机床支承件结构设计PPT课件
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第四节 机床支承件
第四节 机床支承件
一、机床支承件及其功用
机床支承件是机床的基础构件。包括床身、立 机床支承件是机床的基础构件。包括床身、 横梁、底座、刀架、工作台、 往、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和升降台 这些件一般称为“大件” 等。这些件一般称为“大件”。 机床的各种支承件有的互相固定连接、 机床的各种支承件有的互相固定连接、有的在 导轨上运动。切削时它们受力井变形。 导轨上运动。切削时它们受力井变形。机 床的变动的切削力、运动件的惯性、 床的变动的切削力、运动件的惯性、旋转件的不 平衡等动态力会引发支承件和整机振动。 平衡等动态力会引发支承件和整机振动。支承 件的热变形会改变执行机构的正确位置或运动轨 影响加工精度和表面质量e 迹，影响加工精度和表面质量e因此必须重 视支承件的设计。 视支承件的设计。
(二)结构特点
为提高静刚度和抗振性， 为提高静刚度和抗振性，应合理的设计横截面 的形状尺寸，合理的布置筋板结构、 34所 的形状尺寸，合理的布置筋板结构、图7—34所 示的结构是用于加工中心的床身， 示的结构是用于加工中心的床身，在箱形的床身 内部增加两条斜筋支承导轨， 内部增加两条斜筋支承导轨，形成三个三角形框 具有较好的静则度和抗振性。 35是数 架、具有较好的静则度和抗振性。因7—35是数 控车床床身截面，采用封闭箱形结构， 控车床床身截面，采用封闭箱形结构，且内部有 加强筋、具有很高的刚度。 加强筋、具有很高的刚度。床身呈倾斜状便于排 装卸工件。 后、装卸工件。 36是用于加 是用于加I 中心、 图7—36是用于加I：中心、数控锤铣床等用 的立枉截面，其图7 36a是矩形外壁与菱形内 的立枉截面，其图7—36a是矩形外壁与菱形内 壁双层壁结构， 36b是矩形外壁内用对角 壁双层壁结构，图7—36b是矩形外壁内用对角 线加强筋组成多个三角形箱形结构，抗弯、 线加强筋组成多个三角形箱形结构，抗弯、抗扭 刚度都很高. 刚度都很高.
一、机床支承件及其功用
机床支承件是机床的基础构件。包括床身、立 机床支承件是机床的基础构件。包括床身、 横梁、底座、刀架、工作台、 往、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和升降台 这些件一般称为“大件” 等。这些件一般称为“大件”。 机床的各种支承件有的互相固定连接、 机床的各种支承件有的互相固定连接、有的在 导轨上运动。切削时它们受力井变形。 导轨上运动。切削时它们受力井变形。机 床的变动的切削力、运动件的惯性、 床的变动的切削力、运动件的惯性、旋转件的不 平衡等动态力会引发支承件和整机振动。 平衡等动态力会引发支承件和整机振动。支承 件的热变形会改变执行机构的正确位置或运动轨 影响加工精度和表面质量e 迹，影响加工精度和表面质量e因此必须重 视支承件的设计。 视支承件的设计。
(二)结构特点
为提高静刚度和抗振性， 为提高静刚度和抗振性，应合理的设计横截面 的形状尺寸，合理的布置筋板结构、 34所 的形状尺寸，合理的布置筋板结构、图7—34所 示的结构是用于加工中心的床身， 示的结构是用于加工中心的床身，在箱形的床身 内部增加两条斜筋支承导轨， 内部增加两条斜筋支承导轨，形成三个三角形框 具有较好的静则度和抗振性。 35是数 架、具有较好的静则度和抗振性。因7—35是数 控车床床身截面，采用封闭箱形结构， 控车床床身截面，采用封闭箱形结构，且内部有 加强筋、具有很高的刚度。 加强筋、具有很高的刚度。床身呈倾斜状便于排 装卸工件。 后、装卸工件。 36是用于加 是用于加I 中心、 图7—36是用于加I：中心、数控锤铣床等用 的立枉截面，其图7 36a是矩形外壁与菱形内 的立枉截面，其图7—36a是矩形外壁与菱形内 壁双层壁结构， 36b是矩形外壁内用对角 壁双层壁结构，图7—36b是矩形外壁内用对角 线加强筋组成多个三角形箱形结构，抗弯、 线加强筋组成多个三角形箱形结构，抗弯、抗扭 刚度都很高. 刚度都很高.
