting & Machine To

13、ols 支承件结构设计支承件结构设计 支承件的结构设计中，应采用适当的措施，提高支承件的自身刚度、局部刚度和接触刚度。正确选择支承件形状和尺寸正确选择支承件形状和尺寸 合理布置隔板、筋板合理布置隔板、筋板 合理开窗、加盖合理开窗、加盖 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件形状选择n箱形类: 支承件在三个方向的尺寸上都相差不多，如各类箱体、底座、升降台等。n 板块类: 支承件在两个方向的尺寸上比第三个方向大得多，如工作台、刀架等。n 梁类: 支承件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。Metal

14、Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件截面形状与选择n支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。n静刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。n支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面积，其抗弯和抗扭惯性矩也不同。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l支承件截面形状与选择Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩 比较截面积相同（比较截面积相同（100cm2），截面形状

15、不同的惯性矩的计算值），截面形状不同的惯性矩的计算值和相对值，得出：和相对值，得出：1空心截面的刚度比实心的大空心截面的刚度比实心的大床身截面应做成中空形式。床身截面应做成中空形式。2圆形（环形）截面的抗扭刚度比方形或矩形截面大；抗弯圆形（环形）截面的抗扭刚度比方形或矩形截面大；抗弯 刚度比方形小。刚度比方形小。 受受弯矩弯矩为主的支承件的截面应用为主的支承件的截面应用矩形矩形（立钻、插床立柱）；（立钻、插床立柱）； 受受扭矩扭矩为主的支承件应采用为主的支承件应采用圆形圆形（环形）的截面；（环形）的截面； 既既承受弯矩又承受扭矩承受弯矩又承受扭矩的支承件应采用近似的支承件应采用近似正方形正方形

16、。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩 比较截面积相同（比较截面积相同（100cm2），截面形状不同的惯性矩的计算值），截面形状不同的惯性矩的计算值和相对值，得出：和相对值，得出：3封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别 是抗扭刚度。是抗扭刚度。 4保持横截面积不变，加大外廓尺寸，减少壁厚，保持横截面积不变，加大外廓尺寸，减少壁厚， 可提高截面刚度。可提高截面刚度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不

17、同截面的抗弯抗扭惯性矩l例： 卧式床身截面的基本形式：卧式床身截面的基本形式：空心矩形截面空心矩形截面 车床类床身车床类床身：两面封闭式截面，便于排除大量切屑和冷却：两面封闭式截面，便于排除大量切屑和冷却液，刚度较低液，刚度较低中小型车床。中小型车床。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例： 无升降台铣床、龙门刨床、龙门铣床床身无升降台铣床、龙门刨床、龙门铣床床身三面封闭式三面封闭式截面，不需要从床身排屑。截面，不需要从床身排屑。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构

18、设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例：大型和重型机床床身大型和重型机床床身:三壁结构（双层壁结构），承受重载。三壁结构（双层壁结构），承受重载。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例： 磨床类床身磨床类床身: 三面封闭式截面，内部可用于储存润滑油和冷却液，安装三面封闭式截面，内部可用于储存润滑油和冷却液，安装传动机构传动机构载荷较小的机床。载荷较小的机床。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例：立式床身（立柱

19、截面）的基本形式：立式床身（立柱截面）的基本形式：圆形、方形，封闭结构圆形、方形，封闭结构l圆形截面：圆形截面：抗扭刚度抗扭刚度、抗弯刚度、抗弯刚度，用于载荷不大机床，如，用于载荷不大机床，如摇臂、台式钻床的立柱（床身）、组合机床的立柱。摇臂、台式钻床的立柱（床身）、组合机床的立柱。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例：对称方形截面：对称方形截面： 抗扭刚度抗扭刚度、抗弯刚度、抗弯刚度，用于承受复杂的空间载荷，如镗，用于承受复杂的空间载荷，如镗床和床和铣床的立柱铣床的立柱（床身）、组合机床的立柱。（床身

