《机械设计》课件第18章

18.1概述18.2机座和箱体的结构设计要点18.3机座和箱体的结构工艺性第18章机座和箱体18.1概述

机座和箱体等零件，在一台机器的总质量中占有很大的比例(例如在机床中约占总质量的70%~90%)，同时在很大程度上影响着机器的工作精度及抗振性能。若兼作运动部件的滑道(导轨)，还影响着机器的耐磨性等。所以，正确选择机座和箱体等零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度及耐磨性等的重要途径。18.1.1机座和箱体的一般类型

1.按构造形式分

机座和箱体按构造形式可分为以下四类：

(1)机座类(图18-1(a)、(b)、(c)、(d));

(2)机架类(图18-1(e)、(f)、(g));

(3)基板类(图18-1(h));

(4)箱壳类(图18-1(i)、(j))。图18-1机座和箱体的种类

2.按结构分

机座和箱体按结构可分为以下两类：

(1)整体式;

(2)装配式。

3.按制造方法分

机座和箱体按制造方法可分为以下几类：

(1)铸造;

(2)焊接;

(3)拼焊;

(4)其他，如粘接或冲压。18.1.2机座和箱体的材料及制造方法

固定式机器，尤其是固定式重型机器，机座和箱体通常选用铸造的方法制成。铸造材料常用铸铁(包括普通灰铸铁、球墨铸铁及变性灰铸铁等)，只有需要强度较高时才选用铸钢；当对重量有严格限制(如飞行器中机座和机箱等)时，选用铝合金等轻合金；对于电器等轻型产品，选用工程塑料。

对于运动的机器，如汽车、拖拉机、飞机等，为减小质量，机座和箱体常采用钢或铝合金型材焊接。

总之，成批生产且结构复杂的零件以铸造为宜，单件或少量生产且生产期限较短的零件用焊接。但对于单件大型机座和箱体，若单用铸或焊皆不经济或不可能，则应采用拼焊结构等。此外，还可以采用粘接或冲压制造机座和箱体。18.2机座和箱体的结构设计要点

18.2.1截面形状

机座和箱体常用的几种截面形状为矩形、空心圆形、空心矩形、工字形。在面积相等时，空心矩形截面弯曲强度不及工字形截面，扭转强度不及空心圆形截面，但它的扭转刚度却大得多，而且采用空心矩形截面的机架和箱体的内壁上易装设其他机件，所以绝大多数的机座和箱体都采用这种截面形状。18.2.2壁厚

壁厚直接影响机座和箱体的强度与刚度。一般先按经验或类比法确定壁厚和其他结构尺寸，再用有限元法等计算其强度和刚度，经过不断修整，获得合理尺寸。

铸造机座和箱体的最小壁厚可参考表18-1确定。其中N为当量尺寸，则有

(18-1)

式中，l、b、h——机座和箱体的长、宽、高，单位为mm。焊接机座和箱体的壁厚也可参考表18-1选取。18.2.3肋板和加强肋

在两壁之间起联接作用的内壁板称为肋板，肋板的形式如图18-2所示。分布于内壁或外壁上的凸板称为加强肋，加强肋的形式如图18-3所示。

加设肋板和加强肋使质量增大不多，但使机座和箱体的强度、刚度大幅度提高，同时可使壁厚减小，从而有利于保证铸造或焊接质量。一般铸造机架多用井字肋。

加强肋的高度一般不大于壁厚的5倍，而厚度为壁厚的0.7~0.8倍。图18-2肋板的形式图18-3加强肋的形式18.3机座和箱体的结构工艺性

18.3.1铸造工艺性

铸件是由液态金属在型腔内成形的，其形状和大小几乎不受限制，可获得形状复杂的毛坯，而又易于大批量生产，在机械制造中使用得最多。由于铸件在冷却过程中内部冷却速度不同，能产生内应力，因此所有的铸件均应经过时效处理消除内应力。

铸造时，应考虑以下几个因素。

(1)造型方法。尽量采用整体模在平板上使用两箱造型。如图18-4(a)所示，改进前铸件是三箱造型，改成图18-4(b)后成为两箱造型，减少了分型面，简化了造型工艺过程。图18-4铸件的分型面

(2)拔模斜度。为起模方便，应留有拔模斜度。如图18-5(a)所示为改进前的铸件，无拔模斜度。图18-5(b)为改进后的铸件，包括内腔在内起模方向都留有结构斜度，使模型容易起拔，保证了铸件的质量。图18-5起模方向留有结构斜度

