机床支承件设计(全)
机床支承件结构设计方案优化选择
机床支承件结构设计方案优化选择机床支承件是机床上承受加工力和转矩的重要部件，其设计方案的优化选择将直接影响机床的加工精度和稳定性。
在机床支承件结构设计方案优化选择时，需要综合考虑支承件的工作环境和加工工艺和所需的刚度、重量和成本等因素，以实现最优的设计方案。
首先，支承件的设计应该具有合适的工作环境适应能力。
机床工作环境一般具有高温、重载、高速等特点，支承件应该能够适应这些工作条件。
因此，在材料选择上，要选择能够承受高温和重载的合金钢、铸铁或其他高强度材料。
此外，在工作条件下，支承件还需要有良好的抗疲劳性能，以确保长期可靠的工作。
其次，支承件在加工精度上也具有重要的作用。
支承件的设计应尽量精确，以保证所制作的机床部件在加工过程中的精度和稳定性。
在支承件的设计中，采用优化结构和材料选用的方式可以有效地提高支承件的刚度和稳定性，增加维修和维护的周期，并降低使用成本。
在设计方案中，还需要考虑支承件的重量和成本。
过度的重量会影响机床的工作速度和稳定性，成本则是影响生产商可承受范围的因素之一。
一般来讲，支承件的设计需要在降低重量和降低成本之间实现平衡，以达到最合适的设计方案。
最后，在机床的加工工艺方面，机床支承件的设计还需要具备特定的形状和结构，以适应加工所需的工艺要求。
在此基础上，可以通过设计方案的调整，减小机床所需的加工工艺和时间，提高工作效率和稳定性。
综上所述，机床支承件结构设计方案的优化选择需要综合考虑工作环境、加工精度、成本和加工工艺等方面的因素。
在实际应用中，可以通过对各项因素进行权衡，选择最佳的设计方案，以提高机床的整体性能和使用寿命。
相关数据分析可以帮助我们更好地了解一个事物或现象的特点、趋势和影响因素。
以下是分析一组数据的示例：以某家电企业的销售数据为例，假设该企业在过去五年（2016-2020年）的销售人民币总额如下：2016年：10亿元2017年：11亿元2018年：12亿元2019年：14亿元2020年：13亿元首先，我们可以对这组数据进行简单的整体分析。
2 机床设计(支承件、导轨设计2-4)
2．机床的布局形式 不同的布局方式，支承件结构和形状不同。 3．支承件的形状 （1）箱形类：支承件在三个方向尺寸上相差不多，如各类 箱体、底座、升降台等； （2）板块类：支承件在二个方向尺寸上比第三个方向尺寸大的 多，如工作台、刀架等； （3）梁类：支承件在一个方向尺寸上比另两个方向大的多，如 立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。
1．空心截面的刚度比实心的大→床身截面应做成中空形式。
2．圆形（环形）截面的抗扭刚度比方形或矩形截面大；抗弯 刚度比方形小。 受弯矩为主的支承件的截面应用矩形（立钻、插床立柱）； 受扭矩为主的支承件应采用圆形（环形）的截面； 既承受弯矩又承受扭矩的支承件应采用近似正方形。
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。
隔离的地基上，或在液压马达、液压缸等热源外面加隔
热罩； 采用双层壁结构，其间有空气层。 3．温度均衡分布 设计时尽量减少支承件本身各部位的温差。
4．采用热补偿装置： （1）基本方法：在热变形的相反方向上采取措施，产
生相应的反方向热变形，使两者之间影响相互抵
消，减少综合热变形——转移掉。
（2）温度误差软件补偿——利用计算机和检测装置进
作用：↓局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的
局部刚度。
布局：纵向、横向和斜向，常布置成交叉排列。
①必须使筋条位于壁板的弯曲平面内；
②筋条厚度一般为床身壁厚的 0.7 ~ 0.8 倍；
③一般铸铁床身用井字形，焊接床身用米字形。 ④局部增设筋条，提高支承件的局部刚度。
加强筋的常见形式：
☆直线型加强筋：载荷较小窄壁上，刚性差。
（一）提高支承件刚度 （静刚度）和固有频率
1．合理选择支承件的材料、结构形状和尺寸、壁厚；
机床支承件结构设计PPT课件
• 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
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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
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整体布局
结 构 特 征 的 工 艺 性 特 征
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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
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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。
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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。
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整体布局—结构选择
数控机床受热变形与切入方向关系
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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
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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