机床支承件设计
机床支承件设计了解支承件的功能和应满足的基本要求，可根据机床的类型和布局形式合理地选择支承件的形状，理解支承件构造的设计特点、支承件材料及壁厚的合理选择，掌握支承件截面形状选择的一般原则，以及提高支承件构造性能的合理措施等。
一、支承件的功能和应满足的基本要求支承件的主要功能是保证机床上各零部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度等。
支承件应满足的基本要求：1）具有足够的刚度和较高的刚度一质量比；2）具有较好的动态特性；3）热稳定性好, 热变形对加工精度的影响要小；4）排屑畅通、吊运安全，构造工艺性良好。
二、支承件的构造设计设计支承件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。
在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。
还要根据其使用要求，开展受力和变形分析，再根据所受的力和其他要求开展构造设计，初步决定其形状和尺寸。
通过计算机对其开展有限元分析和计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计开展修改和完善，选出最正确构造形式。
既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减小质量，节约材料。
常见支承件的形状：1）箱形类；2）板块类；3）梁类。
支承件构造的合理设计是应在最小重量条件下，具有最大静刚度。
静刚度主要包括抗弯刚度和抗扭刚度，均与截面系数成正比。
支承件截面形状不同，即使同一材料、截面积一样，其抗弯和抗扭截面系数也不同。
1）支承件空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的截面形状和一样大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面，其抗弯刚度和抗扭刚度都高。
2）圆（或环）形截面的抗扭刚度比矩形截面的好，但抗弯刚度比矩形截面的低。
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。
支承件的肋板和肋条的布置：肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板, 而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身刚度和整体刚度。
机床支承件设计(全)
2013-8-14
22
钢板焊接结构
• 用钢板和型钢等焊接支承件，其特点是制造周期短， 省去制作木模和铸造工艺；支承件可制成封闭结构， 刚性好；便于产品更新和结构改进；钢板焊接支承 件固有频率比铸铁高，在刚度要求相同情况下，采 用钢焊接支承件可比铸铁支承件壁厚减少一半，重 量减轻20%～30％。 • 钢板焊接结构的缺点是钢板材料内摩擦阻尼约为铸 铁的1/3，抗振性较铸铁差，为提高机床抗振性能， 可采用提高阻尼的方法来改善动态性能。
尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的
抗弯刚度和抗扭刚度都高。 • 圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比 方形低。 • 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。
2013-8-14 16
支承件肋板的布置
肋板是指联接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部载 荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和 整体刚度。 • 水平布置的肋板有助于提高 支承件水平面内弯曲刚度； 垂直放置的肋板有助于提高 支承件垂直面内的弯曲刚度； 而斜向肋板能同时提高支承 件的抗弯和抗扭刚度。
• 铸铁 • 钢板和型钢 • 天然花岗岩 • 预应力钢筋混凝土 • 树脂混凝土
2013-8-14
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铸铁
• 一般支承件用灰铸铁制成，在铸铁中加入少量合金 元素可提高耐磨性。铸铁铸造性能好，容易获得复 杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力大，阻尼系 数大，使振动衰减的性能好成本低。但铸件需要木 模芯盒，制造周期长，有时产生缩孔、气泡等缺陷， 成本高，适于成批生产。 • 常用的铸件牌号有HT200、HT150、HT100。
机床的布局形式对支承件形状的 影响
• 床身导轨的倾斜角度有30°,45°, 60°,75°。小
支承件设计PPT课件
材料，截面积相当而形状不同时，截面惯性矩相差很大， 合理选择截面可提高支承件自身刚度。
2021/6/7
19
表 第三章 支承件设计
3—1
截 • 第二节 支承件的静刚
面
度与结构设计
形 状
•
一、支承件的静刚度
与
抗
扭
惯
性
矩
关
系
2021/6/7
20
第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
转刚度。