20、）、组合机床的立柱。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例：对称矩形截面：对称矩形截面：抗扭刚度抗扭刚度、抗弯刚度、抗弯刚度，用于承受弯曲载荷较大的机床，如，用于承受弯曲载荷较大的机床，如中大型单轴或多轴立式钻床中大型单轴或多轴立式钻床 、组合机床的立柱。组合机床的立柱。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l不同截面的抗弯抗扭惯性矩l例：矩形截面，内部设有加强筋：矩形截面，内部设有加强筋：如龙门式机床的立柱、组合机床的立柱如龙门式机床的立柱、组

21、合机床的立柱 。Metal Cutting & Machine Tools 2022-5-1432提高支承件的静刚度提高支承件的静刚度数控车床床身截面图：倾斜式空心封闭数控车床床身截面图：倾斜式空心封闭箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。 加工中心床身截面图加工中心床身截面图 ：采用三角形：采用三角形肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。 Metal Cutting & Machine Tools 2022-5-1433提高支承件的静刚度提高支承件的静刚度l采用双层壁加强肋的结构，其内腔设计成供液压油循环的通道使床身温度场一致，

22、防止热变形；立柱设计成双重壁加强肋的封闭式框架结构，刚度好。滚齿机大立柱和床身截面的立体示意图滚齿机大立柱和床身截面的立体示意图Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l例：摇臂钻床受力分析（仅分析切削转矩、进给力）立柱和摇臂立柱和摇臂梁类件；梁类件；底座底座板类件；板类件；主轴箱主轴箱箱形件。箱形件。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l摇臂钻床受力分析（转矩T、进给力Ff）Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l摇臂

23、受力分析（转矩T、进给力Ff）1 1、yzyz平面内：平面内：最大最大弯矩弯矩M M1 1=F=Ff fL L，使摇臂产生使摇臂产生弯曲变形；弯曲变形；2 2、xzxz平面内：平面内：绕绕y轴的轴的扭矩扭矩 M M2 2= F= Ff fe e，使摇臂产生使摇臂产生扭转变形扭转变形。3 3、xyxy平面内：切削平面内：切削转矩转矩T T作用于摇臂作用于摇臂，产生，产生弯曲变形。但弯曲变形。但T T比比F Ff f要小得多。要小得多。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l摇臂受力分析结论：摇臂所受的载荷，主要是：摇臂所受的载荷，主要是：

24、竖直竖直(yz)面内的弯矩面内的弯矩M1；绕绕y轴的扭矩轴的扭矩M2。 这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使主轴偏离其正确位置。主轴偏离其正确位置。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l摇臂形状选择原则：截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。竖向尺寸应大于横向尺寸。竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，但由于扭矩的存在，这两个方向的尺寸这两个方向的尺寸不宜相差太大。不宜相差太大。摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由

25、端逐渐减小，故减小，故摇臂的截面摇臂的截面也是也是越靠近根部越大。越靠近根部越大。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l立柱受力分析（转矩T、进给力Ff）l立柱分内外两层；立柱分内外两层；l摇臂沿外柱升降，并摇臂沿外柱升降，并连同外柱绕内柱转动连同外柱绕内柱转动。摇臂与外柱在上、。摇臂与外柱在上、下两圈下两圈D、E处接触。处接触。工作时，内、外柱之工作时，内、外柱之间在间在F处夹紧。处夹紧。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l立柱受力分析n摇臂作用于外柱的，可看摇臂作用于外

26、柱的，可看作是由作是由D、E点处两个集中点处两个集中力组成的力偶。力组成的力偶。 yz平面内：平面内：弯矩弯矩M1=FfL xz平面内：平面内：弯矩弯矩M2= Ffe 切削转矩切削转矩T使外柱扭转，使外柱扭转，扭矩作用于扭矩作用于E与与F之间。通常之间。通常这个扭转变形可以这个扭转变形可以忽略。忽略。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l立柱受力分析结论：立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱的立柱的弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。立柱的形状往往是圆形的，故立柱的形状往往是

