第三章 2支承件及导轨

1、机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学 冯辛安 主编主讲 制造教研室 储开宇学时 563.3.7 7 支承件设计支承件设计F3.3.7.1 7.1 支承件的功能支承件的功能F3.3.7.2 7.2 支承件应满足的基本要求支承件应满足的基本要求F3.3.7.3 7.3 支承件的结构设计支承件的结构设计F3.3.7.4 7.4 支承件的材料支承件的材料F3.3.7.5 7.5 提高支承件结构性能的措施提高支承件结构性能的措施p 支承件支承件床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件尺寸及重量较大的零

2、件p 在切削时，刀具与工件之间相互作用的力沿着大部分支承在切削时，刀具与工件之间相互作用的力沿着大部分支承件逐个传递并使之变形。件逐个传递并使之变形。p 机床的动态力机床的动态力( (如变动的切削力，往复运动件的惯性，旋如变动的切削力，往复运动件的惯性，旋转件的不平衡等转件的不平衡等) )使支承件和整机振动使支承件和整机振动p 支承件的热变形改变执行器官的相对位置或运动轨迹。支承件的热变形改变执行器官的相对位置或运动轨迹。p 影响加工精度和表面质量影响加工精度和表面质量p 支承件是机床十分重要的构件支承件是机床十分重要的构件一、支承件的功用及基本要求第七节第七节 支承件及导轨支承件及导轨（一）

3、功用（一）功用p 支承支承机床各部件；机床各部件；p 承受承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力p 保证保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。迹的准确关系。p 内部空间内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机（二）基本要求（二）基本要求p 1 1足够的静刚度和较高的刚度重量比足够的静刚度和较高的刚度重量比p 要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一定的要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一定的数值。数值。p

4、重量占机床总重量的重量占机床总重量的8080以上，应尽量减轻支承件的重以上，应尽量减轻支承件的重量。量。p 3 3应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热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的影响较小变形对加工精度的影响较小 p 由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力p 在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形。件变形。p 热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。运动轨迹，影响加工精度。

5、p 4 4应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。于制造和装配。p 2 2良好的动态特性良好的动态特性 p 包括较大的动刚度和阻尼；包括较大的动刚度和阻尼；p 与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生共振；频率重合而产生共振；p 不会发生薄壁振动而产生噪声等。不会发生薄壁振动而产生噪声等。二、支承件的结构设计二、支承件的结构设计设计支承件时：设计支承件时： 1. 1. 优先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形优先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。

6、在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。状。在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。 2. 2. 根据其使用要求，进行受力和变形分折。根据其使用要求，进行受力和变形分折。 3. 3. 根据所受的力和其它要求根据所受的力和其它要求( (如排屑、吊运、安装其它如排屑、吊运、安装其它零件等零件等) )进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。 4. 4. 利用计算机进行有限元计算，求出其静态刚度和动利用计算机进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性。态特性。 5. 5. 对设计进行修改和完善、选出最佳结构形式。对设计进行修改和完善、选出最佳结构形式。 这样，

7、既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减轻这样，既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约余属。重量，节约余属。1 1. . 机床的类型机床的类型 机床根据其所受的载荷的特点，可分为三大类机床根据其所受的载荷的特点，可分为三大类: : （1 1）中、小型机床：）中、小型机床： 外载荷以切削力为主，工件的质量、移动部件外载荷以切削力为主，工件的质量、移动部件( (如车床的如车床的刀架刀架) )的质量等相对较小，在进行受力分析时可忽略不计。的质量等相对较小，在进行受力分析时可忽略不计。 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 2）精密和高精度机

8、床：）精密和高精度机床： 外载荷以移动件的重力和热应力为主。主要是精加工，外载荷以移动件的重力和热应力为主。主要是精加工，切削力较小。切削力较小。 例如双柱立式坐标镗床，主要考虑主轴箱从横梁的一端例如双柱立式坐标镗床，主要考虑主轴箱从横梁的一端移至中部，引起的横梁弯曲和扭转变形。移至中部，引起的横梁弯曲和扭转变形。（一）机床的类型布局和支承件形状（一）机床的类型布局和支承件形状 （3 3）大型机床：）大型机床： 工件重，切削力较大，移动件的重量也较大。载荷必须工件重，切削力较大，移动件的重量也较大。载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。例如重型

9、车床、落地镗铣床和龙门式机床等。例如重型车床、落地镗铣床和龙门式机床等。（一）机床的类型布局和支承件形状（一）机床的类型布局和支承件形状2. 2. 支承件的形状支承件的形状 ( (1) 1) 梁类件梁类件一个方向的尺寸比另外两个方向大得多一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件。的零件。 如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等 ( (2) 2) 板类件板类件两个方向的尺寸比第三个方向大得多的两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。零件。 如底座、工作台、刀架等如底座、工作台、刀架等 ( (3) 3) 箱形件箱形件三个方向的尺寸都差不多的零件。三个方向的尺寸都差不多的零

10、件。 如箱体、升降台等如箱体、升降台等（一）机床的类型布局和支承件形状（一）机床的类型布局和支承件形状3 3机床的布局形式对支承件形状的影响机床的布局形式对支承件形状的影响中型卧式车床：中型卧式车床：采用前倾床身、前倾拖板布局较多。采用前倾床身、前倾拖板布局较多。优点：优点：排屑方便，切屑不累积在导轨上将热量传给床身而产排屑方便，切屑不累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，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。能保证有足够的抗弯和抗扭强度。（一）机床的类型布局和支承件形状（一）机床的类型布局和支承件形状

