第5章_支承件设计
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第5章 支承件设计
（2）铸铁稳定化处理
对铸铁类的支承件在一定温度下加热、保温， 使应力得到一定程度的消除，该过程称为铸铁稳定化 处理，也称时效处理。其主要目的是：消除内应力， 使铸铁件避免在使用中因产生应力松弛或重新分布而 引起变形，丧失几何精度。
（3）非铁金属及耐热合金的去应力退火
铝合金类支承件可采用的去除残余应力的热处理 方法。其去应力退火温度常在150～2000C左右。
当壁板面积大于400mm×400mm时，为避免薄壁振 动而在壁板内表面加筋条，提高壁板的抗弯刚度。
3、提高支承件的接触刚度：导轨面、重要的固定
结合面必须配磨或配刮。配磨表面粗糙度值Ra≤16um 时的接触点均匀分布，且精度不同，接触点不同。
第5章 支承件设计
三、支承件的材料和热处理
1、支承件的材料 （1）铸铁：铸造性好，价格便宜，应用广。若导
第5章 支承件设计
（2）合理布置隔板
设置隔板是提高支承件自身刚度的有效方法之一。 在两壁之间起连接作用的内壁被称为隔板。
隔板的功用：把作用于支承件局部区域的载荷传递
给其他壁板，使整个支承件受载，提高支承件的自身 刚度。
第5章 支承件设计
隔板的布置形式一般为纵向、横向和斜向。常 见的隔板连接形式及应用特点如下：
第5章 支承件设计
第五章 支承件设计
一、支承件的功用、基本要求及设计步骤
1、支承件的功用：
1）支承和安装机器 各部分零部件，承受 各静态力及动态力 2）保证各零部件之 间的相对位置和运动 部件的运动精度 3）用作电气箱或液 压油、润滑油、切削 液等的储存器。 4）独立完成某些功能。 机座类支承件 机架类支承件
第5章 支承件设计
第5章 支承件设计
开孔以孔宽和孔径不大于壁宽的四分之一，且 在支承件壁的几何中心附近为宜。
密封盖 嵌入盖
第5章 支承件设计
2、提高支承件的局部刚度
支承件的局部刚度与支承件的结构设计等有着密切 的关系。
（1）支承件的连接刚度：支承件在连接处抵抗
变形的能力。连接部分的刚度与连接处的材料、几何 形状和加工方法等有关。
1）床身前后壁用“T”形隔板连接，主要提高水平面 抗弯刚度，多用于刚度要求不高的机床。
2）床身前后壁用“W”形隔板连接，能较大 提高水平面抗弯抗扭刚度，对中心矩超过 1500mm的长床身机床效果最明显。
第5章 支承件设计
3）床身前后壁用“л”形隔板连接，能较大的提高水 平面和垂直面上的抗弯刚度，铸造性好。在大中型车 床 支承件设计
（3）合理开孔和加盖
为了安装机件或清砂，支承件壁上通常需要开窗 孔。窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。影响 抗弯刚度最大的是将窗孔开在弯曲平面垂直的壁上。 因开窗孔后将减少壁上受拉、压的面积。 窗孔
开孔对抗弯的影响较小，尤其是开孔后加盖且拧 紧螺栓后的影响更小，其中，嵌入盖比面覆盖效果更 好。开孔后对抗扭的影响较大，尤其是在窄壁上。
空心截面的惯 性矩大于实心 方形截面的抗 弯比圆形的大 圆形截面的抗 扭大于方形 封闭截面刚度比 不封闭的大的多 截面惯性 矩绝对值
相对实心圆柱面 惯性矩的相对值
第5章 支承件设计
根据表中数据可得到以下结论：
1） 加大轮廓尺寸，减小壁厚可大大提高刚度；
2）若支承主要承受弯矩，应取方形或矩形；若支承主 要承受扭矩，应取环形；工字粱截面的抗弯最好，长 框次之，实心圆最差。故，以承受一个方向弯矩为主 的支承件的截面形状常取矩形。 3）在可能条件下，截面形状尽量设计成封闭。
二、支承件的结构设计
支承件变形一般包括三个部分：自身变形、局部 变形和接触变形。因此，支承的结构设计主要根据满 足刚度条件进行。支承件刚度包括以下三个方面：
1）支承件的自身刚度：主要指支承件的自身变形。