27、圆形的，故Ml、M2两个两个力矩中，只需考虑大的一个，一般为力矩中，只需考虑大的一个，一般为Ml =FfL。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l内柱形状选择原则：主要承受（主要承受（yz和和xz面内的）面内的）弯矩，越靠近下支承点弯矩，越靠近下支承点F处处，弯矩越大。，弯矩越大。F处到根部弯处到根部弯矩不变。矩不变。故内立柱在上、下支承间一故内立柱在上、下支承间一段段 CF应上细下粗。应上细下粗。F处到根处到根部可做成等截面。部可做成等截面。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结

28、构设计l内柱形状选择原则：主轴中心与摇臂的中心面越主轴中心与摇臂的中心面越近，则力臂近，则力臂e越小，扭矩越小，扭矩M2=Ffe也越小。所以设计主也越小。所以设计主轴箱时应使轴箱时应使主轴中心尽量接主轴中心尽量接近导轨近导轨。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择（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

29、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。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择隔板有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。隔板有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。 纵向筋板纵向筋板(水平布置水平布置) 纵向筋板布置在弯曲平面内，纵向筋板布置在弯

30、曲平面内，抗弯刚度：抗弯刚度：123blJxMetal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择隔板有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。隔板有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。横向筋板横向筋板(垂直布置垂直布置) 横向筋板是将支承件的外壁横向连接起来，横向筋板是将支承件的外壁横向连接起来，抗扭刚度：抗扭刚度：123lbJxMetal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择隔板有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。隔板有三种布局形式，取决于支承件的受力变

31、形。斜向筋板斜向筋板同时同时抗弯刚度和抗弯刚度和抗扭刚度。抗扭刚度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计 常见的几种卧式车床床身筋板常见的几种卧式车床床身筋板(隔板隔板)的布置形式：的布置形式：T形隔板形隔板：水平抗弯刚度高。用于刚度要求不高的小型：水平抗弯刚度高。用于刚度要求不高的小型车床。车床。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计W形斜向隔板形斜向隔板用于床身长宽比小于用于床身长宽比小于5的短床身（同的短床身（同形隔板）或长床身，形隔板）或长床身，封闭三角形，水平抗弯和抗

32、扭刚度高。封闭三角形，水平抗弯和抗扭刚度高。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计形隔板形隔板：用于床身长度：用于床身长度L75075010001000的中型车床，水的中型车床，水 平面和垂直面的抗扭刚度显著提高。平面和垂直面的抗扭刚度显著提高。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计半封闭斜向隔板半封闭斜向隔板：用于最大加工直径大于：用于最大加工直径大于D630mm的的卧式车床床身，床身主体部分形成封闭截面，刚性好。卧式车床床身，床身主体部分形成封闭截面，刚性好。Metal Cu

33、tting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择一般布置在支承件的内壁上。一般布置在支承件的内壁上。作用：作用：局部变形和薄壁振动，用来提高局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。支承件的局部刚度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择布局：布局：纵向、横向和斜向，常布置成交叉排列。纵向、横向和斜向，常布置成交叉排列。必须使筋条位于壁板的弯曲平面内；必须使筋条位于壁板的弯曲平面内；筋条厚度一般为床身壁厚的筋条厚度一般为床身壁厚的0.70.8倍；倍；一般铸铁

34、床身用井字形，焊接床身用米字形。一般铸铁床身用井字形，焊接床身用米字形。局部增设筋条，提高支承件的局部刚度。局部增设筋条，提高支承件的局部刚度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择加强筋的常见形式：加强筋的常见形式：直线型加强筋直线型加强筋：载荷较小窄壁上，刚性差。：载荷较小窄壁上，刚性差。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择直角相交的加强筋（井字形）直角相交的加强筋（井字形）箱形截面的床身和平板上，易产生内应力。箱形截面的床身和平

