第三章-机床主要部件设计课件

Thursday,January5,2023机械制造装备设计第三章机床主要部件设计Tuesday,December20,2022机械制造第二节支承件设计一、支承件的基本要求四、提高支承件静刚度的措施二、支承件的受力分析方式三、支承件的截面形状设计原则五、支承件的材料第二节支承件设计一、支承件的基本要求四

功用：支承件相互连接构成机床基础，支承机床工作部件，承受载荷，保证机床各部件的相对运动。第二节支承件设计机床的支承件包括：床身立柱底座工作台摇臂横梁升降台箱体珩磨机功用：支承件相互连接构成机床基础，支承机床工作部

接触刚度

指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。如导轨面产生接触变形。第二节支承件设计一、支承件的基本要求1.具有足够静刚度和较高固有频率

整体刚度（自身刚度）

指机床床身承受载荷抵抗整体弯曲、扭转变形的能力。整体刚度与支承件材料以及截面形状、尺寸等参数有关。局部刚度

指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。如导轨承受载荷产生局部变形。如卧式车床床身与导轨间的静刚度关系接触刚度指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能第二节支承件设计底座安装立柱部位的局部刚度摇臂靠近立柱处的局部刚度主轴轴承孔处局部刚度导轨的局部刚度第二节支承件设计底座安装立柱部位的局部刚度摇臂靠近立柱第二节支承件设计

◆当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。

◆当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。◆结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。

小结接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的大小，材料硬度，接触面的压强等。

接触刚度用结合面的平均压强p与变形量δ之比来表示。其特性是：第二节支承件设计◆当接触压强很小时，结合面存在第二节支承件设计

固有频率

用刚度与质量之比表示，即

◆

重点理解：当激振力频率ω接近固有频率ω0时，支承件将产生共振。设计时要求：ωo>1.3ω

◆设计要点：在满足刚度的前提下，尽量减小支承件的质量m，提高固有频率ωo。2.良好的动态特性支承件有较高静刚度、固有频率、还应有较大阻尼，薄壁面积应小于400mm×400mm，避免薄壁振动。3.结构合理通过失效处理，能充分消除内应力，形状稳定。4.排屑畅通，工艺性好，成本低，吊运安装方便。第二节支承件设计固有频率用刚度与质量第二节支承件设计机床支承件要承受切削力、零部件重量、传动力等载荷。支承件所承受的载荷不同，设计时分析其受力方式不同。

1.中小型机床支承件受力分析以切削力为主。

2.精密和高精度机床支承部件载荷以移动部件的质量和热应力为主。如：双柱立式坐标镗床的横梁，受力分析考虑主轴箱位于横梁中部时，横梁的弯曲和扭转变形。3.大型机床支承件受力分析应考虑工件重力，移动部件重力和切削力等。

二、支承件的受力分析方式双立柱坐标镗床第二节支承件设计机床支承件要承受切削力、零部件第二节支承件设计三、支承件的截面形状设计原则支承件变形主要是弯扭变形。且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。其设计原则：

◆

截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大。满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。

◆

承受高度方向的弯矩时，支承件，当高度方向为受弯方向时，截面形状应为矩形。

◆

承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。

◆

承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。

◆

不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度，尽量将支承件制成封闭形状。

◆

截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。第二节支承件设计三、支承件的截面形状设计原则第二节支承件设计四、提高支承件静刚度的措施

◆

从抗弯刚度、铸造工艺、支承件功用综合考虑，支承件截面不能完全封闭，存在刚度损失。

◆

导轨与床身的过渡连接处存在局部刚度损失。

◆箱体轴承孔处存在刚度损失。为什么要进行刚度补偿？第二节支承件设计四、提高支承件静刚度的措施第二节支承件设计如图：纵向隔板应布置在弯曲平面内，即隔板的高度方向与作用力F的方向一致。

支承件内增加纵向隔板能提高抗弯刚度。1.隔板和加强肋

（1）隔板是连接外壁间的内壁。作用是将局部载荷传递给其它壁板，使整个支承件较均匀地承受载荷。纵向隔板第二节支承件设计如图：纵向隔板应布置在弯曲平第二节支承件设计增加一个端面横向隔板时，抗扭刚度成倍增加，均匀布置三个横向隔板后，抗扭刚度又成倍增加。