机床支承件设计(全)
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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。
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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
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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
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意的基本要求，可依据机床的类型和布局形式合理地选择支承件的外形，理解支承件结构的设计特点、支承件材料及壁厚的合理选择，把握支承件截面外形选择的一般原则，以及提高支承件结构性能的合理措施等。
一、支承件的功能和应满意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。
支承件应满意的基本要求：1）具有足够的刚度和较高的刚度—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、吊运平安，结构工艺性良好。
二、支承件的结构设计设计支承件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的外形。
在满意机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。
还要依据其使用要求，进行受力和变形分析，再依据所受的力和其他要求进行结构设计，初步打算其外形和尺寸。
通过计算机对其进行有限元分析和计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计进行修改和完善，选出最佳结构形式。
既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减小质量，节省材料。
常见支承件的外形：1）箱形类；2）板块类；3）梁类。
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。
静刚度主要包括抗弯刚度和抗扭刚度，均与截面系数成正比。
支承件截面外形不同，即使同一材料、截面积相同，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，而且同样的截面外形和相同大小的面积，形状尺寸大而壁薄的截面，比形状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，特殊是抗扭刚度。
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。
肋板的布置方向取决于支承件的受力变形方向。
第3章 支承件设计_原第五章_
第三章支承件设计第一节概述一、支承件的功用支承件是机床的基本构件，主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。
这些大件的作用是支承其它零部件，保证它们之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。
机床切削时，支承件承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力等。
机床中的支承件有的互相固联在一起，有的在导轨上作相对运动。
导轨常与支承件做成一体，也有采用装配、镶嵌或粘接方法与支承件相联接。
支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。
因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义。
二、支承件的基本要求1. 刚度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。
前者称为静刚度，后者称为动刚度。
一般所说的刚度往往指静刚度。
支承件要有足够的静刚度，即在额定载荷作用下，变形不得超过允许值。
2. 抗振性抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。
抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。
抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。
3. 热变形机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化，产生热变形，从而影响机床的工作精度和几何精度，这一点对精密机床尤为重要。
因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。
4. 内应力支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。
在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。
支承件的设计应从结构和材料上保证其内应力要小，并应在焊、铸等工序后进行失效处理。
5. 其它支承件还应使排屑通畅，操作方便，调运安全，加工及装配工艺性好等。
支承件的性能对整台机床的性能影响很大，其重量约为机床总重的80%以上，所以应正确地对支承件进行结构设计，并对主要支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足对它的基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。