35、板上，易产生内应力。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择三角形及斜向交叉形加强筋三角形及斜向交叉形加强筋支承件的宽壁与平板上，刚度高。支承件的宽壁与平板上，刚度高。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择米字型加强筋米字型加强筋焊接床身，抗弯和抗扭刚度较高，工艺性差。焊接床身，抗弯和抗扭刚度较高，工艺性差。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择蜂窝形加强筋蜂

36、窝形加强筋平板上，内应力小。平板上，内应力小。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l隔板、筋条的合理选择局部增设肋条，提高局部刚度局部增设肋条，提高局部刚度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l合理开窗和加盖(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，其中，其中抗扭刚抗扭刚度降低更大度降低更大。应避免在主要承受扭矩的支承件上开孔。应避免在主要承受扭矩的支承件上开孔。(2)对抗弯刚度，于弯曲平面垂直的壁上的窗孔，影响最大。对抗弯刚度，于

37、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，比宽壁上的影响大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔，比宽壁上的影响大。(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，孔宽或孔径不超过孔宽或孔径不超过支承件宽度的支承件宽度的0.250.25倍。倍。(4)窗孔边缘厚一些窗孔边缘厚一些(翻边翻边)，工作时加盖，并用螺钉上紧，可，工作时加盖，并用螺钉上紧，可补偿一部分刚度的损失。补偿一部分刚度的损失。 Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l连接部位的合理选择(1) 设图设图a的一般凸缘连接，相对连接刚度为的一

38、般凸缘连接，相对连接刚度为1.0(2) 图图b：有加强肋的凸：有加强肋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d：U型加强肋结构型加强肋结构为为1.85Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l局部过渡例：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

39、显著地提高导轨处的局部刚度。高导轨处的局部刚度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件结构设计支承件结构设计l合理配置加强肋（筋）(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。Metal Cutting &

40、Machine Tools 图图a的肋用来提高轴承座处的局部刚度；的肋用来提高轴承座处的局部刚度；图图b和图和图c为当壁板面积大于为当壁板面积大于400400mm2时，时， 为避免薄壁振动而在壁板内表面加的肋。其为避免薄壁振动而在壁板内表面加的肋。其 作用在于提高壁板的抗弯刚度。作用在于提高壁板的抗弯刚度。支承件结构设计支承件结构设计l合理配置加强肋（筋）Metal Cutting & Machine Tools l合理选择支承件壁厚l原则：原则：减轻重量，根据工艺上的可能尽量选择减轻重量，根据工艺上的可能尽量选择薄一些。薄一些。支承件结构设计支承件结构设计根据当量尺寸根据当量尺寸C选

41、择铸铁件的壁厚：选择铸铁件的壁厚： L、B、H铸件的长、宽、高（铸件的长、宽、高（m）。）。)(32mHBLCMetal Cutting & Machine Tools 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l支承件的时效处理，消除残余应力l普通精度机床的支承件：粗加工后进行一次时效。l精密机床的支承件：粗加工前、后各一次。l高精度机床的支承件：进行热时效处理后，进行天然时效处理把铸件堆放在露天一年左右，让它们充分地变形。Metal Cutting & Machine Tools 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l支承件材料：l一般支承件用灰铸铁，在铸铁中加入少量合金元素可提

42、高耐磨性。l铸造性能好，容易获得复杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，使振动衰减的性能好成本低。l缺点：铸件需要木模芯盒，制造周期长，有时产生缩孔、气泡等缺陷，成本高，适于成批生产。l铸铁（根据导轨要求选择）Metal Cutting & Machine Tools 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l支承件材料：l制造周期短，省去制作木模和铸造工艺；l支承件可制成封闭结构，刚性好，便于产品更新和结构改进；l钢板焊接支承件固有频率比铸铁高，在刚度要求相同情况下，采用钢焊接支承件可比铸铁支承件壁厚减少一半，重量减轻20%30。l缺点：钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的1/3，抗