11、支承件结构设计原则：支承件结构设计原则：应在最小重量条件下，具有最大静刚度应在最小重量条件下，具有最大静刚度静刚度：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主要包括弯曲刚度和扭转刚度，均与截面惯性矩成正比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面积，其比。支承件截面形状不同，即使同一材料、相等的截面积，其抗弯和抗扭惯性短也不同。抗弯和抗扭惯性短也不同。 表表3 31313为截面积近似皆为为截面积近似皆为100mm100mm2 2的的8 8种不同截面形状的抗种不同截面形状的抗弯和抗扭惯性短的比较。弯和抗扭惯性短的比较。 ( (二二) )支承件的截面形状和选则支承件的截面形状和选

12、则1.1.无论是方形、圆形或矩形：无论是方形、圆形或矩形：空空心截面的刚度都比实心的大；而心截面的刚度都比实心的大；而且同样的断面形状和相同大小的且同样的断面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的，比外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。抗弯刚度和抗扭刚度都高。结论：结论：为提高支为提高支承件刚度，支承承件刚度，支承件的截面应是中件的截面应是中空形状，尽可能空形状，尽可能加大截面尺寸，加大截面尺寸，在工艺可能的前在工艺可能的前提下壁厚尽量薄提下壁厚尽量薄一些。当然壁厚一些。当然壁厚不能太薄，以免不能太薄，以免出现薄壁振动。

13、出现薄壁振动。( (二二) )支承件的截面形状和选则支承件的截面形状和选则2. 2. 圆圆( (环环) )形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低结论：结论：以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其高度方向为受弯方向；向为受弯方向；以承受扭短为主的支承件的截面形状应取圆以承受扭短为主的支承件的截面形状应取圆( (环环) )形。形。3. 3. 封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚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。度。结论：结论：设计时应尽可能把支承件的截

14、面作成封闭形状设计时应尽可能把支承件的截面作成封闭形状有时为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，不能作成全封有时为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，不能作成全封闭形状。闭形状。( (二二) )支承件的截面形状和选则支承件的截面形状和选则三、车床床身变形对加工精度的影响三、车床床身变形对加工精度的影响车床床身车床床身在水平面内在水平面内的弯曲变形变形（近似以的弯曲变形变形（近似以1 1：1 1反映为工件反映为工件的半径误差）；的半径误差）；在垂直平面内在垂直平面内的弯曲变形及扭转变形对加工精度的影响分析：的弯曲变形及扭转变形对加工精度的影响分析：水平面内的弯曲变形大于垂直面内的影响；水平面内的

15、弯曲变形大于垂直面内的影响；扭转变形使刀尖在扭转变形使刀尖在y y方向产生较大的偏移；方向产生较大的偏移；设计车床床身时，设计车床床身时，主要应提高水平面内的弯曲刚度；主要应提高水平面内的弯曲刚度；在设计长床身时，在设计长床身时，也要也要注意提高扭转刚度；注意提高扭转刚度；四、支承件的静刚度四、支承件的静刚度支承件的变形包括支承件的变形包括 自身变形自身变形 局部变形局部变形 接触变形接触变形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 接触刚度接触刚度如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上变形包括变形包括床身自身的变形床身自身的变形 导轨

16、部分局部的变形导轨部分局部的变形 导轨表面的接触变形导轨表面的接触变形局部变形和接触变形：局部变形和接触变形：不能忽略，有时甚至占主要地位。不能忽略，有时甚至占主要地位。如床身设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨处的局部变形就如床身设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨处的局部变形就会相当大会相当大又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占相当大的比又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占相当大的比重重四、支承件的静刚度四、支承件的静刚度（一）自身刚度（一）自身刚度自身刚度自身刚度支承件抵抗自身变形的能力。支承件抵抗自身变形的能力。如：摇臂钻床摇臂和普通车床床身的受力和变形。如：摇臂钻床摇臂和

17、普通车床床身的受力和变形。自身刚度自身刚度主要为主要为弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度和扭转刚度。自身刚度自身刚度取决于取决于支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板的布置等。的布置等。（二）局部刚度（二）局部刚度局部刚度局部刚度抵抗局部变形的能力。抵抗局部变形的能力。局部变形局部变形发生在载荷较集中的局发生在载荷较集中的局部结构处。部结构处。局部刚度局部刚度取决于取决于受载部位的构造受载部位的构造、尺寸及筋的配置。、尺寸及筋的配置。例如，导轨与伸出床壁外面部分的弯例如，导轨与伸出床壁外面部分的弯曲变形曲变形；（三）接触刚度（三）接触刚度两个平面相接触时，由于平面的宏观

18、不平度和微观不平度，两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微观不平度，所以只是一些高点相接触所以只是一些高点相接触接触刚度接触刚度支承件各接触面抵抗接触变形的能力支承件各接触面抵抗接触变形的能力（四）接触刚度与自身刚度的区别（四）接触刚度与自身刚度的区别接触刚度接触刚度是平均压强与变形之比是平均压强与变形之比Kj Kj=p Kj不是一个固定值，不是一个固定值，与与p的关系是的关系是非线性非线性的的 p很小时，两个面之间只有少数高点接触，接触刚度较低。很小时，两个面之间只有少数高点接触，接触刚度较低。 p较大时，接触高点产生变形，实际接触面积增加，接触刚度提高。较大时，接触高点产生变形，实际接