Hale Waihona Puke （4）主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两
端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。
2021/6/7
15
第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
（1）支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和 接触变形。 （2）对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应 包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触 变形。 （3）局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。
2021/6/7
6
第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度 2. 抗振性 3. 热变形 4. 内应力 5. 其它
2021/6/7
7
第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度
（1）所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵 抗变形的能力。
（2）前者称为静刚度，后者称为动刚度。
17
第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
1. 提高支承件自身刚度
2021/6/7
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表 第三章 支承件设计
3—1
截 • 第二节 支承件的静刚
面
度与结构设计
形 状
•
一、支承件的静刚度
与
抗
扭
惯
性
矩
关
系
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
转刚度。
Hale Waihona Puke （4）主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两
端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
（1）支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和 接触变形。 （2）对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应 包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触 变形。 （3）局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度 2. 抗振性 3. 热变形 4. 内应力 5. 其它
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7
第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度
（1）所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵 抗变形的能力。
（2）前者称为静刚度，后者称为动刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
1. 提高支承件自身刚度
第十三讲 机床支承件与导轨设计
静刚度主要包括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，即使同一材料、相等 的截面积，其抗弯和抗扭惯性矩也不同。
Metal Cutting & Machine Tools
支承件结构设计
支承件截面形状与选择
Metal Cutting & Machine Tools
支承件结构设计
这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使 主轴偏离其正确位置。
Metal Cutting & Machine Tools
支承件结构设计
摇臂形状选择原则：
➢ 截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。 ➢ 竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，
这两个方向的尺寸不宜相差太大。 ➢ 摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐
Metal Cutting & Machine Tools
提高支承件的Biblioteka 刚度数控车床床身截面图：倾斜式空心封闭 箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。
2021/7/14
加工中心床身截面图 ：采用三角形 肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。
Metal Cut3ti2ng & Machine Tools