43、振性较铸铁差，为提高机床抗振性能，可采用提高阻尼的方法来改善动态性能。 l钢板和型钢（常用3号或5号钢）Metal Cutting & Machine Tools 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l支承件材料：l优点：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，阻尼系数比钢大15倍，耐磨性比铸铁高5-6倍，导热系数和线胀系数小，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。l缺点：是结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性大，油和水等液体易渗入晶界中，使表面局部变形胀大，难于制作复杂的零件。 l天然花岗岩Metal Cuttin

44、g & Machine Tools l支承件材料：支承件材料与热处理支承件材料与热处理l预应力钢筋混凝土l主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。l刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低。l缺点：脆性大，耐腐蚀性差，油渗入导致材质疏松，所以表面应进行喷漆或喷涂塑料。数控车床的底座和床身示意图数控车床的底座和床身示意图1一混凝土床身一混凝土床身 2一内封沙芯一内封沙芯Metal Cutting & Machine Tools 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l支承件材料：l树脂混凝土（人造花岗岩）l树脂混凝土与普通混凝土不同，它是用树脂和稀释剂代替水泥和

45、水，将骨料固结成为树脂混凝土，也称人造花岗岩。 l采用合成树脂为粘接剂，加入固化剂、稀释剂、增韧剂等将骨料固结而成。l稀释剂的作用是降低树脂的粘度，使浇铸时有较好的渗透力，防止固化时产生气泡。 l增韧剂用来提高韧性，提高抗冲击强度和抗弯强度。Metal Cutting & Machine Tools 支承件材料与热处理支承件材料与热处理l支承件材料：l树脂混凝土（人造花岗岩）n刚度高、抗振性好、耐水、耐化学腐蚀和耐热特性。缺点是某些力学性能低，但可以预埋金属或添加加强纤维。对于高速、高效、高精度加工机床具有广泛的应用前景。Metal Cutting & Machine Tool

46、s 树脂混凝土床身树脂混凝土床身 l整体结构形式 1.导轨部分是金属件，预先加工好，作为预埋件直接浇铸在床身上；2.左下图：采用预留导轨等部件的准确安装面，床身浇铸好之后，将这些部件粘接在机床床身上。3.适用于形状不复杂的中小型机床床身。整体结构 树脂混凝土床身与金属部件联接树脂混凝土床身与金属部件联接1一树脂混凝土一树脂混凝土 2一预埋件一预埋件 3一销钉一销钉 4-螺钉螺钉 5一导轨一导轨Metal Cutting & Machine Tools 树脂混凝土床身树脂混凝土床身l分块结构：把大型床身构件分成几个形状简单、便于浇注的部件，各部分分别浇注后，再用粘接剂或其它形式联接起来。

47、l优点：简化浇注模具的结构和实现模块化，适于结构较复杂的床身。分块结构 Metal Cutting & Machine Tools 树脂混凝土床身树脂混凝土床身l框架结构 ：采用金属型材焊接出床身的周边框架，在框架内浇注树脂混凝土。这种结构刚性好，适用于结构较简单的大中型机床床身。框架结构框架结构 Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求l导轨的功用是承受载荷和导向。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨称为静导轨或支承导轨。动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动。Metal Cutting & Ma

48、chine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求进给运动导轨进给运动导轨移置导轨移置导轨主运动导轨主运动导轨直线运动导轨直线运动导轨圆周运动圆周运动导轨导轨按工作性质按工作性质按运动轨迹按运动轨迹Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求滑动导轨滑动导轨滚动导轨滚动导轨按接触面的按接触面的摩擦性质摩擦性质普通滑动导轨普通滑动导轨液体静压导轨液体静压导轨液体动压导轨液体动压导轨气体静压导轨气体静压导轨Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导

49、轨功能、分类及基本要求开式导轨开式导轨闭式导轨闭式导轨按结构形式按结构形式开式导轨开式导轨：在部件自重和载荷作用下，动导轨和支承导在部件自重和载荷作用下，动导轨和支承导 轨的工作面始终保持相互接触、贴合。轨的工作面始终保持相互接触、贴合。 特点：特点：结构简单，不能承受较大颠覆力矩。结构简单，不能承受较大颠覆力矩。 Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求开式导轨开式导轨闭式导轨闭式导轨按结构形式按结构形式闭式导轨闭式导轨：借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。：借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。 图（图