19、触面积增加，接触刚度提高。支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响。支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有影响。自身刚度和局部刚度较高，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则接触压强的分布基本上是均匀的，接触刚度也较高接触刚度也较高自身刚度或局部刚度不足，自身刚度或局部刚度不足，在集中载荷作用下，构件变形较大在集中载荷作用下，构件变形较大，使接触压强分布不均，使接触压强分布不均，接触变形分布也不均，降低了接触刚接触变形分布也不均，降低了接触刚度度五、支承件的结构设计五、支承件的结构设计支承件的设计通常是根据使用要求和受力情况，支承件的设计通常是根据使用要求和受力情况

20、，参考同类型参考同类型机床机床，初步确定其形状和尺寸，初步确定其形状和尺寸较重要的支承件要进行验算或膜型试验，根据验算或试验结较重要的支承件要进行验算或膜型试验，根据验算或试验结果作适当修改果作适当修改设设 计计 方方 法法保证良好的静刚度和动态特性保证良好的静刚度和动态特性减少热变形减少热变形合理选用材料和热处理方式合理选用材料和热处理方式有较好的结构工艺性等有较好的结构工艺性等设计时应考虑的问题设计时应考虑的问题（一）提高支承件自身刚度（一）提高支承件自身刚度(1)正确选择截面的形状和尺寸正确选择截面的形状和尺寸支承件支承件 主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷主要是承受力矩、扭矩以及弯扭

21、复合载荷自身刚度主要考虑自身刚度主要考虑 弯曲刚度和扭转刚度弯曲刚度和扭转刚度在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。抗扭惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。（2 2）合理布置隔板）合理布置隔板隔板布置的三种基本形式隔板布置的三种基本形式隔板隔板在两壁之间起连接作用的内壁。在两壁之间起连接作用的内壁。 隔板功用隔板功用把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载

22、荷。板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷。当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承件的自身刚度。件的自身刚度。 纵向纵向隔板隔板主要提高抗弯刚度主要提高抗弯刚度 横向横向隔板隔板主要提高抗扭刚度主要提高抗扭刚度 斜向斜向隔板隔板兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果（一）提高支承件自身刚度（一）提高支承件自身刚度（一）提高支承件自身刚度（一）提高支承件自身刚度必须注意隔板的布置方向：必须注意隔板的布置方向：纵向隔板应布置在弯曲平面内纵向隔板应布置在弯曲平面内，此时隔板对此时隔板对X X轴的惯性矩

23、为：轴的惯性矩为：l l3 3b/12b/12若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时，则惯性矩为若将隔板布置在与弯曲平面相垂直的平面内时，则惯性矩为lblb3 31212两者之比为两者之比为l l2 2：b b2 2由于由于l lb b ，所以图所以图a a的的抗弯刚度比图抗弯刚度比图b b要大得多要大得多（一）提高支承件自身刚度（一）提高支承件自身刚度（3 3）合理开孔和加盖）合理开孔和加盖开孔对抗扭刚度影响较开孔对抗扭刚度影响较大。大。应该尽量避免在主要承应该尽量避免在主要承受扭矩的支承件上开孔受扭矩的支承件上开孔孔宽或孔径不超过支承孔宽或孔径不超过支承件宽度的件宽度的0.250.25倍

24、倍支承件外壁开孔，会降低抗弯及抗扭刚度，对抗扭刚度的影支承件外壁开孔，会降低抗弯及抗扭刚度，对抗扭刚度的影响更大。响更大。（一）提高支承件自身刚度（一）提高支承件自身刚度（二）提高局部刚度（二）提高局部刚度（1 1）合理选择连接部位的结构）合理选择连接部位的结构设图设图a a的一般凸缘连接相对连接的一般凸缘连接相对连接刚度为刚度为1.01.0则图则图b b有加强筋的凸缘连接刚度有加强筋的凸缘连接刚度为为1.061.06图图c c的凹槽式为的凹槽式为1.801.80图图dUdU型加强筋结构为型加强筋结构为1.851.85图图c c和图和图d d两种结构最好两种结构最好特别是用来承受力矩效果更好特

25、别是用来承受力矩效果更好缺点缺点结构复杂。结构复杂。（2 2）合理选择螺钉尺寸和布置）合理选择螺钉尺寸和布置当受力矩时，螺钉应主要布置在受拉伸的一侧当受力矩时，螺钉应主要布置在受拉伸的一侧当受转矩时，螺钉应均匀分布在连接部位的四周当受转矩时，螺钉应均匀分布在连接部位的四周螺钉尺寸应经过计算，使它足以能承受外载荷的作用螺钉尺寸应经过计算，使它足以能承受外载荷的作用（二）提高局部刚度（二）提高局部刚度（3 3）注意床身与导轨连接处的局部过渡）注意床身与导轨连接处的局部过渡图图a a为床身与导轨以单壁连接，结构简单，刚度较差，适用为床身与导轨以单壁连接，结构简单，刚度较差，适用于承受小载荷。于承受小