支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。斜板是多个横隔板和纵隔板组合形成。支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度。

斜向隔板

横向隔板第二节支承件设计增加一个端面横向隔板时，抗第二节支承件设计

（2）加强肋（肋条）配置在外壁内侧或内壁上，其作用是加强局部刚度和减少薄壁振动。注意：肋条高应约为支承件壁厚的5倍。

图a，用加强肋提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度。

图b，用加强肋

提高箱体轴承孔处的局部刚度。第二节支承件设计（2）加强肋（肋条）配置第二节支承件设计

图c、d、e

为工作台等板形支承件的加强肋。提高抗弯刚度，避免薄壁振动。第二节支承件设计图c、d、e为工作台

◆支承件的壁厚、隔板和加强肋厚度也可按支承件的质量或最大外形尺寸确定，见表3—11。第二节支承件设计

（3）隔板和肋板的厚度确定在满足工艺要求和刚度的前提下，应尽量减少支承件的厚度和隔板、加强肋的厚度。

式中

L、B、H——支承件的长、宽、高（m）。

隔板的厚度可取（0.8~1）t；加强肋的厚度可取（0.7~0.8）t；

t值见表3—10。

◆

铸铁支承件的外壁厚度可根据当量尺寸C来选择：◆支承件的壁厚、隔板和加强肋厚度也可按支承件的质量或

注意一般立柱或梁外壁上开孔的尺寸应小于该方向尺寸的20%；如开孔尺寸不大于该方向的10%。则开孔对刚度的影响较小，故不需进行刚度补偿。2.支承件开孔后的刚度补偿在立柱或横梁中，为安装机件或工艺需要，需要开孔，从而造成抗扭、抗弯刚度的损失。

◆在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上。

◆可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板。刚度补偿方法：第二节支承件设计注意一般立柱或梁外壁上开孔的尺寸应小于该方向尺第二节支承件设计3.提高接触刚度

◆相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研，以增加接触面积。

◆紧固螺栓应使结合面有>2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大结合面积。

◆结合面承受弯矩时，应使较多的紧固螺栓布置在受拉面，承受拉应力。

◆结合面承受转矩时，螺栓远离扭转中心，均匀分布在四周。第二节支承件设计3.提高接触刚度◆相对

◆床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。第二节支承件设计五、支承件的材料灰口铸铁的铸造、切削性能好，易得到复杂形状；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。（1）机床支承件常采用铸铁1.铸铁一种加入少量的铬、硅、稀土等合金元素的灰口铸铁。（2）支承铸件消除应力的方式

◆铸件壁厚不均匀，铸造冷却中产生铸造应力，铸造后应进行自然失效处理。

◆精密机床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除铸造应力。◆床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。第二节支承件设计2.钢材

特点及应用

◆不用铸模，制作周期短。

◆钢件抗弯刚度大于铸铁件。

◆在满足刚度要求时，钢件比铸件壁厚薄一半，重量减轻20%~30%。但阻尼为铸件的1/3，抗振性能差。

◆适合于生产数量少，品种多的大型床身的制造。常用Q235-A，20钢的钢板和型钢焊接成支承件。第二节支承件设计2.钢材特点及应第二节支承件设计3.树脂混凝土◆阻尼比是灰口铸铁的8~10倍，抗振性好。◆耐腐蚀性好。与金属粘接力强，可按结构要求，预埋金属件，减少金属加工量。◆浇注的床身静刚度比铸铁高16%~40%。◆可增加钢筋或加强纤维，提高抗拉强度。树脂混凝土即人造花岗岩，是制造床身的新型材料。◆钢板焊成框架，充入树脂混凝土，适合构成大、中型机床结构简单的支承件。特点及应用第二节支承件设计3.树脂混凝土◆阻（2）结合面间的相对振动是指整个部件作为一个刚体在结合面处相对于另一部件的直线振动或扭转振动。

（1）整机摇晃振动是机床整体在地基支承上的振动。

（3）零部件的本体振动指主轴组件的弯曲振动，传动系统的扭转振动，支承件的弯曲和扭转振动等。第二节支承件设计六、提高支承件的刚度1.常见的机床振动（2）结合面间的相对振动是指整个部件作为一个刚体在结第二节支承件设计2.支承件刚度的措施（1）提高支承件的静刚度和固有频率（2）增加阻尼1）改善阻尼特性2）采用新型材料（3）提高热稳定性第二节支承件设计2.支承件刚度的措施（1）提第二节支承件设计

