2 机床设计(支承件、导轨设计2-4)

2．机床的布局形式 不同的布局方式，支承件结构和形状不同。 3．支承件的形状 （1）箱形类：支承件在三个方向尺寸上相差不多，如各类 箱体、底座、升降台等； （2）板块类：支承件在二个方向尺寸上比第三个方向尺寸大的 多，如工作台、刀架等； （3）梁类：支承件在一个方向尺寸上比另两个方向大的多，如 立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。
1．空心截面的刚度比实心的大→床身截面应做成中空形式。
2．圆形（环形）截面的抗扭刚度比方形或矩形截面大；抗弯 刚度比方形小。 受弯矩为主的支承件的截面应用矩形（立钻、插床立柱）； 受扭矩为主的支承件应采用圆形（环形）的截面； 既承受弯矩又承受扭矩的支承件应采用近似正方形。
3．封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别 是抗扭刚度。
隔离的地基上，或在液压马达、液压缸等热源外面加隔
热罩； 采用双层壁结构，其间有空气层。 3．温度均衡分布 设计时尽量减少支承件本身各部位的温差。
4．采用热补偿装置： （1）基本方法：在热变形的相反方向上采取措施，产
生相应的反方向热变形，使两者之间影响相互抵
消，减少综合热变形——转移掉。
（2）温度误差软件补偿——利用计算机和检测装置进
作用：↓局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的
局部刚度。
布局：纵向、横向和斜向，常布置成交叉排列。
①必须使筋条位于壁板的弯曲平面内；
②筋条厚度一般为床身壁厚的 0.7 ~ 0.8 倍；
③一般铸铁床身用井字形，焊接床身用米字形。 ④局部增设筋条，提高支承件的局部刚度。
加强筋的常见形式：
☆直线型加强筋：载荷较小窄壁上，刚性差。
（一）提高支承件刚度 （静刚度）和固有频率
1．合理选择支承件的材料、结构形状和尺寸、壁厚；
2．合理布置肋板和肋条，提高结构刚度和局部刚度； 3．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； 4．在刚度不变的前提下，减小质量提高支承件的固有 频率； 5．用有限元分析法进行定量分析，用较小质量得到较高静刚度
开式导轨：在部件自重和载荷作用下，动导轨和支承导
轨的工作面始终保持相互接触、贴合。
特点：结构简单，不能承受较大颠覆力矩。
闭式导轨：借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。
图（b），借助压板1、2形成辅助导轨面，能承受较
大颠覆力矩。
（二）基本要求 1．导向精度高
主要影响因素：
①导轨几何精度和接触精度；
有三种布局形式，取决于支承件的受力变形。
◆纵向筋板(水平布置)
纵向筋板布置在弯曲平面内，↑抗弯刚度：
◆横向筋板(垂直布置)
横向筋板是将支承件的外壁横向连接起来，↑抗扭刚度：
◆斜向筋板
同时↑抗弯刚度和↑抗扭刚度。
未加斜向筋板
常见的几种卧式车床床身筋板(隔板)的布置形式：
◇T形隔板：水平抗弯刚度高。用于刚度要求不高的小型 车床。
（一）功用和分类
1．功用： 导轨成对使用 动导轨
静导轨（支承导轨） ①承受载荷；
②导向。
2．分类 主运动导轨 按工作性质 进给运动导轨 移置导轨 按运动轨迹 直线运动导轨 圆运动导轨
普通滑动导轨 按接触面的 摩擦性质
滑动导轨 滚动导轨 液体静压导轨 液体动压导轨 气体静压导轨
按结构形式
开式导轨
闭式导轨
☆直角相交的加强筋（井字形）
箱形截面的床身和平板上，易产生内应力。
☆三角形及斜向交叉 形加强筋 支承件的宽壁与 平板上，刚度高。
☆米字型加强筋 焊接床身，抗弯和抗扭刚度较高，工艺性差。
☆蜂窝形加强筋 平板上，内应力小。
☆局部增设肋条，提高局部刚度。
凸缘处局部刚度差
局部加强筋
（四）合理选择支承件的壁厚
②导轨的结构形式； ③导轨和支承件的刚度和热变形； ④导轨的油膜厚度和油膜刚度（液体静压和动压导轨）。
2．承载能力大，刚度好
主要影响因素：
导轨的结构形式、尺寸（截面形状和尺寸）；与支 承件的连接方式；受力情况（载荷性质、大小、方 向）。
3．精度保持性好（耐磨性好） 常见的磨损形式：
磨料磨损、咬合磨损、接触疲劳磨损。
抗振性好、刚度高、热稳定性好、阻尼系数比钢大 15倍、耐磨性比铸铁高5 ～6倍；
抗冲击性能差、脆性大、油和水渗入——表面局部 变形胀大，难以制作复杂的零件。
（五）树脂混凝土（人造花岗岩） →新型机床床身材料
◆特点：
抗振性好、刚度高、热稳定性好；重量轻——比重 为铸铁的1/3；导热系数小；耐腐蚀性好；某些力学 性能较低。 ◆应用： 已成功用于精密外圆磨床中。对于高速、高效、高 精度机床具有广泛应用前景。
2.6.3 支承件材料 （一）铸铁
普通灰铸铁：（HT100）、HT150、HT200；
进行时效处理（人工或自然），消除内应力。
（二）钢板焊接结构：用钢板和型钢焊接而成。
重量轻（20%~30%）；
用于单件小批量生产中型机床。
（三）预应力钢筋混凝土 抗振性好，刚度大、阻尼比大（是铸铁的几倍）， 成本低。 （四）天然花岗岩
双立柱结构的加工中心或
卧式坐标镗床，主轴箱装在 框式立柱内，以左右两立柱 定位。由于两侧热变形的对 称性，主轴中心线的升降轨
迹不会因立柱热变形而左右
倾斜，保证定位精度。 立柱热对称结构
2．控制温升：散热和隔热 改善散热条件
——对温升高部位，加大散热面积、设置散热片和风扇；
分离或隔绝热源 ——将主要热源（液压油箱、变速箱、电动机）移到与机床
影响因素： 导轨摩擦性质；导轨材料；热处理和加工方法；受 力情况（载荷状况）；润滑和防护条件。
4．低速运动平稳
指导轨抵抗摩擦自激振动的能力，即动导轨作低速
运动或微量进给时，消除“爬行”现象的程度——
应保证运动平稳，不出现“爬行”现象。 影响因素： 静、动摩擦系数的差值；传动系统的刚度；运动部 件的质量、导轨的结构形式、润滑。 5．结构简单、工艺性好 易于加工、便于间隙调整、润滑防护性能良好。
行热位移补偿。先预测热变形规律，然后建立数 学模型存入计算机中进行实时处理，进行热补偿。
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2.7 机床导轨设计