支承件所受的载荷主要是拉伸、压缩、弯曲和扭 转四种。其中，弯曲和扭转是最主要的，对精度影响 较大。因此，支承件的自身刚度主要应考虑弯曲刚度 和扭转刚度。 支承件的自身刚度主要取决于支承件的材料、构 造、形状、尺寸和隔板的布置等。
10个均布在凸 缘3边的螺栓
12个配置在凸 缘两侧的螺栓 2个 4个 6个
加强筋数目
第5章 支承件设计
(2)支承件的局部刚度:
支承件抵抗局部变形的能力称为其局部刚度。支承 件的局部变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，与 局部变形处的结构和尺寸等有关。 合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法。
第5章 支承件设计
第5章 支承件设计
消除残余应力的热时效处理方法有：
（1）去应力退火或回火
对铸造、切削加工和焊接后的支承件，进行较低温 度的加热，以去除（全部或部分）内应力，减少变形、 开裂倾向的工艺都可称为去应力退火。 由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不 同，以及去除程度的差异，去应力退火温度范围很宽。 习惯上，把较高温度下的去应力处理称为去应力退火， 而将较低温度下的去应力处理称为去应力回火，其实 质一样。
第5章 支承件设计
2）支承件的局部刚度：支承件上与其他零件或
地基相连部分的刚度。局部刚度主要取决于受载部 位的结构和尺寸。
3）支承件的接触刚度：抵抗连接处变形的能力
称为接触刚度。
接触刚度与构件的自身刚度有两方面的不同：接 触刚度是平均压强与变形之比；接触刚度不是一个固 定值，它与接触面之间的压强有关。
第5章 支承件设计
1、提高支承件自身的静刚度
（1）合理选择支承件的截面形状和尺寸：
支承件所受的主要载荷为弯曲和扭转。故,在考 虑支承件自身刚度时应以其为主。当其他条件相同 时，其抗弯、扭刚度与截面惯性矩有关。
对于截面积为10000mm2的各种横截面的支承件的 抗弯、扭惯性矩如表5.1所示。
第5章 支承件设计
轨与支承件铸为一体，则铸铁牌号按导轨要求选择。
（2）铸钢：弹性模量较大，强度大于铸铁，其抗
拉和抗压强度接近。但铸造性不如铸铁。当支承件 强度要求高、刚度大、形状不复杂时采用。
（3）铝合金、非金属：特殊要求时选用。如减
轻重量、增加抗振性、提高精度保持性等。
第5章 支承件设计
2、支承件热处理：
支承件在铸造、焊接和机械加工过程中，由于凝 固时的不均匀收缩，以及受热、冷、机械变形等作用 而导致其内部产生残余应力，从而降低工件的尺寸稳 定性和物理机械性能。因此，必须消除其残余应力。 机床上的铸铁类支承件，尤其高精度机床的重要支 承件，除在机械加工前需进行去应力的时效处理之外， 国家标准规定，还需在“重要铸件粗加工后必须进行 热时效或振动时效处理。Ⅲ级或Ⅲ级以上精度等级机 床的重要铸件，半精加工后还必须进行时效处理”。 消除残余应力，使支承件保持精度的加工工艺方 法——时效处理。时效处理可分为人工时效和自然时 效；人工时效中又可分为热时效和振动时效。
箱壳类支承件
平板类支承件
2、对支承件的基本要求： （1）足够的静态刚度和较高的动态刚度。 （2）较好的动态特性（避免振动和噪声的产生）。 （3）使整个设备的热变形较小。
（4）排屑畅通、吊装安全、并具有良好的工 艺性（便于制造和装配）。 3、设计步骤：
根据使用要求进行受力分析——参考现有同类 设备初定形状和尺寸——验算或进行模型试验—— 修改优选。 第5章 支承件设计
第5章 支承件设计
当支承件以凸缘连接时，连接刚度决定于螺钉刚度、 凸缘刚度和接触刚度。合理布置螺钉位置、选择合适的 螺钉尺寸可提高接触刚度。 刚度较高的凸缘连接 刚度最高的凸缘连接 刚度较低的凸缘连接
第5章 支承件设计