支承件
五、窗孔
(1)支承件外壁开窗孔，会降低抗弯、抗扭刚度，其 中抗扭刚度降低更大。应避免在主要承受扭矩的 支承件上开孔。
(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。
四、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
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。
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。
三、支承件的形状选择的原则
(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、合理选择螺钉尺寸、数量和布置 固定螺钉应在接触面上造成一个预压力。 通常应使接触面间的平均预压压强约为 2MPa。
八、壁厚
支承件的壁厚应根据工艺上的可能选择得薄一些。 按照目前的工艺水平，砂模铸造铸铁件的外壁厚可
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。
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。
机械制造装备设计(第2章 金属切削机床设计5-6 主轴&支承)
2.5.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式 （2）后端配置 两个方向的推力轴承都布置在后支承处。 这类配置方案前支承处轴承较少，发热小，
温升低；但主轴受热后向前伸长，影响轴向精度。 这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度
机床，如立铣、多刀车床等。
2.5.3 主轴部件结构设计
（二）推力轴承的位置配置型式 （3）两端配置 两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承
2.5.3 主轴部件结构设计
（三）主轴传动件位置的合理布置
合理布置传动件在主轴上的轴 向位置，可以改善主轴的受力情况 ，减少主轴变形，提高主轴的抗振 性。
主轴上传动件轴向布置时，应 尽量靠近前支承，有多个传动件时 ，其中最大传动件应靠近前支承。
2.5.3 主轴部件结构设计
（四）主轴主要结构参数的确定 主轴前、后轴径直径D1和D2，主轴内孔直径d，主轴前端悬 伸量a和主轴主要支承间的跨距L，这些参数将直接影响主 轴旋转精度和主轴刚度。
2.5.3 主轴部件结构设计 （一）主轴部件的支承数目 也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。
角接触 球轴承 背对背
安装
2.配置型式
（1）前端配置 两个方向的推力轴承都布置在前支承处。 这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大， 温升高；但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度 ，精度高，对提高主轴部件刚度有利。 这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精 度机床或数控机床。
离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组
件的制造和装配质量等。 刚度不足，影响机床的加工精 度、传动质量及工作的平稳性。
2.5.1 主轴部件应满足的基本要求
（3）抗振性：指抵抗受迫振动和自激振动的能力。 主轴振动有两种类型：
第四节 机床支承件
(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
第八章-数控机床支承及导轨
二、导轨的基本要求 ☞导向精度高 即动导轨沿支承导轨运动的直线度或
圆度高。 ☞耐磨、精度保持性好、寿命长。 ☞足够的刚度 保证在载荷作用下不产生过大变形，
从而保证各部件间的动态相对位置和导向精度。 ☞低速平稳性好 低速运动时动导轨容易产生爬行，
从而影响加工质量。 ☞良好的工艺性 在满足要求前提下，力求结构简单，
何精度、加工方法等有关。 3）支承件连接刚度与连接件(螺钉)刚度，支承件连 接处结构刚度及接触刚度等有关。 4）提高表面粗糙度，重要结合面采用刮研等可以提高接
触刚度。
5）支承件连接刚度与连接件(螺钉)刚度，支承件连紧固
螺钉布置在拉伸侧，可以提高抗弯刚度。 6）紧固螺钉四周均布，可以提高抗扭刚度。 3.支承件抗振性 1）支承件抗振性 即要求支承件具有较高的阻抗或动刚
三、滑动导轨截面形状组合 组合依据：载荷、导向精度、工艺性、润滑防护等 ➢ 双三角组合：磨损后 能自动补偿间隙，导向 精度高，工艺性差。高 精度机床采用，如坐标 镗，丝杆车床等。
➢ 双矩组合：工艺性好，承 载力强，导向精度低。侧导 向需设调整镶条，还需设置 压板，呈闭式。常用于普通 精度机床。 ➢ 三——矩(平)组合：磨损 后能自动补偿间隙，导向精 度高，工艺性较好，但热变形使滑板水平偏移而影响部件 位置精度，两导轨磨损不匀。常用于车床、磨床、精度密 镗床等。 ➢ 平—三—平：重型机床为了减少工作台中间扰度，采用 三导轨组合，三角导轨主要起导向作用，平导轨主要起承 载作用。
2.三角形导轨：磨损后间隙能自动补偿，导向精度高。一 般三角形顶角为90º，顶角越大，承载力越大，但导向 精度降低。精密机床可采用小于90º的顶角，以提高导 向精度。
3.燕尾导轨：工艺性较差，刚度低，承载能力差，磨损后 间隙不能自动补偿，需要采用间隙调整装置，但高度低。 燕尾夹角55º。
第七章 支承件设计
