第5章支承件

这两个方向的尺寸 不宜相差太大。 ③ 摇臂靠近立柱处的根部弯矩最大，往自由端逐渐
减小，故摇臂的截面 也是越靠近根部越大。
（2 ）内柱
? 主要承受（ yz和xz面内的）弯矩， 越靠近下支承点 F处，弯矩越大。 F 处到根部弯矩不变。
? 故内立柱在上、下支承间一段 CF应上细下粗。 F处到根部可 做成等截面。
（3）外柱 为摇臂升降的导向面，故常制成 圆柱形。
（4）主轴中心与摇臂的中心面越近，则力臂 e越小，扭矩M2=Ff·e也越小。所以设计主 轴箱时应使主轴中心尽量接近导轨。
2、合理布置隔板
（1）隔板： 在支承件两外壁间起连接作用的内壁。 （2）隔板的作用： 把作用于支承件局部地区的载荷
传递给其他壁板，从而使整个支承件承受载荷， 提 高支承件的自身刚度。 （3）当支承件不能做成封闭的截形时，则在其内部 设置隔板，以提高自身刚度。 设置隔板是提高刚度 的有效方法之一，其效果比增加壁厚更为显著。
?设计车床床身时，主要应提高水平面内的弯曲 刚度；
?在设计长床身时，也要注意提高扭转刚度。
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摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁。
1 、摇臂的受力分析
（1）yz平面内：
最大 弯矩 M1=F f·L ， 使摇臂产生 弯曲变形 。
（2）xz平面内: 绕y轴的扭矩 M2= Ff·e，使摇臂产生 扭转变形 。 （3）xy平面内：
机械制造装备设计
第五章 支承件设计
浙江师范大学
第五章 支承件
内容： 机床支承件的功用、分类、应满足的要求; 支承件的受力分析、结构设计。 要求： 对机床大构件具有结构分析及初步的设计能力。
第一节 支承件的功用、基本要求和设计步骤
? 支承件：是机床的基础构件 ，包括床身、立柱、
横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降 台等。也称为“大件”。
5.1.1 功用 ?支承其上的其他零部件 ； ?保证并保持各零部件的相互位置和相对运动关系 ； ?承受切削力、摩擦力、夹紧力等载荷； ?有时容纳变速机构、电动机、电气箱、切削液、润 滑油等。
5.1.2 对 支 承 件 的 基 本 要 求
静刚 度
抗振 性
热变 形
内应 力
其他 方面
具有足够的静刚度和 较高的刚度—重量比
抵抗受迫振动 抵抗自激振动
自身刚度 局部刚度 接触刚度
具有较好的热变形特性。
具有较小的内应力。
排屑、操纵、油液回收、加工及 装配工艺性、吊装等。
1、性能要求
（1）应具有足够的静刚度、较高的刚度 —重量比。 （2）应具有较好的动态特性。 ? 支承件的固有频率 不致与激振频率重合而 产生共
振； ? 应具有较大的动刚度 （激振力的副值与振副之
序号
1
5
7
截面 形状
惯性矩 抗弯
1.0
相对值 抗扭
1.0
1.04
4.17
0.88
0.44
4) 圆形截面的抗扭刚度好，而抗弯刚度较差；而方形截面正相反。
5) 矩形截面的抗弯刚度＞方形截面。因此，以承受弯矩为主的支承件截面 应采用矩形。
结论
（1）截面积相同时， 空心截面的刚度大于实心的。
（2）加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度 。 （3）抗弯刚度：矩形 >方形>园形，
1．自身刚度
（1）自身刚度：在外载荷作用下，支承件本 体抵抗变形的能力。
（2）自身刚度主要应考虑弯曲刚度和扭转刚 度。
（3）主要决定于支承件的材料、形状、尺寸、 隔板的布置等。
2 ．局部刚度
（1）局部刚度： 抵抗局部变形 的能力。 （2）局部变形发
生在载荷集中 的地方。
（3）局部刚度与支承件局部受载荷处的结构、尺寸 等有关。
一、提高支承件自身刚度的措施
1、正确选择支承件形状和尺寸
(1) 支承件的变形，主要是弯曲和扭转，与截面惯 性矩有关，即与截面形状有关。
(2) 材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩 相差很大。
(3) 提高支承件的刚度，必须选取有利的截面形状。
表11—2，截面积近似地皆为10000mm2八种不同截面形 状的抗弯和抗扭惯性矩的比较。
② 如自身刚度或局部刚度不足，则在集中载 荷作用下，构件变形较大，使接触压强分 布不均，使接触变形分布也不均，降低了 接触刚度。
第四节 支承件的结构设计
在支承件的结构设计中，应采取适当措施， 提高支承件的自身刚度、局部刚度和接触刚度。 一、提高支承件自身刚度的措施
正确选择支承件形状和尺寸 合理布置隔板 合理开窗、加盖
截面形状与惯性矩的关系(截面积＝10000mm2）
从表中可看出： 1）无论圆形、方形或矩形，都是空心截面的刚度比实心的大，因此，床身 截面应作成中空形状。 2）保持横截面不变，加大外廓尺寸，减少壁厚，可提高截面抗弯、抗扭刚 度。 3) 封闭截面比不封闭截面刚度大。
截面形状与惯性矩的关系(截面积＝10000mm2）
? 在弯曲变形中，水平面内的弯曲对加工精 度的影响比垂直面内的弯曲要大。对于较 长的床身，扭转变形对加工精度的影响最 大。