提高支承件的静刚度
立柱和摇臂——梁类件； 底座——板类件； 主轴箱——箱形件。
Metal Cutting & Machine Tools
支承件结构设计
摇臂钻床受力分析（转矩T、进给力Ff）
Metal Cutting & Machine Tools
支承件结构设计
摇臂受力分析（转矩T、进给力Ff）
1、yz平面内：
应满足要求： 足够的刚度和较高的刚度—质量比。 排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。 较好的动态特性（提高固有频率）：
支承件截面形状不同，即使同一材料、相等 的截面积，其抗弯和抗扭惯性矩也不同。
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支承件结构设计
支承件截面形状与选择
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支承件结构设计
这两个力矩使摇臂产生弯曲和扭转变形。使 主轴偏离其正确位置。
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支承件结构设计
摇臂形状选择原则：
➢ 截面形状应为空心矩形。四周尽量封闭。 ➢ 竖向尺寸应大于横向尺寸。但由于扭矩的存在，
这两个方向的尺寸不宜相差太大。 ➢ 摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐
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提高支承件的Biblioteka 刚度数控车床床身截面图：倾斜式空心封闭 箱形结构，排屑方便，抗扭刚度高。
2021/7/14
加工中心床身截面图 ：采用三角形 肋板结构，抗扭抗弯刚度均较高。
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提高支承件的静刚度
立柱和摇臂——梁类件； 底座——板类件； 主轴箱——箱形件。
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支承件结构设计
摇臂钻床受力分析（转矩T、进给力Ff）
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支承件结构设计
摇臂受力分析（转矩T、进给力Ff）
1、yz平面内：
应满足要求： 足够的刚度和较高的刚度—质量比。 排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。 较好的动态特性（提高固有频率）：
第3章_典型部件设计(主轴、支承件、导轨)ppt课件
提高主轴抗振性 原则：传动力Q引起的主轴弯曲变形要小；
引起主轴前端在误差敏感方向上的位移要小 结论：传动件(最大传动件)尽量靠近前支承
传动件放在两个支承中间靠近前支承，受力 情况好，使用广泛。
3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置 (1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置
传动件放在主轴前的悬伸端，主轴刚性好， 主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床。
(2) 刚度 主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的 能力，如图所示，即K=F/y(单位为N/im)，刚度的倒数 y/F称为柔度。动刚度指机床在额定载荷下切削时，主轴 组件抵抗变形的能力。 动刚度与静刚度成正比，在共振 区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比，故可通过增加 静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。 主轴组件的刚度是综合刚度，它与主轴结构尺寸、 所选用的轴承类型和配置及其预紧、支承跨距和主轴前 端悬伸量、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配 质量等有关。
3.1.3.2 推力轴承位置配置形式 (3) 两端配置 缺点：主轴受热伸长后Байду номын сангаас影响主轴轴承的轴
向间隙，必须有消隙机构和热膨胀补偿机构 应用：常用于短主轴，如组合机床主轴
(4) 中间配置 优点：可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热 膨胀向后 缺点：前支承复杂，温升大
3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置 (1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置 在力Q作用下，主轴上必然存在一个挠度为
3.1.3.2 推力轴承位置配置形式（重点） 切削力→轴向受力→推力轴承 (1) 前端配置 缺点：前支承结构复杂，发热大，温升高 优点：主轴受热后向后延伸，不影响轴向精
度，精度高，可提高主轴部件刚度 应用：高精度机床和数控机床
(2) 后端配置 优点：前支承结构简单，发热小，温升低 缺点：主轴受热后向前延伸，影响轴向精度 应用：普通立式铣床、多刀车床