第七章支承件设计第一节支承件的功用和基本要求一、支承件的功用支承件——机身、机架、工作台、箱体等尺寸及质量较大的零件。
1）承受重力、切削力、惯性力、摩擦力等静、动态力；2）保证各部件之间的相对位置精度或运动精度；3）空心。
内部可安置各种较小的辅助装置。
二、基本要求1．足够的静刚度2．较高的刚度/ 质量比（支承件质量约占机床总质量的80 ~ 85%）3．良好的动态特性（抗振性和切削运动平稳性）4．较小的热变形和内应力5．支承件设计应便于制造、装配、维修、排屑、吊运等。
第二节支承件的受力和变形分析中型机床以切削力为主受力小型和精密机床以重力为主大型和重型机床重力+ 切削力图7-1和图7-2是两种中型机床的受力分析。
图7-1摇臂钻床的受力分析图7-2普通车床的受力分析主切削力（Z向）很大，所以，其造成的弯矩和转矩影响也很大；径向力（Y向）要小很多，但其造成的变形影响将1：1复制到工件上（见图7-7），因此不容忽视；轴向力（X向）也很小，从结构看，其造成的弯矩和转矩影响更小，所以在分析时忽略不计。
[注]①沿受力方向尺寸愈大，受弯矩影响造成的变形愈小；②被扭转轴沿轴向尺寸愈小，受转矩影响造成的变形愈小。
第三节支承件的静刚度和形状选择原则一、支承件的静刚度1．整体变形减小变形措施：①加大尺寸；②选择合理的截面形状；③设置隔板。
[注]加大尺寸是设计人员一般不愿意做的事情。
2．局部变形减小变形措施：①选择的截面形状应有利于防止受力变形和热变形②较小的实体尺寸并设置加强筋。
3．接触变形减小变形措施：①加工去除局部高点；②“跑合”；③施力压紧。
二、刚度的折算和比较三、提高支承件的自身刚度1．正确选择截面的形状和尺寸表7-1中，各个截面的实体面积均相同（100cm²）①受力方向：图中均为自上而下的作用力；②外轮廓尺寸相近，但形状不同；如圆形与方（矩）形比较：圆形抗扭好些，方形抗弯好些。
③形状相同，但外轮廓尺寸不同；（壁厚大于一定值时）外轮廓尺寸越大，抗扭抗弯能力均更好。
第八章 支承件
3、接触刚度：支承件各接触面抵抗接触变形的能力。 实际接触面积只是名义接触面积的一部分，又由于 微观不平，真正接触的只是一些高点，见图11-4a。 接触刚度与构件的自身刚度有两方面的不同： 1）接触刚度Kj是平均压强p与变形δ之比。 Kj=p/δ（Mpa/um） 2）接触刚度Kj不是一个固定值，即p与δ的关系是非线 性的。考虑到非线性，接触刚度应定义为： Kj=dp/dδ 或 Kj=Δp/Δδ 但在实际中，我们希望Kj是一个固定值，以便使用 上的方便。 接触面的表面粗糙度、微观不平度、材料硬度、预 压压强等因素对接触刚度的影响都很大。
• 适当加大散热面积，加设散热片，发热较多的部件应使其周 围空气流动畅通，等都能改善散热条件。 • 隔离热源是减少热变形的一个有效措施 • 例:单柱坐标镗床，电动机外有隔热罩，立柱后壁设进气口， 顶部有排气口，电动机风扇使气流向上运动，图中箭头所示， 与自然通风气流一致，以加强散热。
2、均热
• 由于支承件各处受热情况不同，质量不均，使各部位的温度 不均，热膨胀也就不均，不均匀的热膨胀对加工精度的影响 更大，因此要考虑均热问题。 • 例如车床床身，可以用改变传热路线的办法来减少温度不均。
3、使热变形对精度影响较小
• 同样的热变形，由于结构形式不同，对精度的影响 是不同的。 • 例如单柱卧式坐标镗床，由于主轴箱温升，引起立 柱前、后壁温度不同，将使主轴轴线产生位移。 • 如果采用双柱对称结构，就可使热变形对主轴轴线 位移的影响大大减少。
一、机床和支承件的热变形 • 机床工作时存在各种热源，如电动机。液压系 统、切削热和摩擦热 热变形对于普通中小型机床加工精度的影响不 太明显。 • 但对精密机床、自动机床及重型机床加工精度 的影响却很大。
二、提高支承件的热变形特性
机床支承件结构设计方法研究
机床支承件结构设计方法研究作者：白义楚海啸来源：《科学与财富》2015年第27期摘要：随着计算机技术的发展和结构分析与优化软件的普遍应用，机械结构设计已逐渐趋向于数字化设计。
特别是在航空航天、汽车、造船及国防兵器等装备制造业，以有限元法为代表的数字化结构分析、设计与优化手段己得到广泛应用。
机床支承件结构设计的目的是以最低的成本获得性能最佳的支承件结构，最终提升机床整机的综合性能。
由于设计阶段决定了整个产品成本和质量的80%左右，其后的改进和优化措施影响有限，所以设计对于产品的重要性不言而喻。
关键词：支撑件；结构设计；方法1.支承件结构设计方法支承件结构设计方法主要有三种：经验类比法和力学方法和数字化设计方法。
1.1经验类比法经验类比法是一种改良性质的传统设计方法，便捷而实用，但需要以大量积累的经验为基础。
设计人员对已有机床支承件进行小范围的改进或者根据类似机床支承件结构提出设计方案，设计全新的支承件。
类比法不是简单的复制和模仿已有的结构设计，作为一种设计方法，它的成功通常离不开力学理论的分析、校核和大量的模型试验及实物试验的验证。
类比法主要适用于床身等铸造大件的设计。
1.2力学方法力学设计方法主要针对机床的整体刚度，利用力学理论（如材料力学、结构力学和弹性力学等）对机床进行刚度设计。
通过支承件的合理布局，减小其所受弯矩和扭矩，对支承件进行应力应变的物理性能分析。
进而确定支承件材料，整体结构形式，设计参数及筋板的布置形式。
通常力学设计方法同样还需较多的试验验证和结构改进。
相对于类比法，力学方法已表现出其优越性，走出了模仿的阶段，设计自主性得到了提高。
力学设计方法主要用于机床支承件焊接结构的设计。
1.3数字化设计方法（有限元法）数字化设计属于计算机辅助分析（CAA）和辅助设计（CAD）的范畴。
当前，有限元法是最具有代表性和应用范围最广的数字化设计方法。
在进行机床支承件的结构设计时，有限元法集结构性能分析、结构拓扑优化和尺寸优化于一体，几乎贯穿了从概念设计到性能验证的全过程。
机床支承件设计
（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