立柱由凸缘连接时几种结构的刚度 立柱由凸缘连接时的刚度大小与紧固螺栓的分布 和加强筋数目的关系如下图所示：
（2）铸铁稳定化处理
对铸铁类的支承件在一定温度下加热、保温， 使应力得到一定程度的消除，该过程称为铸铁稳定化 处理，也称时效处理。其主要目的是：消除内应力， 使铸铁件避免在使用中因产生应力松弛或重新分布而 引起变形，丧失几何精度。
（3）非铁金属及耐热合金的去应力退火
铝合金类支承件可采用的去除残余应力的热处理 方法。其去应力退火温度常在150～2000C左右。
当壁板面积大于400mm×400mm时，为避免薄壁振 动而在壁板内表面加筋条，提高壁板的抗弯刚度。
3、提高支承件的接触刚度：导轨面、重要的固定
结合面必须配磨或配刮。配磨表面粗糙度值Ra≤16um 时的接触点均匀分布，且精度不同，接触点不同。
第5章 支承件设计
三、支承件的材料和热处理
1、支承件的材料 （1）铸铁：铸造性好，价格便宜，应用广。若导
第5章 支承件设计
（2）合理布置隔板
设置隔板是提高支承件自身刚度的有效方法之一。 在两壁之间起连接作用的内壁被称为隔板。
隔板的功用：把作用于支承件局部区域的载荷传递
给其他壁板，使整个支承件受载，提高支承件的自身 刚度。
第5章 支承件设计
隔板的布置形式一般为纵向、横向和斜向。常 见的隔板连接形式及应用特点如下：
第5章 支承件设计
第五章 支承件设计
一、支承件的功用、基本要求及设计步骤
1、支承件的功用：
1）支承和安装机器 各部分零部件，承受 各静态力及动态力 2）保证各零部件之 间的相对位置和运动 部件的运动精度 3）用作电气箱或液 压油、润滑油、切削 液等的储存器。 4）独立完成某些功能。 机座类支承件 机架类支承件
第5章 支承件设计
第5章 支承件设计
开孔以孔宽和孔径不大于壁宽的四分之一，且 在支承件壁的几何中心附近为宜。
密封盖 嵌入盖
第5章 支承件设计
2、提高支承件的局部刚度
支承件的局部刚度与支承件的结构设计等有着密切 的关系。
（1）支承件的连接刚度：支承件在连接处抵抗
变形的能力。连接部分的刚度与连接处的材料、几何 形状和加工方法等有关。
1）床身前后壁用“T”形隔板连接，主要提高水平面 抗弯刚度，多用于刚度要求不高的机床。
2）床身前后壁用“W”形隔板连接，能较大 提高水平面抗弯抗扭刚度，对中心矩超过 1500mm的长床身机床效果最明显。
第5章 支承件设计
3）床身前后壁用“л”形隔板连接，能较大的提高水 平面和垂直面上的抗弯刚度，铸造性好。在大中型车 床 支承件设计
（3）合理开孔和加盖
为了安装机件或清砂，支承件壁上通常需要开窗 孔。窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。影响 抗弯刚度最大的是将窗孔开在弯曲平面垂直的壁上。 因开窗孔后将减少壁上受拉、压的面积。 窗孔
开孔对抗弯的影响较小，尤其是开孔后加盖且拧 紧螺栓后的影响更小，其中，嵌入盖比面覆盖效果更 好。开孔后对抗扭的影响较大，尤其是在窄壁上。
空心截面的惯 性矩大于实心 方形截面的抗 弯比圆形的大 圆形截面的抗 扭大于方形 封闭截面刚度比 不封闭的大的多 截面惯性 矩绝对值
相对实心圆柱面 惯性矩的相对值
第5章 支承件设计
根据表中数据可得到以下结论：
1） 加大轮廓尺寸，减小壁厚可大大提高刚度；
2）若支承主要承受弯矩，应取方形或矩形；若支承主 要承受扭矩，应取环形；工字粱截面的抗弯最好，长 框次之，实心圆最差。故，以承受一个方向弯矩为主 的支承件的截面形状常取矩形。 3）在可能条件下，截面形状尽量设计成封闭。
二、支承件的结构设计
支承件变形一般包括三个部分：自身变形、局部 变形和接触变形。因此，支承的结构设计主要根据满 足刚度条件进行。支承件刚度包括以下三个方面：
1）支承件的自身刚度：主要指支承件的自身变形。