引起主轴前端在误差敏感方向上的位移要小 结论：传动件(最大传动件)尽量靠近前支承
传动件放在两个支承中间靠近前支承，受力 情况好，使用广泛。
3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置 (1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置
传动件放在主轴前的悬伸端，主轴刚性好， 主要用于具有大转盘的机床，如立式车床、镗床。
(2) 刚度 主轴组件的刚度K是指其在承受外载荷时抵抗变形的 能力，如图所示，即K=F/y(单位为N/im)，刚度的倒数 y/F称为柔度。动刚度指机床在额定载荷下切削时，主轴 组件抵抗变形的能力。 动刚度与静刚度成正比，在共振 区，与阻尼（振动的阻力）近似成正比，故可通过增加 静刚度、增加阻尼比来提高动刚度。 主轴组件的刚度是综合刚度，它与主轴结构尺寸、 所选用的轴承类型和配置及其预紧、支承跨距和主轴前 端悬伸量、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配 质量等有关。
3.1.3.2 推力轴承位置配置形式 (3) 两端配置 缺点：主轴受热伸长后Байду номын сангаас影响主轴轴承的轴
向间隙，必须有消隙机构和热膨胀补偿机构 应用：常用于短主轴，如组合机床主轴
(4) 中间配置 优点：可减少主轴的悬伸量，并使主轴的热 膨胀向后 缺点：前支承复杂，温升大
3.1.3.3主轴传动件位置的合理布置 (1) 传动件在主轴上轴向位置的合理布置 在力Q作用下，主轴上必然存在一个挠度为
3.1.3.2 推力轴承位置配置形式（重点） 切削力→轴向受力→推力轴承 (1) 前端配置 缺点：前支承结构复杂，发热大，温升高 优点：主轴受热后向后延伸，不影响轴向精
度，精度高，可提高主轴部件刚度 应用：高精度机床和数控机床
(2) 后端配置 优点：前支承结构简单，发热小，温升低 缺点：主轴受热后向前延伸，影响轴向精度 应用：普通立式铣床、多刀车床
第三章_机床主要部件设计2 ppt课件
机械制造装备设计
第三章 机床主要部件设计
среда, 11
ноября 2020 г. 2020/10/28
1
第二节 支承件设计
一、支承件的基本要求 二、支承件的受力分析方式 三、支承件的截面形状设计原则 四、提高支承件静刚度的措施 五、支承件的材料
2020/10/28
2
精品资料
第二节 支承件设计
10
第二节 支承件设计
四、提高支承件静刚度的措施 为什么要进行刚度补偿？
◆ 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。
2020/10/28
11
第二节 支承件设计
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。
◆ 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。
◆20截20/1面0/2不8 能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。
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。
刚度补偿方法： ◆ 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。
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
纵向隔板
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。
第三章 机床主要部件设计
среда, 11
ноября 2020 г. 2020/10/28
1
第二节 支承件设计
一、支承件的基本要求 二、支承件的受力分析方式 三、支承件的截面形状设计原则 四、提高支承件静刚度的措施 五、支承件的材料
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精品资料
第二节 支承件设计
10
第二节 支承件设计
四、提高支承件静刚度的措施 为什么要进行刚度补偿？
◆ 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。
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第二节 支承件设计
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。
◆ 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。
◆20截20/1面0/2不8 能封闭的支承件，应采取补偿刚度措施。
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。
刚度补偿方法： ◆ 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。
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
纵向隔板
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。