(1) 设图a的一般凸缘连接，相对连接刚度为1.0 (2) 图b有加强筋的凸 缘连接为1.06 (3) 图c凹槽式为1.80 (4) 图dU型加强筋结构 为1.85
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。
（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、 肋板的布置等。
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。
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，
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：
数控机床支承件
数控机床支承件
1、对床身结构的基本要求
机床的床身一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件，要求：
1）很高的精度和精度保持性
2）应具有足够的静、动刚度
3）较好的热稳定性
2、床身结构和刚度
床身的结构对机床的布局有很大影响。
床身是机床的主要承载部件，是机床的主体。
根据床身导轨面与水平面的相对位置，床身可分为午床身、斜床身、乎床身斜滑板和立床身4种布,铣床机床床身如图1所示。
图1 数控铣床床身
依据床身所受载荷性质的不同，床身刚度分为静刚度相动刚度。
床身的静刚度直接影响机床的加工精度及其生产率。
静刚度和固有频率，是影响动刚度的重要因素。
合理设计床身的筋板结构。
可提高床身的刚度。
3、导轨
导轨的质量对机床的刚度、加工精度和使用寿命有很大的影响。
数控机床的导轨比一般机床的导轨要求更高，要求其在高速进给时不发生振动，低速进给时不消失爬行，且灵敏度高，耐磨性好，可在重载荷下长期连续工作，精度保持性好等。
这就要求导轨副具有好的摩
擦特性。
现代数控机床采纳的导轨主要有带有塑料层的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。
滚动导轨的特点是：摩擦系数小，摩擦系数一般在0.0025～0.005的范围内，动、静摩擦系数基本相同，启动阻力小，不易产生冲击，低速运动稳定性好，定位精度高，运动平稳，微量移动精确；磨损小，精度保持性好，寿命长；但是抗振性差，防护要求较高；结构简单，制造较困难，成本较高。
现代数控机床常采纳的滚动导轨有滚动导轨块和直线滚动导轨两种。
图2 滚动导轨副动画图
图3 直线滚动导轨。
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提高支承件的静刚度和固有频率
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。
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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和固有频率
• 采用双层壁加强肋的结构， 其内腔设计成供液压油循环 的通道使床身温度场一致，
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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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。
2、板类件：两个方向的尺寸比第三个方向的大得
树脂混凝土床身与金属部件联接 1一树脂混凝土 2一预埋件 3一销钉 4-螺钉 5一导轨
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树脂混凝土床身
• 分块结构 为简化浇注模具 的结构和实现模块化，对于 结构较复杂的大型床身构件， 把它分成几个形状简单、便 于浇注的部件。各部分分别 浇注后，再用粘接剂或其它 形式联接起来。
防止热变形；立柱设计成双
重壁加强肋的封闭式框架结 构，刚度好。
滚齿机大立柱和床身截面的立体示意图
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提高动态特性
• 改善阻尼特性 • 采用新材料制造支承件
封沙结构的床身
镗床主轴箱的截面图
为增大阻尼，提高动态特性，将铸造砂芯封装在箱内。
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改善焊接支承件阻尼特性
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
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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 易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐标测 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， 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。
数控机床床身、立柱等支承件 设计
本PPT借鉴了多位老师的成果， 排版较乱，见谅！
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
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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，