26、载荷。图图b b为单壁减薄与加强筋结构，刚度较前一种形式好，适用为单壁减薄与加强筋结构，刚度较前一种形式好，适用于中等载荷。于中等载荷。（二）提高局部刚度（二）提高局部刚度图图c c为双壁连接，结构较复杂，刚度较高，适用于中等载荷为双壁连接，结构较复杂，刚度较高，适用于中等载荷及重载荷；及重载荷；图图d d为直接连接，没有过渡壁，导轨的局部刚度最高。为直接连接，没有过渡壁，导轨的局部刚度最高。（4 4）合理配置加强筋）合理配置加强筋当支承件的内部要安装其它机构，不但不能封闭，安置隔板当支承件的内部要安装其它机构，不但不能封闭，安置隔板也会有所妨碍也会有所妨碍采用加强筋提高刚度采用加强筋提高刚度

27、合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法加强筋的高度可取为壁厚的加强筋的高度可取为壁厚的4 45 5倍，筋的厚度取壁厚的倍，筋的厚度取壁厚的0.80.81 1倍倍（二）提高局部刚度（二）提高局部刚度图图a a和和b b的筋分别用来提高导轨和轴承座处的局部刚度的筋分别用来提高导轨和轴承座处的局部刚度图图c c、d d、e e为当壁板面积大于为当壁板面积大于400X400mm400X400mm2 2时时, ,为避免薄壁振为避免薄壁振动而在内表面加的筋，以提高壁板的抗弯刚度动而在内表面加的筋，以提高壁板的抗弯刚度（二）提高局部刚度（二）提高局部刚度最好方法：最好方

28、法：减少接触面的层次；如将车床床身和床腿做成整体减少接触面的层次；如将车床床身和床腿做成整体式。式。但具体设计时，常限于结构或功能上的原因而不能减少接触面但具体设计时，常限于结构或功能上的原因而不能减少接触面的层次，例如车床的刀架。的层次，例如车床的刀架。（三）提高接触刚度（三）提高接触刚度（1 1）导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配磨刮研时，每）导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配磨刮研时，每25252525mmmm2 2： 高精度机床为高精度机床为1212点点 精密机床为精密机床为8 8点点 普通机床为普通机床为6 6点点 并使接触点均匀分布并使接触点均匀分布固定结合面配磨时，表面粗糙度

29、值应小于固定结合面配磨时，表面粗糙度值应小于Ra1.6Ra1.6（2 2）以固定螺钉连接时：以固定螺钉连接时：通常应使接触面间的平均预压压强通常应使接触面间的平均预压压强不得小于不得小于2MPa2MPa，以消除表面微观不平度的影响，并据此确定固以消除表面微观不平度的影响，并据此确定固定螺钉的直径、数量、布置位置以及拧紧螺钉时施加的力。定螺钉的直径、数量、布置位置以及拧紧螺钉时施加的力。不能用活扳手来拧紧螺钉不能用活扳手来拧紧螺钉用测力扳手用测力扳手决定固定螺钉的直径、数量、决定固定螺钉的直径、数量、距离、以及拧螺钉时的力矩距离、以及拧螺钉时的力矩（三）提高接触刚度（三）提高接触刚度（四）提高支

30、承件的抗振性（四）提高支承件的抗振性支承件是一个多自由度系统。就定性分析而言，对单自由度系支承件是一个多自由度系统。就定性分析而言，对单自由度系统抗振性的分析也适用于多自由度系统。统抗振性的分析也适用于多自由度系统。在一个幅值为在一个幅值为F,F,角频率为角频率为的正弦交变激振力作用下，单自由的正弦交变激振力作用下，单自由度有阻尼系统受迫振动的幅值为度有阻尼系统受迫振动的幅值为222211nnKFA减小系统受迫振动幅值的措施：减小系统受迫振动幅值的措施：减小振源的激振力减小振源的激振力F F；提高系统的静刚度；提高系统的静刚度K K；增大系统的阻尼比增大系统的阻尼比；提高系统的固有频率；提高系

31、统的固有频率n n或改变激振频率或改变激振频率，使两者远离均可以。使两者远离均可以。当当n时，时，A主要取决于系统的惯性，可用加大质量的办主要取决于系统的惯性，可用加大质量的办法来提高抗振柱。这个区域称为法来提高抗振柱。这个区域称为“惯性区惯性区”。当当 n时，时，A急剧增加。这个区域称为急剧增加。这个区域称为“共振区共振区”。在共振。在共振区内阻尼的影响很大。区内阻尼的影响很大。阻尼愈小，阻尼愈小，共振表现得愈强烈。共振表现得愈强烈。（四）提高支承件的抗振性（四）提高支承件的抗振性（五）提高抵抗受迫振动的能力（五）提高抵抗受迫振动的能力1.避开共振区，使支承件的固有频率远离激振频率。避开共振

32、区，使支承件的固有频率远离激振频率。由于一由于一般振源的频率较低，所以可以采用提高静刚度或减小质量的般振源的频率较低，所以可以采用提高静刚度或减小质量的方法来提高支承件的固有频率。方法来提高支承件的固有频率。2.提高静刚度和设法加大阻尼。提高静刚度和设法加大阻尼。提高静刚度提高静刚度不仅能减少静态受力下的变形，而且降低低频振不仅能减少静态受力下的变形，而且降低低频振动时的振幅，以提高抗振性。动时的振幅，以提高抗振性。增加阻尼增加阻尼可以显著地提高抗振性，尤其是激振频率较高接近可以显著地提高抗振性，尤其是激振频率较高接近于固有频率时，可以大大地降低其振幅，抑制振动。于固有频率时，可以大大地降低其