(3)铸件的内腔。利用型芯可以铸出形状极为复杂的铸件内腔，但生产成本会明显地增加，所以在结构设计时应尽量不用或少用型芯。

图18-6所示为轴承支架的三种设计方案。图18-6(a)所示方案的结构必须应用型芯。若刚性能符合要求，则可改为图18-6(b)所示方案的工字型结构，可不用型芯。如必须应用型芯时，则可采用图18-6(c)所示方案的结构，在铸件上增加工艺孔作为安装型芯的支承，并使铸件内腔清砂工作大为方便。图18-6支架的三种设计方案

(4)铸制孔径。铸件上的孔用铸造方法制出，可减少机械加工量。若孔的尺寸太小，造芯和清砂都有困难，应以机加工来替代。表18-2为灰铸铁铸件容许铸出的最小孔径。18.3.2焊接工艺性

焊接件的灵活运用可替代部分铸件和锻件，适用于单件、小批量或大型部件的生产制造，故应用面越来越广。一般焊接后都要对焊接件进行消除残余应力处理。

1.焊接材料的选择

在满足工作性能要求的前提下，应选用可焊性较好的材料来制造焊接结构件。最常见的是钢材焊接，而且含碳量低的材料可焊性好。图18-7为几种钢材的可焊性比较及可焊性与含碳量的关系。图18-7可焊性受含碳量及合金元素成分的影响焊接结构件的金属材料最好采用相等的厚度，这样容易获得优质的焊接接头。如果接头两侧的材料厚度相差较大，则接头处会造成应力集中，而且由于接头两边热容量不等，容易产生焊接缺陷。图18-8所示为不等厚金属材料焊接时的接头过渡形式。图

18-8不等厚金属材料焊接接头的过渡形式

2.焊缝的布置

焊接结构件中的焊缝布置与产品质量、生产率、工人劳动条件等都密切相关。一般焊缝形式如下：

(1)焊缝的布置应尽可能分散。焊缝集中和重叠，会造成金属的严重过热，使组织恶化，机械性能下降，所以两条平行的焊缝一般要求相距100mm以上。

(2)焊缝的位置应尽可能对称。焊缝位置对称的优点是焊缝冷却后收缩，因为焊缝位置对称，所以结构件整体变形最小。

(3)焊缝应尽可能避开最大应力和应力集中的位置。对于受重载的结构件、高压容器等，在最大应力和应力集中的位置上不应设置焊缝。例如焊接大跨距的钢梁，如果原材料长度不够，则宁可增加一条焊缝，以便使焊缝避开最大应力的地方，如图18-9(b)所示。压力容器的封头一般都设计成图18-9(d)所示的形状，使焊缝避开应力集中的转角位置。图

18-9避开最大应力和应力集中的焊缝布置

(4)处理好焊缝位置与加工面的关系。设计焊缝时要注意，不要让焊缝被切削，以免影响焊缝强度。对于精度要求较高的焊接件，应在全部焊成之后进行退火，然后再进行机械加工，免除焊接变形的影响。对有些情况，焊接部件必须加工好之后再进行焊接，则焊缝的位置应该离已加工表面尽可能远一点。在粗糙度要求较高的加工表面上，不要设置焊缝。因为不仅焊缝中有可能存在着某些缺陷，而且焊缝的组织与母材的组织有明显的差别，加工后不能均匀地达到较高粗糙度的要求。

(5)焊缝位置应考虑到焊接操作方便。焊缝位置应考虑到焊接操作空间，内侧焊缝也能伸入焊条。焊缝的布置应尽量能在水平位置上进行焊接，同时要减少或避免工件翻转。良好的焊接结构设汁，还应尽量使全部焊接件(至少是主要部件)能在焊接前一次装配点固，以简化焊接工序，提高产品质量和生产率。18.3.3切削加工工艺性

机座和箱体的结构设计是否合理，决定了切削加工的难易程度，对加工质量、生产效率和经济效益有重要影响，也是评价零件结构设计优劣的技术经济指标之一。切削加工主要设计原则如下：

(1)便于加工中装夹。便于装夹，即有足够大的夹持面，零件就能在机床上卡紧以便于加工，同时还应准确地定位。

(2)便于加工和测量。加工时刀具的引进和退出要方便，尽量避免箱体内表面加工，凸缘上的孔要留出足够的加工空间，尽可能避免弯曲的孔，留出退刀槽和空刀槽等。

(3)有利于保证加工质量和提高生产效率。有相互位置精度要求的表面，在设计结构时，应确定一个定位基准面，用这个基准面可以在一次装夹中加工出各种位置的面，既保证了各面的位置精度，又减少了装夹次数。薄壁件在设计时要考虑加工时夹紧力或切削力作用下变形，所以要有足够的刚度，确保加工精度。孔的轴线应与其端面垂直，避免钻孔