50、（b），借助压板），借助压板1、2形成辅助导轨面，能承受较形成辅助导轨面，能承受较 大颠覆力矩。大颠覆力矩。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求 1导向精度高导向精度高 主要影响因素：主要影响因素： 导轨几何精度和接触精度；导轨几何精度和接触精度； 导轨的结构形式；导轨的结构形式； 导轨和支承件的刚度和热变形；导轨和支承件的刚度和热变形； 导轨的油膜厚度和油膜刚度（液体静压和动压导轨）。导轨的油膜厚度和油膜刚度（液体静压和动压导轨）。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计

51、机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求 2承载能力大，刚度好承载能力大，刚度好 主要影响因素：主要影响因素： 导轨的结构形式、尺寸（截面形状和尺寸）；与支承导轨的结构形式、尺寸（截面形状和尺寸）；与支承件的连接方式；受力情况（载荷性质、大小、方向）。件的连接方式；受力情况（载荷性质、大小、方向）。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求 3精度保持性好（耐磨性好）精度保持性好（耐磨性好） 常见的磨损形式：常见的磨损形式： 磨料磨损、咬合磨损、接触疲劳磨损。磨料磨损、咬合磨损、接触疲劳磨损。 影响因素：影响因素： 导轨

52、摩擦性质；导轨材料；热处理和加工方法；受力情况导轨摩擦性质；导轨材料；热处理和加工方法；受力情况（载荷状况）；润滑和防护条件。（载荷状况）；润滑和防护条件。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨功能、分类及基本要求 4低速运动平稳低速运动平稳 指导轨抵抗摩擦自激振动的能力，即动导轨作低速运指导轨抵抗摩擦自激振动的能力，即动导轨作低速运动或微量进给时，消除动或微量进给时，消除“爬行爬行”现象的程度。现象的程度。 影响因素：影响因素： 静、动摩擦系数的差值；传动系统的刚度；运动部件静、动摩擦系数的差值；传动系统的刚度；运动部件的质量、导轨

53、的结构形式、润滑。的质量、导轨的结构形式、润滑。5结构简单、工艺性好结构简单、工艺性好 易于加工、便于间隙调整、润滑防护性能良好。易于加工、便于间隙调整、润滑防护性能良好。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 l直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，并可互相组合，每种导轨副之中还有凸、凹之分。导轨的截面形状导轨的截面形状a)矩形导轨矩形导轨 b)三角形导轨三角形导轨 c)燕尾形导轨燕尾形导轨 d)圆柱形导轨圆柱形导轨Metal Cutting & Machine Tools 机床导

54、轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 圆周运动导轨圆周运动导轨a）平面环形导轨）平面环形导轨b）锥面环形导轨）锥面环形导轨c) 双锥面导轨双锥面导轨Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 矩形导轨矩形导轨导轨靠两个彼次垂直的导轨靠两个彼次垂直的导轨面导向。导轨面导向。特点：特点：刚度高，承载能力大；刚度高，承载能力大；易于制造，检验和维修方便；易于制造，检验和维修方便；导向性导向性：有侧向间隙，需要间隙调整装置。：有侧向间隙，需要间隙调整装置。用于载荷较大、导向性能要求略低的机床用于载荷较大、导向性能要求略低的

55、机床粗加工机床导轨。粗加工机床导轨。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 三角三角形导轨形导轨导轨靠两个相交导轨面导向。导轨靠两个相交导轨面导向。特点：特点：导向精度高导向精度高导轨顶角一般在导轨顶角一般在 90120度；度；结构：对称式，不对称式；结构：对称式，不对称式；导轨面水平力大于垂直力，两侧压力分布不均时用不对称式结构。导轨面水平力大于垂直力，两侧压力分布不均时用不对称式结构。大大顶角用于大型或重型机床；小顶角用于轻载精密机床。顶角用于大型或重型机床；小顶角用于轻载精密机床。Metal Cutting &