33、振幅，抑制振动。（五）提高抵抗受迫振动的能力（五）提高抵抗受迫振动的能力（五）提高抵抗受迫振动的能力（五）提高抵抗受迫振动的能力增加阻尼的常用方法增加阻尼的常用方法p 1 1）在支承件内腔）在支承件内腔充填泥芯或混凝土充填泥芯或混凝土等具有高内阻尼的材料。等具有高内阻尼的材料。p 2 2）采用具有）采用具有阻尼性能的焊接结构阻尼性能的焊接结构。如采用间断焊缝、焊减振。如采用间断焊缝、焊减振接头等来加大摩擦阻尼。接头等来加大摩擦阻尼。p 3 3）对于弯曲振动结构尤其是薄壁结构，在其表面喷涂一层具）对于弯曲振动结构尤其是薄壁结构，在其表面喷涂一层具有有高内阻尼的粘滞性材料高内阻尼的粘滞性材料，如沥

34、青基制成的胶泥减振剂、高，如沥青基制成的胶泥减振剂、高分子聚合物和油漆腻子等，或采用石墨纤维的约束带和内阻分子聚合物和油漆腻子等，或采用石墨纤维的约束带和内阻尼高、剪切膜量极低的压敏式阻尼胶等。尼高、剪切膜量极低的压敏式阻尼胶等。p 4 4）采用）采用环氧树脂粘结环氧树脂粘结的结构，其抗振性超过铸造和焊接结构的结构，其抗振性超过铸造和焊接结构。p 5 5）采用较粗糙的加工面或在接触面间垫以）采用较粗糙的加工面或在接触面间垫以弹性材料弹性材料，也能增，也能增加阻尼提高抗振性。但此时接触刚度有所降低。加阻尼提高抗振性。但此时接触刚度有所降低。增加阻尼的常用方法增加阻尼的常用方法六、减少支承件的热变

35、形六、减少支承件的热变形 机床工作时各种热源，如电动机、液压系统、切削热和机床工作时各种热源，如电动机、液压系统、切削热和摩擦热等，使各部件因温度分布不均匀而产生变形，这就是摩擦热等，使各部件因温度分布不均匀而产生变形，这就是热变形热变形。 热变形对于普通中小型机床加工精度的影响不太明显。热变形对于普通中小型机床加工精度的影响不太明显。但对但对精密机床精密机床、自动机床及重型机床加工精度的影响却很大。、自动机床及重型机床加工精度的影响却很大。（一）散热和隔热（一）散热和隔热 散热散热: :适当加大适当加大散热散热面积，加设散热片，发热较多的部面积，加设散热片，发热较多的部件应使其周围空气流动畅

36、通，等都能改善散热条件。件应使其周围空气流动畅通，等都能改善散热条件。 隔热：隔离隔热：隔离热源是减少热变形的一个有效措施热源是减少热变形的一个有效措施 例例: :单柱坐标镗床，电动机外有隔热罩，立柱后壁设进单柱坐标镗床，电动机外有隔热罩，立柱后壁设进气口，顶部有排气口，电动机风扇使气流向上运动，图中箭气口，顶部有排气口，电动机风扇使气流向上运动，图中箭头所示，与自然通风气流一致，以加强散热头所示，与自然通风气流一致，以加强散热六、减少支承件的热变形六、减少支承件的热变形（二）均热（二）均热 由于支承件各处受热情况不同，质量不均，使各部位由于支承件各处受热情况不同，质量不均，使各部位的温度不均

37、，热膨胀也就不均，不均匀的热膨胀对加工精的温度不均，热膨胀也就不均，不均匀的热膨胀对加工精度的影响更大，因此要考虑度的影响更大，因此要考虑均热均热问题。问题。 例如车床床身，可以用改变传热路线的办法来减少温例如车床床身，可以用改变传热路线的办法来减少温度不均。度不均。六、减少支承件的热变形六、减少支承件的热变形（三）使热变形对精度影响较小（三）使热变形对精度影响较小 同样的热变形，由于结构形式不同，对精度的影响是不同样的热变形，由于结构形式不同，对精度的影响是不同的。同的。 例如图例如图4-15a4-15a所示为单柱卧式坐标镗床，由于主轴箱温所示为单柱卧式坐标镗床，由于主轴箱温升，引起立柱前、

38、后壁温度不同，将使主轴轴线产生位移。升，引起立柱前、后壁温度不同，将使主轴轴线产生位移。六、减少支承件的热变形六、减少支承件的热变形如果采用图如果采用图4-15b4-15b所示的双柱对所示的双柱对称结构，就可使热变形对主轴称结构，就可使热变形对主轴轴线位移的影响大大减少。轴线位移的影响大大减少。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理 支承件的材料主要为支承件的材料主要为铸铁和钢铸铁和钢 （一）铸铁（一）铸铁 一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加入少量合金元素可一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加入少量合金元素可提高耐磨性。提高耐磨性。 铸铁的特点：铸铁的特点：铸铁铸造性能好，

