第5章支承件、导轨设计

支承件的功能和应满足的基本要求
主要功能：保证机床各零、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。
应满足下列要求：
足够的刚度和较高的刚度—质量比。 较好的动态特性，包括较大的位移阻抗（动刚度）和
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钢板焊接结构
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％。 缺点：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。
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铸铁
一般支承件用灰铸铁，在铸铁中加入少量合金元素可提 高耐磨性。
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。
缺点：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。
增韧剂用来提高韧性，提高抗冲击强度和抗弯强度。
骨料可分为细骨料（河沙、硅沙）和粗骨料（卵石、花岗岩、 石灰石等碎石）。
油和水等液体易渗入晶界中，使表面局部变形胀大，难于制 作复杂的零件。
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树脂混凝土
树脂混凝土与普通混凝土不同，它是用树脂和稀释剂代替水 泥和水，将骨料固结成为树脂混凝土，也称人造花岗岩。
采用合成树脂为粘接剂，加入固化剂、稀释剂、增韧剂等将 骨料固结而成。
稀释剂的作用是降低树脂的粘度，使浇铸时有较好的渗透力， 防止固化时产生气泡。
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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°。 小型数控车床采用45°, 60°的较多。中型卧式 车床采用前倾床身、前倾拖板布局形式较多，其 优点是排屑方便，不使切屑堆积在导轨上将热量 传给床身而产生热变形；容易安装自动排屑装置； 床身设计成封闭的箱形，能保证有足够的抗弯和 抗扭强度。
具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金属。
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机床的类型
以切削力为主的中小型机床 以移动件的重力和热应力为主的精密和高精密
机床 重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床
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机床的布局形式对支承件形状的影响
卧式数控车床的布局形式 a）平床身 b)后倾床身 c）前倾拖板 d)前倾床身
立柱肋条布置图
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支承件肋条的布置
局部加强肋 a)底板加强肋 b)导轨加强肋
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局部增设肋条，提高 局部刚度。a表示在支 承件的固定螺栓、联 接螺栓或地脚螺栓处 的加强肋。图b为床身 导轨处的加强肋。
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支承件的材料
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
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支承件的形状
箱形类: 支承件在三个方向的尺寸上都相差不多， 如各类箱体、底座、升降台等。
板块类: 支承件在两个方向的尺寸上比第三个 方向大得多，如工作台、刀架等。
梁类: 支承件在一个方向的尺寸比另两个方向 大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。
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支承件的截面形状和选择
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。 热稳定性好。 排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。
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支承件的结构设计
首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形 状。
综合考虑其工艺性。 初步决定其形状和尺寸。 进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性。 修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支承件
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天然花岗岩
优点：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精度和表面粗糙 度。
用于三坐标测量机、印制电路板数控钻床、气浮导轨基座等。 缺点：是结晶颗粒粗于钢铁的晶粒，抗冲击性能差，脆性大，
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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、立柱等支承件。
刚度和阻尼比铸铁大几倍，抗振性 好，成本较低。
钢筋的配置对支承件影响较大。
缺点：脆性大，耐腐蚀性差，油渗 入导致材质疏松，所以表面应进行 喷漆或喷涂塑料。
数控车床的底座和床身示意图 1一混凝土床身 2一内封沙芯
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。
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支承件肋板的布置
肋板：加强支承件的自身和整体刚度。
肋板布置图 a）正方形 b) X形
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。
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支承件肋板的布置
两种结构抗弯和抗扭 刚度都很高。应用于 受复杂的空间载荷作 用的机床。如加工中 心、镗铣床等。
立式加工中心立柱 a)菱形加强肋 b) X形加强肋
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支承件肋条的布置
一般将肋条配置于支承 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。
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。
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不同截面的抗弯抗扭惯性矩
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不同截面的抗弯抗扭惯性矩
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。