课堂练习

3—10，3—12

课外练习题

3—6，3—15，3—16

思考题

（1）机床支承件常采用什么材料制造？为什么？（2）支承件截面形状的选用原则是什么？第二节支承件设计课堂练习课外练习题结束

第三章

第二节支承件设计结束第三章Thursday,January5,2023机械制造装备设计第三章机床主要部件设计Tuesday,December20,2022机械制造第二节支承件设计一、支承件的基本要求四、提高支承件静刚度的措施二、支承件的受力分析方式三、支承件的截面形状设计原则五、支承件的材料第二节支承件设计一、支承件的基本要求四

功用：支承件相互连接构成机床基础，支承机床工作部件，承受载荷，保证机床各部件的相对运动。第二节支承件设计机床的支承件包括：床身立柱底座工作台摇臂横梁升降台箱体珩磨机功用：支承件相互连接构成机床基础，支承机床工作部

接触刚度

指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。如导轨面产生接触变形。第二节支承件设计一、支承件的基本要求1.具有足够静刚度和较高固有频率

整体刚度（自身刚度）

指机床床身承受载荷抵抗整体弯曲、扭转变形的能力。整体刚度与支承件材料以及截面形状、尺寸等参数有关。局部刚度

指支承件载荷集中的局部结构处抵抗变形的能力。如导轨承受载荷产生局部变形。如卧式车床床身与导轨间的静刚度关系接触刚度指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能第二节支承件设计底座安装立柱部位的局部刚度摇臂靠近立柱处的局部刚度主轴轴承孔处局部刚度导轨的局部刚度第二节支承件设计底座安装立柱部位的局部刚度摇臂靠近立柱第二节支承件设计

◆当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。

◆当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。◆结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。

小结接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的大小，材料硬度，接触面的压强等。

接触刚度用结合面的平均压强p与变形量δ之比来表示。其特性是：第二节支承件设计◆当接触压强很小时，结合面存在第二节支承件设计

固有频率

用刚度与质量之比表示，即

◆

重点理解：当激振力频率ω接近固有频率ω0时，支承件将产生共振。设计时要求：ωo>1.3ω

◆设计要点：在满足刚度的前提下，尽量减小支承件的质量m，提高固有频率ωo。2.良好的动态特性支承件有较高静刚度、固有频率、还应有较大阻尼，薄壁面积应小于400mm×400mm，避免薄壁振动。3.结构合理通过失效处理，能充分消除内应力，形状稳定。4.排屑畅通，工艺性好，成本低，吊运安装方便。第二节支承件设计固有频率用刚度与质量第二节支承件设计机床支承件要承受切削力、零部件重量、传动力等载荷。支承件所承受的载荷不同，设计时分析其受力方式不同。

1.中小型机床支承件受力分析以切削力为主。

2.精密和高精度机床支承部件载荷以移动部件的质量和热应力为主。如：双柱立式坐标镗床的横梁，受力分析考虑主轴箱位于横梁中部时，横梁的弯曲和扭转变形。3.大型机床支承件受力分析应考虑工件重力，移动部件重力和切削力等。

二、支承件的受力分析方式双立柱坐标镗床第二节支承件设计机床支承件要承受切削力、零部件第二节支承件设计三、支承件的截面形状设计原则支承件变形主要是弯扭变形。且抗弯刚度和抗扭刚度随支承件的截面惯性矩增大而增大。其设计原则：

◆

截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大。满足工艺要求时，应尽量减小壁厚，提高抗弯刚度。

◆

承受高度方向的弯矩时，支承件，当高度方向为受弯方向时，截面形状应为矩形。

◆

承受弯扭作用的支承件，截面形状应为方形。

◆

承受纯转矩的支承件，截面形状应为圆环形。

◆

不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度，尽量将支承件制成封闭形状。

◆

截面不能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。第二节支承件设计三、支承件的截面形状设计原则第二节支承件设计四、提高支承件静刚度的措施