39、容易获得复杂结构的支承铸铁铸造性能好，容易获得复杂结构的支承件；铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，使振动衰减的性能好，件；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。但铸件需要木模芯盒，制造周期长，有时产生缩孔、成本低。但铸件需要木模芯盒，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。气泡等缺陷，成本高，适于成批生产。 1.1.导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨的要导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨的要求选择。求选择。 2.2.导轨是镶装上去的，或支承件上没有导轨，一般可采用导轨是镶装上去的，或支承件上没有导轨，一般可采用HT150HT150 3.3

40、.支承件由型钢和钢板焊接，常用支承件由型钢和钢板焊接，常用Q235AFQ235AF或或Q275Q275钢。钢。 时效处理：时效处理： 在铸造或焊接中的残余应力，将使支承件产生变形。在铸造或焊接中的残余应力，将使支承件产生变形。 进行进行时效处理时效处理可可以消除残余应力以消除残余应力 普通精度机床的支承件在粗加工后安排一次热时效处理普通精度机床的支承件在粗加工后安排一次热时效处理即可。即可。 精密机床最好进行两次热时效处理，即粗加工前、后各精密机床最好进行两次热时效处理，即粗加工前、后各一次。一次。 高精度机床在进行热时效处理后，还进行天然时效处理，高精度机床在进行热时效处理后，还进行天然时效

41、处理，即把铸件堆放在露天即把铸件堆放在露天一年一年左右，让它们充分地变形。左右，让它们充分地变形。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理 ( (二二) )钢板焊接结构钢板焊接结构 用钢板和型钢等焊接支承件。用钢板和型钢等焊接支承件。 优点：优点：制造周期短，省去制作木模和铸造工艺；支承件制造周期短，省去制作木模和铸造工艺；支承件可制成封闭结构，刚性好；便于产品更新和结构改进；钢板可制成封闭结构，刚性好；便于产品更新和结构改进；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

42、，重量减轻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%20%5050。 可以通过有限元法对焊接件结构负载和刚度进行优化处可以通过有限元法对焊接件结构负载和刚度进行优化处理。根据受力情况合理布置肋板，选择合适厚度的材料，以理。根据受力情况合理布置肋板，选择合适厚度的材料，以提高大件的动静刚度。提高大件的动静刚度。 七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理应用：应用：用钢板焊接结构件代替铸件的趋势不断扩大，从单件用钢板焊接结构件代替铸件的趋势不断扩大，从单件和小批生产的重型机床和超重型机床上应用，逐步发展到一和小批生产的重型机床和超重型机床上应用，逐步发展到一定批量

43、的中型机床中。定批量的中型机床中。缺点：缺点：钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的钢板材料内摩擦阻尼约为铸铁的1 13 3，抗振性较铸铁，抗振性较铸铁差。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。态性能。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理缺点：缺点：脆性大，耐腐蚀性差，油渗入脆性大，耐腐蚀性差，油渗入导致材质疏松，所以表面需进行喷漆导致材质疏松，所以表面需进行喷漆或喷涂塑料。或喷涂塑料。应用：应用：制作不常移动的大型机械的机制作不常移动的大型机械的机身、底座、立柱等支承件。身、底座、立柱等支承件。( (三三)

44、)顶应力钢筋混凝土顶应力钢筋混凝土优点：优点：顶应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大几倍顶应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低，用钢筋混凝土制成支承件时。钢筋，抗振性好，成本较低，用钢筋混凝土制成支承件时。钢筋的配置对支承件影响较大，一般三个方向都要配置钢筋，总的配置对支承件影响较大，一般三个方向都要配置钢筋，总预拉力为预拉力为120120150kN150kN。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理 预应力钢筋混凝土支承件预应力钢筋混凝土支承件( (主要为床身、立柱、底座等）主要为床身、立柱、底座等）近年来有较大的发展。混凝土的比重是钢的近

45、年来有较大的发展。混凝土的比重是钢的1 13 3，弹性膜量，弹性膜量是钢的是钢的1 110101 11515，阻尼高于铸铁，适合于制造受载均匀，阻尼高于铸铁，适合于制造受载均匀，截面积大、抗振性要求较高的支承件。截面积大、抗振性要求较高的支承件。 采用钢筋混凝土可节约大量钢材，降低成本。但钢筋混采用钢筋混凝土可节约大量钢材，降低成本。但钢筋混凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支承件连接刚度不足等问凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支承件连接刚度不足等问题，有待进一步研究解决。题，有待进一步研究解决。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理( (四四) )天然花岗岩天然花岗岩 优点：

46、优点：天然花岗岩性能稳定，精度保持性好、抗振性好天然花岗岩性能稳定，精度保持性好、抗振性好。阻尼系数比钢大。阻尼系数比钢大1515倍，耐磨性比铸铁高倍，耐磨性比铸铁高5 56 6倍，导热系数倍，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，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，通道研磨和抛光容易得到很高的与金属不粘合，加工方便，通道研磨和抛光容易得到很高的精度和表面粗糙度。精度和表面粗糙度。 缺点：缺点：结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性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，难大，

47、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。于制作复杂的零件。 应用：应用：用于三坐标测量机、印制电路板数控钻床、气浮用于三坐标测量机、印制电路板数控钻床、气浮导轨基座等。导轨基座等。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理( (五五) )树脂混凝土树脂混凝土是制造机床床身的一种新型材料，在是制造机床床身的一种新型材料，在7070年代出现。与普通混凝年代出现。与普通混凝土不同，它是用树脂和稀释剂代替水泥和水，将骨料固结成为土不同，它是用树脂和稀释剂代替水泥和水，将骨料固结成为树脂混凝土，也称人造花岗岩。树脂混凝土，也称人造花岗岩。七、合理选择支承件材料