第四节 机床支承件
来自二、对机床支承件的基本要求
(一)应具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比。 应具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比。 设计时应力求在满足刚度的基础上， 性。设计时应力求在满足刚度的基础上，减轻机床重量 (二)应有较好的动态特性 后者在很大程度上反映了设计的合理 节约原材料，降低机床造价。 节约原材料，降低机床造价。 这包括有较大的动刚废和阻尼；与其它部件相配合， 这包括有较大的动刚废和阻尼；与其它部件相配合， 使整机的各阶固有频串不致与激振频 率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。 率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。 (二)应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小 应具有较好的热变形特性， 或热变形对加工精度、 或热变形对加工精度、表面质量的影 响较小。 响较小。 (四)应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布 应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全； 置液压，电气等器件，并具有良好的工 置液压，电气等器件， 艺性，便于制造和装配。 艺性，便于制造和装配。
三、数控机床支承件结构的一些特点
(一)支承件的形状选择原则 74是截面形状与惯性矩的关系 表74是截面形状与惯性矩的关系 文承件的变形、主要是弯曲和扭转、 文承件的变形、主要是弯曲和扭转、是与截面 惯性矩密切关联的。可以从表中看出： 惯性矩密切关联的。可以从表中看出： 1)在同等面积下，空心截面的惯性矩比实心 1)在同等面积下 在同等面积下， 的大，加大轮廓尺寸，减小壁厚； 的大，加大轮廓尺寸，减小壁厚；可以大大提高 刚度。(可比较1、2、3或5、6、7)。因此，设 刚度。 可比较1 7)。因此， 计支承件时总是使壁厚在工艺可能的前提下尽量 薄 一些。一般不用增加壁厚的办法提高自身刚度。 一些。一般不用增加壁厚的办法提高自身刚度。
(二)结构特点
(一)应具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比。 应具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比。 设计时应力求在满足刚度的基础上， 性。设计时应力求在满足刚度的基础上，减轻机床重量 (二)应有较好的动态特性 后者在很大程度上反映了设计的合理 节约原材料，降低机床造价。 节约原材料，降低机床造价。 这包括有较大的动刚废和阻尼；与其它部件相配合， 这包括有较大的动刚废和阻尼；与其它部件相配合， 使整机的各阶固有频串不致与激振频 率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。 率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。 (二)应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小 应具有较好的热变形特性， 或热变形对加工精度、 或热变形对加工精度、表面质量的影 响较小。 响较小。 (四)应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布 应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全； 置液压，电气等器件，并具有良好的工 置液压，电气等器件， 艺性，便于制造和装配。 艺性，便于制造和装配。
三、数控机床支承件结构的一些特点
(一)支承件的形状选择原则 74是截面形状与惯性矩的关系 表74是截面形状与惯性矩的关系 文承件的变形、主要是弯曲和扭转、 文承件的变形、主要是弯曲和扭转、是与截面 惯性矩密切关联的。可以从表中看出： 惯性矩密切关联的。可以从表中看出： 1)在同等面积下，空心截面的惯性矩比实心 1)在同等面积下 在同等面积下， 的大，加大轮廓尺寸，减小壁厚； 的大，加大轮廓尺寸，减小壁厚；可以大大提高 刚度。(可比较1、2、3或5、6、7)。因此，设 刚度。 可比较1 7)。因此， 计支承件时总是使壁厚在工艺可能的前提下尽量 薄 一些。一般不用增加壁厚的办法提高自身刚度。 一些。一般不用增加壁厚的办法提高自身刚度。
(二)结构特点
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• 式中L、B、H—铸件 的长、宽和高（m）
当量尺寸/m 0.75 1.0 1.5 1.8 2.0 2.5 3 3.5 4.5
壁厚/m
8 10 12 14 16 18 20 22 25
22
壁厚的设计
焊接件壁厚： • 中型机床，5~6mm，
闭式，正确布置隔板、肋，防止薄壁振动。 或采用10mm厚壁板
34
整体布局
结 构 特 征 的 工 艺 性 特 征
11
整体布局—结构选择 结构类型
◎“—”形形式
承载结构主要是床身，或 床身与底座的组合。
