机械制造装备第五章

§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求 4、其它要求 排屑通畅，冷却润滑回流通畅，液压、电气装 置布置合理，操作方便，吊运安全，加工装配工艺 性好。 支承件的重量占整机的50%—80%，在满足刚度、 抗振性的基础上，尽量减轻重量，节省材料。
§5-2 支承件的受力分析 一、受力分析目的 通过分析支承支承件载荷分布规律，以便改善 结构、改善受力状况，提高支承件性能。
2 K (1 ) blim K cb
§5-3 支承件的刚度和动态特性
§5-3 支承件的刚度和动态特性
§5-3 支承件的刚度和动态特性
§5-3 支承件的刚度和动态特性 3、提高固有频率（减小质量） 薄壁上布隔板、加筋，开孔，使用钢材
4、电流变材料 根据测得的信号，主动改变阻尼和刚度
§5-3 支承件的刚度和动态特性 一、 支承件的静刚度 支承件的变形 根据根据载荷性质：拉压变形、扭转变形、弯 曲变形； 根据变形发生的部位：自身的变形、局部变形、 接触变形。 ①自身变形：与材料、形状、尺寸有关 ②局部变形：载荷集中的地方 ③接触变形：某些部件叠在一起，层次较多时。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 1、自身刚度（变形） 指抵抗自身变形的能力。支承件整体的变形。 载荷类型：拉压 弯矩 扭矩 拉压变形 弯曲变形 扭转变形
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求 2、支承件的简化 为便于分析计算，将支承件作必要的简化： 梁件：床身、横梁、摇臂、滑枕 板件：底座、工作台、刀架 箱体件：主轴箱、床头箱、升降台
§5-1 支承件的功用及基本要求 3、支承件结构参数的确定方法 根据使用要求和受力情况，参考同类型机床初 步确定其形状尺寸，再进行难处或模型仿真、实验 分析，依分析结果作适当修改，确定结构尺寸及布 局。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 （2）动力响应问题（受迫振动） 指系统在外力激振作用下产生的动力响应。
动力响应 引起疲劳损坏，影响系统强度性能 出现较大位移，影响机床的加工精度
§5-3 支承件的刚度和动态特性 （3）动力稳定问题（自激振动） 指系统在在一定条件下是否会出现自激振动 （切削颤振、爬行现象）。 研究临界条件 动力稳定性 影响机床的加工效率、生产率
主、进给运动导轨面之间 p MPa Kj ( m)
§5-3 支承件的刚度和动态特性 影响接触刚度的因素： 表面的粗糙度、宏观不平度、材料硬度、预紧 度（预压强等） 自身刚度、局部刚度、接触刚度三者之间的关系： ①自身刚度、局部刚度高：压强分布较均匀，接触 刚度高。 ②支承件类型不同，工况不同，三者所占比例不同。 车床床身—自身刚度； 摇臂钻床的立柱与底座—局部刚度； 多层次的刀架—接触刚度。
系统振幅：
故：提高刚度，增大阻尼比，减小质量，减小激振 力，可提高动刚度，改善动态特性。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 改善措施： 1、提高系统静刚度 受迫振动：静刚度K↑→ωn↑→ A↓ 避免共振 自激振动：静刚度K↑→blim↑→生产率、质量↑ 措施： 合理设计结构截面形状尺寸 合理布置隔板和筋及各部分三种刚度的匹配
§5-3 支承件的刚度和动态特性 二、刚度的折算与比较
§5-3 支承件的刚度和动态特性 三、支承件的动态特性 实践与研究表明：机床的加工精度很大程度上 取决于机床的动态特性。 即：机床系统在受到内、外激振力作用后，动 态响应性能。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 动态特性分析的三个主要问题： （1）固有特性问题 指确定系统的各阶固有频率、阻尼比、振型等。 了解系统的固有特性以避免使系统在工作中出现 共振，又是对系统进行进一步研究的基础。
§5-2 支承件的受力分析 水平面 xoy 内：
§5-2 支承件的受力分析 水平面 xoy 内：
使床身前凸 水平面内的弯曲，使刀尖沿y向产生δ2的位移，引 起工件Δd2/2的加工误差，以1：1影响加工精度。
§5-2 支承件的受力分析
作用在床身中 点的主切削力 Fc和背向力Fp 产生绕床身中 性轴的扭矩Mnz、 Mny，使床身发 生扭转
§5-3 支承件的刚度和动态特性 （一）固有频率与主振型 机床系统是一个质量弹簧阻尼系统，其质量、 弹性（刚度）是连续分布的，故按振动理论，有无 穷多个自由度，有无穷多个固有频率和振型，合称 模态。 将模态按频率从低到高排列，称为阶。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 普通车床床身的固有特性（低阶模态） 一阶模态 主振系统： 床身和底部结合面 振型特点： 整机摇晃 垂直弯曲振动 固有频率：几十Hz
机械制造装备设计
主讲: 杨建军
第五章 支承件设计
§5-1 支承件的功用及基本要求
