机械制造装备设计方案第三章习题答案(关慧贞)

第三章典型部件设计1.主轴部件应满足那些基本要求？答：主轴部件应满足的基本要求有旋转精度、刚度、抗振性、温升热变形和精度保持性等。

主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。

旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。

主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义，主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。

主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。

主轴部件的振动会直接影响工件的表面加工质量，刀具的使用寿命，产生噪声。

主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力，必须提高其耐磨性。

2.主轴轴向定位方式有那几种？各有什麽特点？适用场合答：<1）前端配置两个方向的推力轴承都分布在前支撑处；特点：在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合：用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。

<2）后端配置两个方向的推力轴承都布置在后支撑处；特点：发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围：用于普通精度机床、立铣、多刀车床。

<3）两端配置两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支撑处；特点：这类配置方案当主轴受热伸长后，影响轴承的轴向间隙，为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀；适用范围：用于短主轴，如组合机床。

<4）中间配置两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧；特点：此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。

3.试述主轴静压轴承的工作原理答：主轴静压轴承一般都是使用液体静压轴承，液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。

静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和轴承间隙中，利用油的静压压力支撑载荷、轴颈始终浮在压力油中。

所以，轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。

静压轴承与动压轴承相比有如下优点：承载能力高；旋转精度高；油膜有均化误差的作用，可提高加工精度；抗振性好；运转平稳；既能在极低转速下工作，也能在极高转速下工作；摩擦小，轴承寿命长。

定压式静压轴承的工作原理如下图所示，在轴承的内圆柱孔上，开有四个对称的油腔1~4。

油腔之间由轴向回油槽隔开，油腔四周有封油面，封油面的轴向宽度为a，轴向宽度为b。

液压泵输出的油压为定值P的油液，分别流经节流器T1、T2、T3和T4进入各个油腔。

节流器的作用是使各个油腔的压力随外载荷的变化自动调节，从而平衡外载荷。

当无外载荷作用<不考虑自重）时，各油腔的油压相等，即p1=p2=p3=p4，保持平衡，轴在正中央，各油腔封面与轴颈的间隙相等，即h=h1=h2=h3=h4，间隙液阻也相等。

当有外载荷F向下作用时，轴颈失去平衡，沿载荷方向偏移一个微小位移e，油腔3间隙减小，即h3=h-e，间隙液阻增大，流量减小，分流器T3的压力降减小，因供油压力P是定值，故油腔压力P3随之增大。

同理，上油腔1间隙增大，即h1=h+e，间隙液阻减小，流量增大。

节流器T1的压力降增大，油腔压力P1随之减小。

两者的压力差Δp=p3-p1，压力差将主轴推回中心以平衡外载荷F。

4.试分析图3－114中，所示三种主轴轴承的配置型式的特点和适用场合。

答：<1）46000为圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承承受轴向负荷的能力取决于接触角，即外圈滚道角度，角度越大，轴向负荷能力也越大；3182100是双列向心圆柱滚子轴承，这种轴承承载能力大，摩擦系数小，温升低，但不能承受轴向力。

这种配置方式主要在后面的轴承承受轴向力，因此相当于后端配置，这种配置的特点是发热小、温度低，主轴受热后向前伸长，影响轴向精度；适用范围是用于普通精度机床、立铣、多刀车床。

这种配置方式主要在前段的轴承承受轴向力，因此这种轴承配置相当于前端配置；这种配置的特点是在前支撑处轴承较多，发热大，升温高；但主轴承受热后向后伸，不影响轴向精度；适用场合是用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。

2268000是双向推力向心球轴承，因此这种配置相当于中间配置，这种配置的特点是两个方向的推力轴承配置在前支撑后侧，此方案可减少主轴的悬伸量，使主轴热膨胀后向后伸长，但前支撑结构复杂，温升可能较高。

5.按图3－115中的主轴部件，分析轴向力如何传递？间隙如何调整？答：轴向力传递如下图所示调整主轴上的后螺母可消除后止推轴承的轴向间隙和角接触球轴承的径向和轴向间隙；调整主轴上的前螺母可消除前部双列向心圆柱滚子轴承的径向间隙，继续调整主轴上的后螺母，将主轴向后拉可消除前部止推轴承的轴向间隙。

6.试检查图3－116所示主轴部件中有否错误；如有，请指出错在那里？应怎样改正？用另画的正确简图表示出来。

答：有多处错误，主轴前端的双列向心圆柱滚子轴承间隙不能调整；大齿轮应靠主轴前支承，主轴上有轴向力不能用弹性档圈定位，应改为螺母定位锁紧；中间支承应用向心球轴承或圆柱滚子轴承；主轴后支承两个圆锥滚子轴承应大口朝外；没有考虑密封和润滑。