◎ “|”形形式
承载结构主要是立柱， 或立柱与底座的组合。
◎ “┴”形形式
承载结构式床身和立 柱的组合
12
整体布局—结构选择
结构类型
◎“匚”形形式
承载结构是床身与立柱、横臂等 三者的结合。称为单臂式机床。
5
机床支承件概述
基本设计要求
– 高刚度化—结构设计及加工 – 高阻尼精度—增加系统阻尼，调整构件自身
频率
– 高耐磨性—选取耐磨材料，保证润滑良好 – 热变形小 —注重散热和隔热，平衡温度场，
采用热对称结构
–屑通畅，操作方便，吊运安全，加工
及装配性好等
◎“□”形形式
支承由床身、横梁以 及双立柱组合而成， 形成封闭的方框。
13
整体布局—结构选择
数控机床受热变形与切入方向关系
14
整体布局—运动部件选择
• 与工件形状、尺寸和重量的关系
工件较轻时
工件较重或较高时
工作台完成进给 工作台与刀具完成进给
大型、重型工件 刀具进给
15
确定形体尺寸
• 确定机床床身和立柱形体尺寸的主要参数如下
交叉肋
井字肋
26
连接结构的设计
• 导轨的连接部位结构
c、d为双壁， 复杂，用于
精密机床或大 承载
单壁
单壁 加肋
e、f用于立柱导轨，f刚度最好
27
连接结构设计
立 柱 导 轨 的 连 接 部 位 结 构
28
连接结构设计
凸台外径对孔板壁刚度的影响
凸缘结构形式
29
支承件与基础的连接
• 基础的形式 • 与基础的连接形式
支垫位置与变形量
30
细节设计
• 吊装孔的设计
– 与质心在同一平面内 – 起吊、放置平稳 – 足够的吊装刚度
• 布置润滑油道、冷却液流道 • 管路接口设计 • 加工面设计 • 电气部件、油箱等安装布置
立柱吊装孔
31
分析校核
• 三维软件建模，相关软件分析
– 运动干涉分析 – 强度分析 – 刚度分析 – 模态分析 – 热分析
机床型号
机床型号
机 床 床 身 主 要 参 数
总长
机
总宽
床
导轨最大间距
立
导轨长
柱
导轨宽
主
筋厚
要
导轨面距丝杠座距离 参
丝杠座宽
数
总长 总宽 总高 导轨最大间距 导轨长 导轨宽 筋厚 导轨面距丝杠座距离
与立柱接触面长
丝杠座宽
16
确定形体尺寸
– 依据后床身确定截面长度 – 确定截面长宽比
17
刚度设计
• 确定支承大件最小刚度 • 弯曲刚度设计计算 • 扭转刚度设计计算
• 依据分析结果，对结构进行改进和完善
32
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
33
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
18
基本截面形状的选择
• 主要载荷：弯、扭 • 材料消耗相同时
惯性矩：空心>实心 抗弯：矩形>方形>圆形 抗扭：矩形<方形<圆形 刚度：封闭截面>不封闭
19
截面形状的选择
最 简 单
20
截面形状、窗口和壁厚设计
• 截面形状选择
21
壁厚的设计
铸件壁厚：
• 按目前工艺水平，砂 模铸造的壁厚根据当 量尺寸C按下表选择。
6
铸件
优点： 内摩擦力大 阻尼系数大 振动衰减性好 成本低 适合批量生产 缺点： 周期长 需做木模 易产生缺陷
机床支承件概述
支承件材料选择
焊接件
优点： 质量轻 生产周期短 不易产生废品 肋板布置灵活 所需设备简单 缺点： 需要时效处理 成本高 不适合批量化
花岗石
优点： 阻尼性能好 尺寸稳定性好 抗腐蚀性强 制造成本低 热导率小 缺点： 重量大 需预埋机械连接 易产生废品
• 大、重型，25mm以上壁厚。
23
隔板和加强筋的选择 • 隔板主要用于两壁间连接
纵向隔板抗弯；
横向隔板抗扭；
斜向隔板抗弯扭
24
加强肋设计
• 床身加强筋形式
斜肋板 纵、横向组合肋
斜肋+纵向肋 米字形肋
25
加强肋设计
• 立柱内壁筋板布置形式
直肋 三角形肋
蜂窝形箱 米字肋
铸件外表上肋的厚 度:0.8s 铸件内腔中肋的厚 度:(0.6～0.7)s 肋的高度：≤5s
机床支承件结构设计
1
主要内容
1 机床支承件概述 2 支承部件设计流程
2
机床支承件概述 • 功能要求 • 功用与结构特征 • 基本设计要求 • 支承件材料选择 • 设计方法
3
机床支承件概述 功能要求
• 尺寸容量
– 包容工件轮廓尺寸和最大行程
• 性能要求
– 静刚度高、动刚度好、热变形小、导轨受力合理
7
机床支承件概述
设计方法
设计方法 最常用 原则说明 类比设计 依据经验改良；
简单、实用
应用范围
灰铸铁床身或由铸件 改为焊件设计
力学设计 用古典力学原理进 焊件刚度定性设计； 行刚度设计 类比设计的验核计算
有限元法设 计
依据固体力学的能 量原理进行近似分
析、计算
大型精密、高精密机 床
8
机床支承部件一般设计流程
• 技术及经济效率
– 操作安全方便、易于维修、低成本、高效制造装拆
• 外观造型要求
– 明快、简洁、俊秀、直线方角
4
机床支承件概述 功用与结构特征
• 支承件功用
–支承作用—放置部件，承受力 –基准作用—各部件间的相互位置关系和相对运
动轨迹 –尺寸容量—包容工件的轮廓尺寸，满足行程
• 结构特征
–空间板系组合结构 –空间力系载体
信息 搜集
初定 方案
方案 细化
➢机床布局 ➢大件尺寸 ➢结构形式
➢组合支承 ➢布局形式 ➢分配刚度 ➢大体尺寸 ➢大致结构
➢方案分析 ➢性能校核 ➢确定尺寸 ➢细化结构
9
机床支承部件具体设计流程
确定形 体尺寸
整体布局
刚度设计
截面形状、 窗口和壁厚
设计
加强肋 设计
分析 校核
连接结 构设计
细节 设计
10