48、和热处理七、合理选择支承件材料和热处理优点：优点：1.1.刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比为灰铸铁的刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比为灰铸铁的8 81010倍倍，抗振性好；，抗振性好；2.2.热容量大，热传导率低，导热系数只为铸铁的热容量大，热传导率低，导热系数只为铸铁的1 125251 14040，热稳定性高，其构件热变形小；，热稳定性高，其构件热变形小；3.3.比重为铸铁的比重为铸铁的1 13 3 ，质量轻；，质量轻；4.4.可获得良好的几何形状精度，表面精糙度也较低；可获得良好的几何形状精度，表面精糙度也较低；5.5.对切削油、润滑剂、冷却液有极好的耐腐蚀性；对切削油、润滑剂、冷却液

49、有极好的耐腐蚀性；6.6.与金属粘接力强，可根据不同的结构要求，预埋金属件，使与金属粘接力强，可根据不同的结构要求，预埋金属件，使机械加工量减少，降低成本；浇注时无大气污染；机械加工量减少，降低成本；浇注时无大气污染；7.7.生产周期短，工艺流程短；生产周期短，工艺流程短；8.8.浇注出的床身静刚度比铸铁床身提高浇注出的床身静刚度比铸铁床身提高16164040。总之它具有刚度高、抗振性好、耐水、耐化学腐蚀和耐热特性总之它具有刚度高、抗振性好、耐水、耐化学腐蚀和耐热特性。缺点：缺点：某些力学性能低，但可以预埋金属或添加加强纤维。某些力学性能低，但可以预埋金属或添加加强纤维。应用：应用：对于高速、

50、高效、高精度加工机床具有广泛的应用前景对于高速、高效、高精度加工机床具有广泛的应用前景。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理树脂混凝土床身有整体结构形式、分块结构形式和框架结构形树脂混凝土床身有整体结构形式、分块结构形式和框架结构形式，式， (1)(1)整体结构形式整体结构形式 用树脂混凝土制造出床身的整体结构，如用树脂混凝土制造出床身的整体结构，如图图3-91b3-91b所示。其中导轨部分可以是金属件，预先加工好。作所示。其中导轨部分可以是金属件，预先加工好。作为预埋件真接浇铸在床身上；或采用预留导轨等部件的准确安为预埋件真接浇铸在床身上；或采用预留导轨等部件的准确安

51、装面，床身浇铸好之后，将这些部件粘接在机床床身上，如图装面，床身浇铸好之后，将这些部件粘接在机床床身上，如图3-923-92所示。这种结构适用于形状个复杂的中小型机床床身。所示。这种结构适用于形状个复杂的中小型机床床身。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理 (2)(2)分块结构分块结构 为简化浇注模具的结构和实现模块化，对于为简化浇注模具的结构和实现模块化，对于结构较复杂的大型床身构件，把它分成几个形状简单、便于结构较复杂的大型床身构件，把它分成几个形状简单、便于浇注的部件，如图浇注的部件，如图3-91c3-91c所示。各部分分别浇注后，再用粘接所示。各部分分别浇注后，

52、再用粘接剂或其它形式联接近来。剂或其它形式联接近来。 (3)(3)框架结构框架结构 这种结构采用金属型树焊接出床身的周边框这种结构采用金属型树焊接出床身的周边框架，在框架内烧注树脂混凝土，如图架，在框架内烧注树脂混凝土，如图3-91a3-91a所示：这种结构刚所示：这种结构刚性好，适用于结构较简单的大中型机床床身。性好，适用于结构较简单的大中型机床床身。七、合理选择支承件材料和热处理七、合理选择支承件材料和热处理八、支承件的结构工艺性八、支承件的结构工艺性（一）铸件结构工艺性（一）铸件结构工艺性（1 1）铸件形状简单造型和）铸件形状简单造型和拔膜拔膜容易；型芯少且便于支撑，安容易；型芯少且便于

53、支撑，安装简单可靠。装简单可靠。（2 2）避免产生）避免产生缩孔缩孔、气孔和裂纹壁厚应尽量均匀。、气孔和裂纹壁厚应尽量均匀。（3 3）便于清砂）便于清砂 特别是便于清理砂芯。特别是便于清理砂芯。（4 4）大型铸件要铸出起吊孔）大型铸件要铸出起吊孔（二）机械加工工艺性（二）机械加工工艺性（1 1）较长的支承件（如车床床身）应尽量避免两端有加工）较长的支承件（如车床床身）应尽量避免两端有加工面，避免支承件内部深处有加工面以及倾斜的加工面。面，避免支承件内部深处有加工面以及倾斜的加工面。（2 2）尽可能使加工面集中，以减少加工时的翻转及装夹次）尽可能使加工面集中，以减少加工时的翻转及装夹次数。同一方