◆

从抗弯刚度、铸造工艺、支承件功用综合考虑，支承件截面不能完全封闭，存在刚度损失。

◆

导轨与床身的过渡连接处存在局部刚度损失。

◆箱体轴承孔处存在刚度损失。为什么要进行刚度补偿？第二节支承件设计四、提高支承件静刚度的措施第二节支承件设计如图：纵向隔板应布置在弯曲平面内，即隔板的高度方向与作用力F的方向一致。

支承件内增加纵向隔板能提高抗弯刚度。1.隔板和加强肋

（1）隔板是连接外壁间的内壁。作用是将局部载荷传递给其它壁板，使整个支承件较均匀地承受载荷。纵向隔板第二节支承件设计如图：纵向隔板应布置在弯曲平第二节支承件设计增加一个端面横向隔板时，抗扭刚度成倍增加，均匀布置三个横向隔板后，抗扭刚度又成倍增加。

支承件内增加横向隔板能提高抗扭刚度。斜板是多个横隔板和纵隔板组合形成。支承件内增加斜板可提高抗弯和抗扭刚度。

斜向隔板

横向隔板第二节支承件设计增加一个端面横向隔板时，抗第二节支承件设计

（2）加强肋（肋条）配置在外壁内侧或内壁上，其作用是加强局部刚度和减少薄壁振动。注意：肋条高应约为支承件壁厚的5倍。

图a，用加强肋提高导轨与床身过渡连接处的局部刚度。

图b，用加强肋

提高箱体轴承孔处的局部刚度。第二节支承件设计（2）加强肋（肋条）配置第二节支承件设计

图c、d、e

为工作台等板形支承件的加强肋。提高抗弯刚度，避免薄壁振动。第二节支承件设计图c、d、e为工作台

◆支承件的壁厚、隔板和加强肋厚度也可按支承件的质量或最大外形尺寸确定，见表3—11。第二节支承件设计

（3）隔板和肋板的厚度确定在满足工艺要求和刚度的前提下，应尽量减少支承件的厚度和隔板、加强肋的厚度。

式中

L、B、H——支承件的长、宽、高（m）。

隔板的厚度可取（0.8~1）t；加强肋的厚度可取（0.7~0.8）t；

t值见表3—10。

◆

铸铁支承件的外壁厚度可根据当量尺寸C来选择：◆支承件的壁厚、隔板和加强肋厚度也可按支承件的质量或

注意一般立柱或梁外壁上开孔的尺寸应小于该方向尺寸的20%；如开孔尺寸不大于该方向的10%。则开孔对刚度的影响较小，故不需进行刚度补偿。2.支承件开孔后的刚度补偿在立柱或横梁中，为安装机件或工艺需要，需要开孔，从而造成抗扭、抗弯刚度的损失。

◆在孔上加盖板，用螺栓将盖板固定在壁上。

◆可将孔的周边加厚（翻边），再加嵌入式盖板。刚度补偿方法：第二节支承件设计注意一般立柱或梁外壁上开孔的尺寸应小于该方向尺第二节支承件设计3.提高接触刚度

◆相对滑动的连接面和重要的固定结合面须精磨或配对刮研，以增加接触面积。

◆紧固螺栓应使结合面有>2MPa的接触压强，以消除结合面的平面度误差，增大结合面积。

◆结合面承受弯矩时，应使较多的紧固螺栓布置在受拉面，承受拉应力。

◆结合面承受转矩时，螺栓远离扭转中心，均匀分布在四周。第二节支承件设计3.提高接触刚度◆相对

◆床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。第二节支承件设计五、支承件的材料灰口铸铁的铸造、切削性能好，易得到复杂形状；阻尼大，有良好的抗振性能；加入少量合金元素可提高耐磨性。（1）机床支承件常采用铸铁1.铸铁一种加入少量的铬、硅、稀土等合金元素的灰口铸铁。（2）支承铸件消除应力的方式

◆铸件壁厚不均匀，铸造冷却中产生铸造应力，铸造后应进行自然失效处理。

◆精密机床支承件，粗加工前自然失效，粗加工后人工失效，充分消除铸造应力。◆床身、立柱、横梁等进行振动时效，消除内应力。第二节支承件设计2.钢材

特点及应用

◆不用铸模，制作周期短。

◆钢件抗弯刚度大于铸铁件。