支承件所受的载荷主要是拉伸、压缩、弯曲和扭 转四种。其中，弯曲和扭转是最主要的，对精度影响 较大。因此，支承件的自身刚度主要应考虑弯曲刚度 和扭转刚度。 支承件的自身刚度主要取决于支承件的材料、构 造、形状、尺寸和隔板的布置等。
10个均布在凸 缘3边的螺栓
12个配置在凸 缘两侧的螺栓 2个 4个 6个
加强筋数目
第5章 支承件设计
(2)支承件的局部刚度:
支承件抵抗局部变形的能力称为其局部刚度。支承 件的局部变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，与 局部变形处的结构和尺寸等有关。 合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法。
第5章 支承件设计
第5章 支承件设计
消除残余应力的热时效处理方法有：
（1）去应力退火或回火
对铸造、切削加工和焊接后的支承件，进行较低温 度的加热，以去除（全部或部分）内应力，减少变形、 开裂倾向的工艺都可称为去应力退火。 由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不 同，以及去除程度的差异，去应力退火温度范围很宽。 习惯上，把较高温度下的去应力处理称为去应力退火， 而将较低温度下的去应力处理称为去应力回火，其实 质一样。
第5章 支承件设计
2）支承件的局部刚度：支承件上与其他零件或
地基相连部分的刚度。局部刚度主要取决于受载部 位的结构和尺寸。
3）支承件的接触刚度：抵抗连接处变形的能力
称为接触刚度。
接触刚度与构件的自身刚度有两方面的不同：接 触刚度是平均压强与变形之比；接触刚度不是一个固 定值，它与接触面之间的压强有关。
第5章 支承件设计
1、提高支承件自身的静刚度
（1）合理选择支承件的截面形状和尺寸：
支承件所受的主要载荷为弯曲和扭转。故,在考 虑支承件自身刚度时应以其为主。当其他条件相同 时，其抗弯、扭刚度与截面惯性矩有关。
对于截面积为10000mm2的各种横截面的支承件的 抗弯、扭惯性矩如表5.1所示。
第5章 支承件设计
轨与支承件铸为一体，则铸铁牌号按导轨要求选择。
（2）铸钢：弹性模量较大，强度大于铸铁，其抗
拉和抗压强度接近。但铸造性不如铸铁。当支承件 强度要求高、刚度大、形状不复杂时采用。
（3）铝合金、非金属：特殊要求时选用。如减
轻重量、增加抗振性、提高精度保持性等。
第5章 支承件设计
2、支承件热处理：
支承件在铸造、焊接和机械加工过程中，由于凝 固时的不均匀收缩，以及受热、冷、机械变形等作用 而导致其内部产生残余应力，从而降低工件的尺寸稳 定性和物理机械性能。因此，必须消除其残余应力。 机床上的铸铁类支承件，尤其高精度机床的重要支 承件，除在机械加工前需进行去应力的时效处理之外， 国家标准规定，还需在“重要铸件粗加工后必须进行 热时效或振动时效处理。Ⅲ级或Ⅲ级以上精度等级机 床的重要铸件，半精加工后还必须进行时效处理”。 消除残余应力，使支承件保持精度的加工工艺方 法——时效处理。时效处理可分为人工时效和自然时 效；人工时效中又可分为热时效和振动时效。
箱壳类支承件
平板类支承件
2、对支承件的基本要求： （1）足够的静态刚度和较高的动态刚度。 （2）较好的动态特性（避免振动和噪声的产生）。 （3）使整个设备的热变形较小。
（4）排屑畅通、吊装安全、并具有良好的工 艺性（便于制造和装配）。 3、设计步骤：
根据使用要求进行受力分析——参考现有同类 设备初定形状和尺寸——验算或进行模型试验—— 修改优选。 第5章 支承件设计
第5章 支承件设计
当支承件以凸缘连接时，连接刚度决定于螺钉刚度、 凸缘刚度和接触刚度。合理布置螺钉位置、选择合适的 螺钉尺寸可提高接触刚度。 刚度较高的凸缘连接 刚度最高的凸缘连接 刚度较低的凸缘连接
第5章 支承件设计
立柱由凸缘连接时几种结构的刚度 立柱由凸缘连接时的刚度大小与紧固螺栓的分布 和加强筋数目的关系如下图所示：