支承件,又称基础件，指床身、立柱、横梁、底座、工作 台、主轴箱等起支承作用的构件。
一、功用及特点： 1、功用 ①支承机床的其它零部件； （支承） ②保证各部件间的相互位置关系和相对运动轨迹； （保证）
第五章 支承件设计
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求 3、较小的热变形及热应力 1）减小热变形 支承件的热变形破坏了部件之间的相对位置和 相对运动关系，影响机床的工作精度和几何精度。
①采取措施减小热的产生。选择好的动力源，
改善润滑。 ②改善散热条件，选用导热性好的材料，强制 冷却等。 ③合理分布温度场。
§5-1 支承件的功用及基本要求
③承受各种作用力（重力、切削力、摩擦力、夹 紧力）； （受力） ④储存切削液、润滑油、液压油或安装电机、电 气、变速机构等装置。 （容纳）
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求
卧式加工中心床身
§5-4 支承件的结构设计
卧式加工中心床身
§5-4 支承件的结构设计
卧式加工中心床身
§5-4 支承件的结构设计
立式加工中心床身
§5-4 支承件的结构设计 小型加工中心床身
§5-4 支承件的结构设计 3、立柱
§5-4 支承件的结构设计 加工中心立柱
§5-Байду номын сангаас 支承件的结构设计 加工中心立柱
Mny Mnz
§5-2 支承件的受力分析 Mnz、Mny，使床向发生扭转
床身的扭转变形，使刀尖绕床身中 性线转过θ角，产生δ2的位移，引 起工件Δd3/2的加工误差，占床身 变形量的60～90%。
§5-2 支承件的受力分析 对床身设计的建议： 1、要特别注意提高床身的抗扭刚度及水平面内的抗 弯刚度； 一般将床身截面选为近似方形，中间段排屑需要 无法封闭，床头箱处封闭。 2、导轨直线度要求 垂直面内允差只许向上凸起； 水平面内只许向后方凸出； 以抵消床身受切削力作用及磨损后产生的误差。
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求 2）减小热应力 由于焊接、铸造和粗加工在支承件内部形成的 内应力，在使用过程中逐渐解放导致支承件变形。
（1）选择合理的焊接、铸造结构和工艺，以减小后期使用 中的变形；
（2）在铸铁材料中加入镍、铬，提高耐磨性，减小 内应力； （3）进行时效处理。
§5-1 支承件的功用及基本要求 二、支承件的基本要求 1、刚度要求 一般指静刚度，批在规定最大载荷（恒定或交 变）作用下，最大变形不超过规定数值，以保证加 工精度。
§5-1 支承件的功用及基本要求
§5-1 支承件的功用及基本要求 2、抗振性要求 抵抗受到振动：振幅不超过允许值； 自激振动：给定切削条件下，切削稳定； 降低噪声：薄壁面积超过400×400mm2时，产生 薄壁振动，成为机床噪声的主要原 因之一。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 2、增加阻尼
K d K (1 ) (2)
2 2 2
可见：增加阻尼对改善动态特性是有效的 措施： ①铸件保留砂芯，焊件填混凝土 ②采用阻尼减振器、焊接接头，表面喷涂一层阻 高的材料胶泥、腻子石墨纤维 ③选用不同的材料 混凝土＞铸铁，铸铁是钢的 2 —4 倍
§5-2 支承件的受力分析 二、载荷的简化 1、中小型机床，以切削力为主，工件重量可忽略；
中型车床、铣床、摇臂钻床等
2、精密、高精密机床，以工件重力和热应力为主；
双柱座标镗床，横梁及其上主轴箱重量不可忽略
3、大型机床，切削力与重力均应考虑
重型车床、落地镗床、龙门式机床
§5-2 支承件的受力分析 三、支承件受力分析示例 以某中型车床床身为例，床身受力如下图所示。
占主要比重
影响因素：材料、结构尺寸、筋板布置等
§5-3 支承件的刚度和动态特性
§5-3 支承件的刚度和动态特性 2、局部（刚度）变形 指抵抗局部变形的能力。变形发生在支承件的局部。
§5-3 支承件的刚度和动态特性
影响因素：该局部区域的结构、尺寸等。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 3、接触（刚度）变形 指抵抗结合面之间变形的能力。变形发生在接 触的结合面之间。
床头箱与床身之间 结合面间无相对运动， 预紧（紧固件）＞＞外载荷。
dp MPa Kj ( m) d
§5-3 支承件的刚度和动态特性
②半固定联结的结合（接触）：
结合面间有少量相对运动，预紧（锁紧件）＞ 外载荷。尾架与床身之间 ③活动联结的结合（接触）：
结合面间存在频繁 相对运动，预紧（部件 重力）。
§5-3 支承件的刚度和动态特性 二阶模态 主振系统： 床身 振型特点： 扭摆振动 水平弯曲振动 固有频率：100多Hz
§5-3 支承件的刚度和动态特性 三阶模态 主振系统： 床身 振型特点： 一个中性面 两端方向相反 固有频率： 200多Hz
§5-3 支承件的刚度和动态特性 四阶模态 主振系统： 床身 振型特点： 两个中性面 中间与两端相反 固有频率： 300多Hz