56、amp; Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 燕尾燕尾形导轨形导轨靠两个相交导轨面导向。靠两个相交导轨面导向。特点：特点：可承受较大的颠覆力矩；可承受较大的颠覆力矩；导轨高度较小，结构紧凑；导轨高度较小，结构紧凑；间隙调整方便；间隙调整方便；摩擦阻力大，刚度较低，工艺性差。摩擦阻力大，刚度较低，工艺性差。受受力较小、导向精度要求不高、速度较低、力较小、导向精度要求不高、速度较低、移移 动部件层次多、动部件层次多、高度尺寸要求小的部件。高度尺寸要求小的部件。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨

57、截面形状与间隙调整 圆柱形导轨圆柱形导轨特点：特点：制造方便，工艺性好；制造方便，工艺性好；磨损后难以调整和进行间隙补偿磨损后难以调整和进行间隙补偿。用于用于承受轴向载荷的场合，如摇臂钻的立柱。承受轴向载荷的场合，如摇臂钻的立柱。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 导轨组合形式导轨组合形式双三角形导轨双三角形导轨 接触精度好，导向精度和精度保持性好：不用接触精度好，导向精度和精度保持性好：不用镶条调整间隙，磨损后能自动补偿；镶条调整间隙，磨损后能自动补偿；工艺性差，加工、检验和维修不便。工艺性差，加工、检验和维修

58、不便。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 导轨组合形式导轨组合形式双矩形导轨双矩形导轨刚性好，承载能力大；刚性好，承载能力大；易于加工和维修；易于加工和维修；导向性差，磨损后不能自动补偿间隙：需用镶条调导向性差，磨损后不能自动补偿间隙：需用镶条调整侧导向面间隙。整侧导向面间隙。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 导轨组合形式导轨组合形式三角形三角形+矩形导轨矩形导轨 导向导向性好，刚度高，制造方便，应用最广。如车床、性好，刚度高，制

59、造方便，应用最广。如车床、磨床、龙门铣床的床身导轨。磨床、龙门铣床的床身导轨。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 导轨组合形式导轨组合形式燕尾燕尾形形+矩形导轨矩形导轨 能能承受较大力矩，调整方便，多用在横梁、立柱、摇承受较大力矩，调整方便，多用在横梁、立柱、摇臂导轨中。臂导轨中。 Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 u导轨面间的间隙对机床工作性能有直接影响，如果间隙过大，将影响运动精度和平稳性；u间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加

60、快。u必须保证导轨具有合理间隙，磨损后又能方便地调整。导轨间隙常用压板、镶条来调整。Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 1压板：压板：用来调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。用来调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。不能调整侧向间隙不能调整侧向间隙 压板用螺钉固定在运动部件上，用压板用螺钉固定在运动部件上，用配刮（或磨）、配刮（或磨）、垫片来调整间隙。垫片来调整间隙。 Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 1压板：压板：图（图（a）：用

61、磨或刮压板调整间隙；）：用磨或刮压板调整间隙；图（图（b）：改变垫片）：改变垫片1数目或厚度调整间隙；数目或厚度调整间隙；图（图（c）：在压板和导轨之间用平镶条）：在压板和导轨之间用平镶条5和螺钉调整间隙。和螺钉调整间隙。 Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 2镶条调整：镶条调整：用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧向间隙。（1）平镶条：）平镶条：产生横向位移产生横向位移 横截面为矩形、平行四边形或梯形，其厚度均横截面为矩形、平行四边形或梯形，其厚度均匀相等，通过匀相等，通过横向位移横向位移调整间隙。调整间隙。镶条易变形，应用较少。镶条易变形，应用较少。 Metal Cutting & Machine Tools 机床导轨设计机床导轨设计l导轨截面形状与间隙调整 2镶条调整