2.7.1 导轨功用和应满足的基本要求
2.7.2 导轨的截面形状和导轨间隙的调整
2.7.3 导轨的结构类型和特点
2.7.4 提高机床导轨耐磨性的措施（滑动导轨）
2.7.1 导轨功用和应满足的基本要求
（二）支承件的截面形状和选择 原则 支承件结构的合理设计是应在最小重量条件下， 具有最大静刚度。
◇静刚度
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，即使同一种材料、相等的 截面面积，其截面惯性矩不同。
比较截面积相同（100cm2），截面形状不同的惯性矩的计算 值和相对值，得出：
原则：减轻重量，根据工艺上的可能尽量选择薄一些。
1．铸铁支承件的外壁厚
根据当量尺寸C选择铸铁件的壁厚：
L、B、H——铸件的长、宽、高（m）。
根据C查表确定最小壁厚，再综合考虑工艺条件、受力情况， 可适当加厚，壁厚应尽量均匀： C=0.75m：8mm；C=1.0m：10mm；C=1.5m：12mm； C=1.8m：14mm；C=2.0m：16mm；C=2.5m：18mm； C=3.0m：20mm；C=3.5m：22mm；C=4.0m：25mm。
（2） ↑K：合理选择材料、截面形状和尺寸、壁厚； 合理布置筋板和筋条；改善支承件间的接触刚度 及支承与地基联结处的刚度。
（3）↑ 0 ：在K不变的前提下，↓质量，↑ 0 —避免
“共振” 。
（4）采用新材料制造支承件
树脂混凝土材料——刚性高、抗振性好、热变形 小、耐化学腐蚀。
（三）提高热变形特性（热稳定性） 1．采用热对称结构：发生热变形，工件或刀具回转中 心线的位置基本不变，减小对加工精度的影响。
4．保持横截面积不变，加大外廓尺寸，减少壁厚，
可提高截面刚度。
卧式床身截面的基本形式：空心矩形截面
车床类床身：两面封闭式截面，便于排除大量切屑和冷却 液，刚度较低——中小型车床。
无升降台铣床、龙门刨床、龙门铣床床身——三面封闭式截 面，不需要从床身排屑。
大型和重型机床床身:
三壁结构（双层壁结构），承受重载。
机械制造装备设计
主讲人：李爱芝
2.6 机床支承件设计


2.6.1 支承件功用及基本要求
2.6.2 支承件的结构设计
2.6.3 支承件材料
2.6.4 提高支承件结构性能的措施
2.6.1 支承件功用及基本要求 支承件是指用于支承和连接若干部件的基础件 -------床身、底座、立柱、横梁、工作台、箱体。 ◆功用 （1）支撑和连接各部件；（2）承载； （3）承受热变形；（4）保证机床的加工精度
磨床类床身:
三面封闭式截面，内部可用于储存润滑油和冷却液，安装 传动机构——载荷较小的机床。
立式床身（立柱截面）的基本形式： 圆形、方形，封闭结构
圆形截面：抗扭刚度↑、抗弯刚度↓，用于载荷不大机床，如 摇臂、台式钻床的立柱（床身）、组合机床的立柱。
对称方形截面：
抗扭刚度↑、抗弯刚度↑，用于承受复杂的空间载荷，如镗 床和铣床的立柱（床身）、组合机床的立柱。
◆结构形式： 框架结构： 采用金属型材焊接出床身周边框架，在框架内浇注树脂混 凝土（大中型机床床身）； 整体结构： 用树脂混凝土制造出床身整体。 分块结构： 为简化浇注模具的结构和实现模块化，对于结构复杂的大 型床身构件，把它分成几个形状简单、便于浇注的部件。
2.6.4 提高支承件结构性能的措施
机床类型、布局和支承件的形状
支承件的截面形状和选择 支承件筋板和筋条的布置 合理选择支承件的壁厚
（一）机床类型、布局和支承件的形状 1．机床类型（根据所受载荷的特点） （1）中小型机床：外载荷以切削力为主，工件和移动 部件的重力（相对较小）可忽略不计； （2）精密和高精密机床：外载荷以移动部件的重力和 热应力为主，切削力相对较小可忽略不计； （3）大型和重型机床：切削力、工件重力和移动部件 重力必须同时考虑。