54、向的加工平面，应处于一个平面内，以便一次数。同一方向的加工平面，应处于一个平面内，以便一次刨出或铣出。刨出或铣出。（3 3）所有加工面都应有支承面较大的基准，以便加工时进）所有加工面都应有支承面较大的基准，以便加工时进行定位、测量和夹紧。行定位、测量和夹紧。八、支承件的结构工艺性八、支承件的结构工艺性( (一一) )提高支承件的静刚度和固有频率提高支承件的静刚度和固有频率主要方法：主要方法：根据支承件受力情况合理地选则支承件的材料、根据支承件受力情况合理地选则支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理地选择肋板和肋条，以提高结截面形状和尺寸、壁厚，合理地选择肋板和肋条，以提高结构整体和局部的弯曲

55、刚度和扭转刚度，可以用有限正方法进构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度，可以用有限正方法进行定量分析，以便在较小重量下得到较高的静刚度和固有频行定量分析，以便在较小重量下得到较高的静刚度和固有频率；率；在刚度不变的前提下，减轻重量可以提高支承件的固有频率在刚度不变的前提下，减轻重量可以提高支承件的固有频率，改善支承件间的接触刚度以及支承件与地基联结处的刚度，改善支承件间的接触刚度以及支承件与地基联结处的刚度。 九、提高支承件结构性能的措施九、提高支承件结构性能的措施( (二二) )提高动态特性提高动态特性1. 1. 改善阻尼持件改善阻尼持件对于铸铁支承件，对于铸铁支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承

56、件中填充型砂铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼材料以起到减振作用。或混凝土等阻尼材料以起到减振作用。对于焊接支承件，对于焊接支承件，除了可以在内腔填充混凝土减振外，还可以除了可以在内腔填充混凝土减振外，还可以充分利用接合面间的摩擦阻尼来减小振动。即两焊接件之间留充分利用接合面间的摩擦阻尼来减小振动。即两焊接件之间留有贴合而末焊死的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的有贴合而末焊死的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦起阻尼作用，使振动减小。间断焊缝虽使静刚度有所相对摩擦起阻尼作用，使振动减小。间断焊缝虽使静刚度有所下降，但阻尼比大为增加，使动刚度大幅度增大。下降，

57、但阻尼比大为增加，使动刚度大幅度增大。 九、提高支承件结构性能的措施九、提高支承件结构性能的措施 九、提高支承件结构性能的措施九、提高支承件结构性能的措施在支承件表面采用阻尼涂层，比如在弯曲构件表面喷涂一层在支承件表面采用阻尼涂层，比如在弯曲构件表面喷涂一层具有高内阻尼和较高弹件的粘弹件材料，涂层愈厚阻尼愈大具有高内阻尼和较高弹件的粘弹件材料，涂层愈厚阻尼愈大。常用于钢板焊制的支承件上。采用阻尼涂层不改变原设计。常用于钢板焊制的支承件上。采用阻尼涂层不改变原设计的结构和刚度，就能获得较高的阻尼比。既提高了抗振比，的结构和刚度，就能获得较高的阻尼比。既提高了抗振比，又提向了对噪声辐射的吸收能力。

58、又提向了对噪声辐射的吸收能力。 2 2采用新材料制造支承件采用新材料制造支承件 树脂混凝土材料问具有刚性高、抗旅性好、热变形小、树脂混凝土材料问具有刚性高、抗旅性好、热变形小、耐化学腐蚀的特点，现在英国、美国、日本、德国、瑞士都耐化学腐蚀的特点，现在英国、美国、日本、德国、瑞士都已在实际中应用，我国也已成功地应用于精密外圆磨床中，已在实际中应用，我国也已成功地应用于精密外圆磨床中，这种材料，可以使动刚度提高几倍。这种材料，可以使动刚度提高几倍。 ( (三三) )提高热稳定性提高热稳定性 机床热变形是影响加工精度的重要因素之一，应设法减少机床热变形是影响加工精度的重要因素之一，应设法减少热变形，

59、特别是不均匀的热变形以降低热变形对精度的影响。热变形，特别是不均匀的热变形以降低热变形对精度的影响。主要方法有：主要方法有： 1 1控制温升控制温升 机床运转时，各种机械摩擦、电动机、液压系统都会发热机床运转时，各种机械摩擦、电动机、液压系统都会发热。如果能适当地加大散热面积。加设散热片，设置风扇等措施。如果能适当地加大散热面积。加设散热片，设置风扇等措施改善散热条件，迅速将热量散发到周围空气中，则机床的温升改善散热条件，迅速将热量散发到周围空气中，则机床的温升不会很高。不会很高。 九、提高支承件结构性能的措施九、提高支承件结构性能的措施 此外，还可以采用分离或隔约热源方法，把全要热源此外，还

60、可以采用分离或隔约热源方法，把全要热源( (液液压油箱、变速箱、电动机压油箱、变速箱、电动机) )移到于机床隔离的地基上；在支承移到于机床隔离的地基上；在支承件中布置隔板引导气流经过大件内温度较高的部位，将热量件中布置隔板引导气流经过大件内温度较高的部位，将热量带走；在液压马达、液压缸等热源外面加隔热罩。以减少热带走；在液压马达、液压缸等热源外面加隔热罩。以减少热源热景的辐射，采用双层壁结构之间有空气层，使外壁温升源热景的辐射，采用双层壁结构之间有空气层，使外壁温升较小，又能限制内壁的热胀作用。较小，又能限制内壁的热胀作用。 2 2采用热对称结构采用热对称结构 所谓热对称结构是指在发生热变形时