第七章 支承件设计

截面形状与惯性矩的关系(截面积＝ 截面形状与惯性矩的关系(截面积＝10000mm2）
序号 1 5 7
截面 形状
惯性矩 抗弯 相对值 抗扭
1.0 1.0
1.04 0.88
4.17 0.44
圆形截面的抗扭刚度好，而抗弯刚度较差； 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。 形截面正相反。 矩形截面的抗弯刚度＞方形截面。因此， 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。 弯矩为主的支承件截面应采用矩形。
2、合理布置隔板（肋板）— 提高支承件的自身刚度 合理布置隔板（肋板）
定义：在支承件两外壁之间起连接作用的内板。 两外壁之间起连接作用的内板 定义：在支承件两外壁之间起连接作用的内板。
薄壁封闭截面的支承件
使用条件 非全封闭截面的支承件
支承件截面形状和尺寸受到结构上的限制
目的 将支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，使它 将支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板， 们均衡地承担载荷； 们均衡地承担载荷； 将外壁的弯曲变形转化为隔板的拉伸和压缩变形， 将外壁的弯曲变形转化为隔板的拉伸和压缩变形， 从而阻止外壁的弯曲变形。 从而阻止外壁的弯曲变形。
四、支承件的材料
铸铁 钢 天然花岗岩 预应力钢筋混凝土 树脂混凝土
常用材料
1、铸铁（灰铸铁） 铸铁（灰铸铁）
铸造性能好，容易获得复杂形状； 铸造性能好，容易获得复杂形状； 内摩擦大，阻尼系数大，振动衰减性好； 内摩擦大，阻尼系数大，振动衰减性好； 成本低，制造周期长； 成本低，制造周期长； 适用于大批大量生产的机床支承件。 适用于大批大量生产的机床支承件。 大批大量生产的机床支承件
2、 钢
生产周期短，省去制作木模和铸造工艺； 生产周期短，省去制作木模和铸造工艺； 无截面形状限制，可焊成封闭件，刚性好； 无截面形状限制，可焊成封闭件，刚性好； 可根据受力情况布置或增加隔板、加强筋， 可根据受情况布置或增加隔板、加强筋，提高 刚度； 刚度； 固有频率高； 固有频率高； 在刚度相同时，壁厚可为铸铁一半，重量轻； 在刚度相同时，壁厚可为铸铁一半，重量轻； 阻尼约为铸铁的l/3 抗振性较差； 阻尼约为铸铁的l/3，抗振性较差； l/3， 适用于单件、小批，大型、 适用于单件、小批，大型、重型或有特殊要求的 单件 支承件。 支承件。
卧式床身常见截面形状
三面封闭式截面．主要用于无升降台铣床、 (a) 三面封闭式截面．主要用于无升降台铣床、龙门铣床及龙 门刨床等，因不需要从床身排屑，所以顶面封闭。 门刨床等，因不需要从床身排屑，所以顶面封闭。 三面封闭的截面，内部可用于存储润滑油或冷却液， (b) 三面封闭的截面，内部可用于存储润滑油或冷却液，安装 传动机构，主要用于载荷较小的机床，如磨床等。 传动机构，主要用于载荷较小的机床，如磨床等。 两面封闭式截面，便于排除切屑和冷却液，但刚度较低， (c) 两面封闭式截面，便于排除切屑和冷却液，但刚度较低， 常用于中小型车床。 常用于中小型车床。 重型机床的床身截面，有三个床壁，适于承受重载。 (d) 重型机床的床身截面，有三个床壁，适于承受重载。
双柱立式 坐标镗床
3、静力分析 、
受力情况 受力变形 竖直面内 的弯矩和 弯曲变形
Fz
Fy Fz Fy
水平面内 的弯矩和 弯曲变形 横截面内 的转矩和 扭转变形
受力情况
受力变形 竖直面内 的弯矩和 弯曲变形
变形影响
Fz
竖直面内变形可忽略不计。 竖直面内变形可忽略不计。
Fy Fz Fy
水平面内 的弯矩和 弯曲变形 横截面内 的转矩和 扭转变形
类 型 主要 载荷 可忽略 载 荷 适用 机床 中、小型机床 切削力 工件重量、 工件重量、移动 部件重量 中型车床、铣床、 中型车床、铣床、 钻床、 钻床、加工中心 精密和高 精度机床 移动件重力、 移动件重力、 热应力 切削力 重型车床、 重型车床、落地 镗铣床、 镗铣床、龙门式 机床 大型机床 切削力、 切削力、工件和 移动部件重力
活动接触面
影响因素 接触面的几何精度 配磨或刮研 接触面的表面粗糙度 增加实际接触面积 措施 目的 接触点分布均匀
固定接触面
变形位置 接触面的接触变形 固定螺钉的变形 支承件连接凸缘的 局部变形 措施 提高接触面的表面粗糙度 增加固定螺钉的直径和数量 选择适当的连接结构（图） 选择适当的连接结构（
支承件连接部位的形式
箱体
拖板
床身
箱体（床脚） 箱体（床脚）
数控车床支承件
自身刚度
静刚度
具有足够的静刚度和 较高的刚度—重量比 较高的刚度 重量比 抵抗受迫振动 抵抗自激振动
局部刚度 接触刚度
抗振性 基 本 要 求
热变形
具有较好的热变形特性。 具有较好的热变形特性。
内应力 其他 方面
具有较小的内应力。 具有较小的内应力。
数控车床床身截面
3、合理开孔和加盖— 提高支承件的自身刚度 合理开孔和加盖—