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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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– 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 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 件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金 属。
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提高支承件的静刚度和固有频率
• 合理地选择支承件的材料、截面形状和尺寸、 壁厚，合理地布置肋板和肋条，以提高结构整 体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。 • 用有限元方法进行定量分析，以便在较小重量 下得到较高的静刚度和固有频率。 • 在刚度不变的前提下，减轻重量可以提高支承 件的固有频率。 • 改善支承件间的接触刚度以及支承件与地基联 结处的刚度。
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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。
肋板布置图 a）正方形 b) X形
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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
– 控制温升 – 采用热对称结构 – 采用热补偿装置
立柱热对称结构
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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。
(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。
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：
• 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。
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改善阻尼特性
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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。
悬梁的阻尼 1一铁块2一钢球3一高粘度油 焊接件减振板 a）铸铁板 b)点焊在一起的两块板 c）四周焊在一起的两块钢板
振动时，油在钢球间产生的粘性 摩擦及钢球、铁块间的碰撞，可耗散 振动能量，增大阻尼。
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提高热稳定性
• 机床热变形是影响加工精度的
重要因素之一，应设法减少热
变形，特别是不均匀的热变形 以降低热变形对精度的影响。
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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
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树脂混凝土床身
整 体 结 构
• 整体结构形式 用树脂混凝土 制造出床身的整体结构，如左 上图所示。其中导轨部分，可 以是金属件，预先加工好，作 为预埋件直接浇铸在床身上； 或采用预留导轨等部件的准确 安装面，床身浇铸好之后，将 这些部件粘接在机床床身上， 如左下图所示。这种结构适用 于形状不复杂的中小型机床床 身。
了减小局部变形和薄壁 振动，用来提高支承件 的局部刚度。
立柱肋条布置图
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支承件肋条的布置
• 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。
局部加强肋 a)底板加强肋 b)导轨加强肋
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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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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。
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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。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。缺 点是脆性大，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。
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。
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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。