第三节 支承件的静刚度
支承件的变形
自身变形 局部变形 接触变形
? 例：床身
载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包 括床身自身的变形，导轨部分局部的变形，导 轨表面的接触变形。
三、摇臂钻床受力分析
（仅分析切削载荷:切削转矩T 、进给力 Ff）
立柱和摇 臂—— 梁类件； 底座—— 板类件； 主轴箱—— 箱形件。
?卧式车床床身的受力分析：
卧 式 车 床 床 身 的 受 力 分 析
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?工件两端分别支承在主轴和尾架的顶尖上
?刀尖上的切削力可分解成 Fx、Fy和Fz三个分力。
3．接触刚度
（1）接触刚度： 支承件的结合面在外载荷的作用 下抵抗接触变形的能力。
（2）两个平面接触，平面有一定的宏观不平度， 因而实际接触面积只是名义接触面积的一部分； 由于微观不平，真正接触的只是一些高点。
（3 ）接触刚度与自身刚度的不同点
①接触刚度 Kj (Mpa/um) 是平均压强 p与变形δ之比。
?由Fz将引起床身在垂直方向的弯矩为Mwz ?Fz的作用点到主轴中心线的距离为d/2（d
工件直径)
?在床身上还作用有扭矩
?Tnz=Fzd/2
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?在水平（ x-y）平面内
?Fy经刀架作用在床身上， 其反作用力 F3 和F4经工 件作用在主轴箱和尾架 上；
?由Fy将引起床身在水平方向的弯矩为 Mwy，由于Fy的作用 点到床身中心轴的距离为h，对床身还作用有扭矩：
(2)合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法。 (3)加强肋的高度可取为壁厚的 4～5倍，厚度与壁
厚之比为 0．8～1。
例
图a的肋用来提高轴承座处的局部刚度； 图b和图c为当壁板面积大于400×400mm2时，
为避免薄壁振动而在壁板内表面加的肋。其 作用在于提高壁板的抗弯刚度。 图d为立柱内的环形肋，主要用来抵抗截面形状的畸变。前 面的三条竖向肋主要用来提高导轨处的局部刚度。
②Kj不是一个固定值， δ 与p的关系是 非线性的。 ? 当压强很小时，两个面之
间只有少数高点接触，接触 刚度较低。 ? 当压强较大时，这些高点产生了 变形，实际接触面积增加，接触 刚度提高。
（4）支承件的自身刚度和局部刚度对接触压 强分布有影响。
① 如自身刚度和局部刚度较高，则接触压强 的分布基本上是均匀的，接触刚度也较高。
可以忽略。
结论：
? 立柱内、外层都以弯曲变形为主。立柱的 弯曲变形也将使主轴偏离其正确位置。
? 立柱的形状往往是圆形的，故Ml、M2两个 力矩中，只需考虑大的一个，一般为Ml =Ff·L。
四、普通车床床身受力分析
? 卧式车床床身在切削力作用下主要产生的 变形是垂直和水平面内的弯曲变形，及由 在垂直和水平方向的扭矩联合作用下的扭 转变形。
抗扭刚度：园形 >方形>矩形。 （4）不封闭的截面比封闭的截面，
刚度显著下降。 特别是抗扭刚度，下降更多 。
例：设计摇臂钻床支承件的原则
（1）摇臂：
主要是竖直(yz)面内的弯矩 M1=Ff·L、绕y轴的扭矩 M2=Ff·e，以 M1为主。 因此形状选择原则：
① 截面形Leabharlann 应为空心矩形。四周尽量封闭。 ② 竖向尺寸应大于横向尺寸。 但由于扭矩的存在，
二、根据支承件的形状分类
1、梁类件：一个方向的尺寸比另外两个方向的大
得多的零件。 如床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。
箱体
拖板 床身
箱体（床脚） 数控车床支承件
滑枕
2、板类件：两个方向的尺寸比第三个方向的 大得多的零件。
如底座、工作台、刀架等。
3、箱形件：三个方向的尺寸都差不多的零件。 如箱体、升降台等。
2、注意局部过渡
例，车床床身，由于床身的基本部分较薄而导轨较 厚，如设计成图 11-8a的形状，则在载荷 F的作用 下，导轨处易发生局部变形。 采用加厚的过渡壁，并加肋 (图b)，可显著地 提高导轨处的局部刚度。
3、合理配置加强肋（筋）
(1)有些支承件的内部要安装其它机构，不但不能封 闭，即使安装隔板也会有所妨碍，这时采用加强 肋来提高刚度。
二、重要支承件的设计步骤
1、进行受力分析。 2、初步决定其形状和尺寸。 3、进行验算。 4、修改、对比，选择最佳方案。
第二节 支承件的静力分析
一、根据机床所受的载荷的特点分类 1．中、小型机床： 载荷以切削力为主。 重量（工
件、移动部件）忽略不计。 如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。 2．精密和高精度机床： 载荷以移动件的重力和热 应力为主。 切削力较小（因以精加工为主）忽略 不计。 如双柱立式坐标镗床等。 3．大型机床： 载荷必须 同时考虑工件重力、切削 力和移动件的重力。 如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。