原因：为了安装机件和清沙， 原因：为了安装机件和清沙，在支承件外壁及隔板 上需做出各种窗孔；其形状、大小和位置，将影响 上需做出各种窗孔；其形状、大小和位置， 支承件的刚度，尤其是抗扭刚度。 抗扭刚度。 支承件的刚度，尤其是抗扭刚度 开孔的位置大小： 开孔的位置大小：一般要求开孔在支承件壁几何中心 附近或在中心线附近交叉布置，孔宽和孔径以不大于 附近或在中心线附近交叉布置， 壁宽的0.25倍为宜 壁宽的0.25倍为宜。 倍为宜。 加盖： 加盖：
截面形状与惯性矩的关系(截面积＝ 截面形状与惯性矩的关系(截面积＝10000mm2）
序号 1 2 3 4
截面 形状
惯性矩 抗弯 相对值 抗扭
1.0 1.0
3.2 3.2
5.03 5.03 0.7
从表中可看出： 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， 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。 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 保持横截面不变，加大外廓尺寸，减少壁厚， 抗弯、抗扭刚度。 抗弯、抗扭刚度。 封闭截面比不封闭截面刚度大。 3) 封闭截面比不封闭截面刚度大。
3、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 大几倍，抗振性好， 低。 脆性大，耐腐蚀性差，油渗 脆性大，耐腐蚀性差， 入导致材质疏松； 入导致材质疏松； 表面需进行喷漆或喷塑处理。 表面需进行喷漆或喷塑处理。 适用于受载均匀、截面积大、 适用于受载均匀、截面积大、 受载均匀 减振要求高的支承件。 减振要求高的支承件。
一、定义、功用和基本要求 定义、
1、定义：床身、立柱、横梁、底座等尺寸大、重量 定义：床身、立柱、横梁、底座等尺寸大、 大的零件。 大的零件。 2、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； 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、 有时容纳变速机构、电动机、电气箱、切削液、润 滑油等。 滑油等。
未加斜向隔板的变形情况
加斜向隔板的变形情况
普通车床斜向隔板的布置
普通车床床身隔板的布置
车床床身的几种隔板形式
高速、强力切削车床及数控车床床身隔板的布置 高速、强力切削车床及数控车床床身隔板的布置 刚度 排屑
关键问题 措施： 措施：
主体部分采用封闭截 面，不但提高了刚度， 不但提高了刚度， 且能自由排屑，但铸造 且能自由排屑， 较困难； 较困难； 将导轨做成倾斜的。 将导轨做成倾斜的。
机床立柱（立式床身） 机床立柱（立式床身）常见截面形状
(e) 圆形截面抗扭刚度高，抗弯刚度差，适于载荷不大的机床， 圆形截面抗扭刚度高，抗弯刚度差，适于载荷不大的机床， 如摇臂钻床、台式钻床等。 如摇臂钻床、台式钻床等。 对称方形截面，内部有加强筋和隔板．抗弯抗扭刚度都很高， (f) 对称方形截面，内部有加强筋和隔板．抗弯抗扭刚度都很高， 用于承受复杂的空间载荷，如铣床和镗床的立柱。 用于承受复杂的空间载荷，如铣床和镗床的立柱。 对称矩形截面，抗弯刚度高，用于承受弯曲载荷较大的机床， (g) 对称矩形截面，抗弯刚度高，用于承受弯曲载荷较大的机床， 如中、大型单轴或多轴立式钻床、组合机床等。 如中、大型单轴或多轴立式钻床、组合机床等。 矩形截面，内部设有加强筋，抗弯刚度高， (h) 矩形截面，内部设有加强筋，抗弯刚度高，主要用在龙门机 床上。 床上。
第七章
支承件设计
本章基本要求与重点： 本章基本要求与重点： 1、掌握支承件受力变形及其对工件加工精度的 、 影响； 影响； 掌握提高支承件静刚度的措施； 2、掌握提高支承件静刚度的措施； 了解隔板、加强筋的分类及各自的特点； 3、了解隔板、加强筋的分类及各自的特点； 4、了解支承件常用的材料及其特性。 、了解支承件常用的材料及其特性。
水平面内的变形近似1∶ 水平面内的变形近似 ∶1 地反映到工件半径误差上； 地反映到工件半径误差上； 且各处的变形量不同， 且各处的变形量不同，使 工件产生腰鼓形。 工件产生腰鼓形。
扭转变形同水平面内的变 形相近。 形相近。
结论：应根据水平面内的弯曲变形、 结论：应根据水平面内的弯曲变形、扭转变形进行 结构设计。 结构设计。
类型及其作用 纵向隔板: 布置弯曲平面内（见下图（ 纵向隔板: 布置弯曲平面内（见下图（a）） 作用：提高抗弯刚度。 作用：提高抗弯刚度。
纵向隔板的布置
横向隔板：将支承件的外壁横向连接起来。 横向隔板：将支承件的外壁横向连接起来。 作用：提高抗扭刚度。 作用：提高抗扭刚度。 斜向隔板：提高抗弯、抗扭刚度。 斜向隔板：提高抗弯、抗扭刚度。
开孔和加盖对刚度的影响
4、合理布置加强筋 — 提高支承件的局部刚度
位置：配置在支承件的内壁上。 位置：配置在支承件的内壁上。 目的：减小载荷较集中结构处的局部变形和薄壁振 目的： 动，提高支承件的局部刚度。 提高支承件的局部刚度。 形式