试设计一主轴部件，前支承用两个圆锥滚子轴承承受径向力和双向轴向力，后支承用一个双列圆柱滚子轴承，画出前后支承部分的结构简图。

8.在支承件设计中，支承件应满足那哪些基本要求？答：支撑件应满足的下列要求：1）应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。

应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗<动刚度）和阻尼；整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构共振；不会因薄壁振动而产生噪声。

3）热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小。

4）排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。

9.支承件常用的材料有哪些？有什麽特点？答：支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、大然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等。

<1）铸铁铸铁铸造性能好、容易获得复杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦力人，阻尼系数大，使振动衰减的件能好，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。

铸造支承件要进行时效处理，以消除内应力。

〔2）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％。

钢板焊唼结构的缺点是钢板材料内摩檫阻尼约为铸铁的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。

(3）预应力钢筋混凝土预应力钢筋混凝土主要用于制作不常移动的大型机械的机身、底座、立注等支承件，预应力钢筋混凝土支承件的刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性好，成本较低。

用钢筋混凝土制成支承件时，钢筋的配置对支承件影响较大。

一般三个方向都要配置钢筋、总预拉力为120〜150KN。

缺点是脆性大，耐腐蚀性差，油渗入导致材质疏松，所以表面芘进行喷漆或喷涂塑料。

(4）天然花岗岩天然花岗岩性能稳定，精度保持性好，抗振性好、阻尼系数比钢大15倍，耐磨性比铸铁高5〜6倍，导热系数和线胀系数小，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘合，加工方便，通过研磨和抛光容易得到很高的靖度和表面粗糙度。

(5）树脂混凝土树脂混凝土特点是：刚度高；具有良好的阻尼性能，阻尼比为灰铸铁的8〜10倍，抗振性好；热容量大，热传导率低，导热系数只为铸铁的1/25〜1/40，热稳定性高，其构件热变形小；比重为铸铁的1/3，质量轻；可获得良好的几何形状精度，表面精糙度也较低；对切削油、润滑剂、冷却液有极好的耐腐蚀性；与金属粘接力强，可根据不同的结构要求，预埋金属件，使机械加工量减少，降低成本；浇注时无大气污染；生产周期短，工艺流程短；浇注出的床身静刚度比铸铁床身提高16％〜40％。

总之它具有刚度高、抗振性好、耐水、耐化学腐蚀和耐热特性。

缺点是某些力学性能低，但可以预埋金属或添加加强纤维。

对于高速、高效、髙精度加工机床具有广泛的应用前景。

10.根据什麽原则选择支承件的截面形状，如何布置支承件上的筋板和筋条？答：支承件的截面形状的选择原则主要有以下几个方面：1）无论是方形、圆形或矩形，空心截面的刚度都比实心的大，而且同样的断面形状和相同大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。

所以为提高支承件刚度，支承件的截面应是中空形状，尽可能加大截面尺寸，在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。

当然壁厚不能太薄，以免出现薄壁振动。

2〕圆<环）形截面的抗扭刚度比方形好，面抗弯刚度比方形低。

因此，以承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形，并以其髙度方向为受弯方向；以承受扭矩为主的支承件的截面形状应取圆<环）形。

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。

设计时应尽可能把支承件的截面作成封闭形状。

但是为了排屑和在床身内安装一些机构的需要，有时不能作成全封闭形状。

筋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筋板的布置取决于支承件的受力变形方向，其中，水平市置的筋板有助于提高支承件水平面内弯曲刚度；垂直放置的筋板有助于提高支承件垂直面内的弯曲刚度；而斜向筋板能同时提高支承件的抗弯和抗扭刚度。

筋条配置于支承件某一内壁上，主要为了减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度。

筋条可以纵向、横向和斜向，常常布置成交叉排列，如井字形、M字形等。

必须使肋条位于壁板的弯曲平面内，才能有效地烕少壁板的弯曲变形。

筋条厚度一般是床身壁厚的3.7〜0.8倍。

11提高支承件结构刚度和动态性能有哪些措施？答：(1）提高支承件的静刚度的主要方法有根据支承件受力情况合理地选择支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合理地布置肋板和筋条，以提髙结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。

<2）提高动态特性的方法主要有改善阻尼特性，对于铸铁支承件，铸件内砂芯不清除，或在支承件中填充型砂或混凝土等阻尼树料，可以起到减振作用。

对于焊接支承件、除了可以在内腔中填充混凝土减振外，还可以充分利用接合面间的摩擦阻尼来减小振动。

即两焊接件之间留有贴合而未焊死的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦起阻尼作用，使振动减小。

间断焊缝虽使静刚度有所下降，但阻尼比大为增加，使动刚度大幅度增大。

在支承件表面采用阻尼涂层，能获得较卨的阻尼比，既提高了抗振性，又提髙了机床对噪声辐射的吸收能力。

采用新材料制造支承件如树脂混凝土材料它具有刚性高、抗振性好、热变形小、耐化学腐浊的特点，可以使动刚度提高几倍。