机床支承件结构设计共34页
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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足的基本要求，可根据机床的类型和布局形式合理地选择支承件的形状，理解支承件构造的设计特点、支承件材料及壁厚的合理选择，掌握支承件截面形状选择的一般原则，以及提高支承件构造性能的合理措施等。
一、支承件的功能和应满足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。
支承件应满足的基本要求：1）具有足够的刚度和较高的刚度一质量比；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、吊运安全，构造工艺性良好。
二、支承件的构造设计设计支承件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支承件的形状。
在满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性。
还要根据其使用要求，开展受力和变形分析，再根据所受的力和其他要求开展构造设计，初步决定其形状和尺寸。
通过计算机对其开展有限元分析和计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计开展修改和完善，选出最正确构造形式。
既能保证支承件具有良好的性能，又能尽量减小质量，节约材料。
常见支承件的形状：1）箱形类；2）板块类；3）梁类。
支承件构造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。
支承件截面形状不同，即使同一材料、截面积一样，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，而且同样的截面形状和一样大小的面积，外形尺寸大而壁薄的截面，比外形尺寸小而壁厚的截面，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，特别是抗扭刚度。
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。
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；
机床主要部件设计支承件设计分解
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第二节 支承件设计
二、支承件的受力分析方式 三大类支承件
1. 一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件。如床 身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等—梁类件。
2. 两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如底座、 工作台、刀架等—板类件。
3. 三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台 等—箱形件。
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第二节 支承件设计
一、支承件的基本要求
接触刚度 指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。 如导轨面产生接触变形。
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第二节 支承件设计
接触刚度 用结合面的平均压强 p与变形量δ之比表示。其特性
是： ◆ 当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有
几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。 ◆ 当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩
大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。 ◆ 结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。 小结 接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的
大小，材料硬度，接触面的压强等。
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第二节 支承件设计
固有频率 用刚度与质量之比表示，即
K
ห้องสมุดไป่ตู้
m
2 0
◆ 重点理解：当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）
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Tny=Fyh • ——车床床身变形的主要形式是垂 直和水平面内的弯曲，以及由Tnz 和Tny联合作用下的扭转
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第二节 支承件设计
第二节 支承件设计
二、支承件的受力分析方式 三大类支承件
1. 一个方向的尺寸比另外两个方向大得多的零件。如床 身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等—梁类件。
2. 两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如底座、 工作台、刀架等—板类件。
3. 三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台 等—箱形件。
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第二节 支承件设计
一、支承件的基本要求
接触刚度 指支承件的结合面在外载作用下抵抗接触变形的能力。 如导轨面产生接触变形。
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第二节 支承件设计
接触刚度 用结合面的平均压强 p与变形量δ之比表示。其特性
是： ◆ 当接触压强很小时，结合面存在表面精度误差，结合面只有
几个高点接触，实际接触面积很小，接触变形大，接触刚度低。 ◆ 当接触压强较大时，结合面上的高点产生变形，接触面积扩
大，故接触刚度较高。接触刚度随接触压强的增加而增大。 ◆ 结合面间有相对运动的接触刚度小于固定接触的接触刚度。 小结 接触刚度取决于接合面的表面粗糙度和平面度、结合面的
大小，材料硬度，接触面的压强等。
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第二节 支承件设计
固有频率 用刚度与质量之比表示，即
K
ห้องสมุดไป่ตู้
m
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◆ 重点理解：当激振力（断续切削力、旋转零件的离心力等）
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Tny=Fyh • ——车床床身变形的主要形式是垂 直和水平面内的弯曲，以及由Tnz 和Tny联合作用下的扭转
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第二节 支承件设计
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
22
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
11
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
12
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。
5
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。
13
整体布局—结构选择
数控机床受热变形与切入方向关系
14
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
15
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
机床主要部件的设计
二、支承件受力分析
1、中小型机床：以切削力为主； 2、精密和高精度机床：以移动部件的重 量和热应力为主； 3、大型机床：工件重力、移动部件重力 和切削力
模型简化：
1、梁或柱 2、板 3、箱体
三、支承件结构设计
截面形状选择
1、空心薄壁大截面支承件刚度大； 2、方截面抗弯强度高于圆截面，抗扭刚度 低于圆截面； 3、不封闭截面刚度远小于封闭截面刚度， 抗扭刚度下降大。
第三章 机床主要部件的设计 第一节 主轴组件设计
一、主轴组件应满足的基本要求
1、旋转精度 2、静刚度 3、动刚度 4、温升与热变形 5、精度保持性
第一节 主轴组件设计
二、主轴滚动轴承
1、轴承的特点 优点：（1）足够的刚度、高旋转精度、变转速和变载荷
下工作平稳； （2）质量稳定、成本低、经济性好； （3）容易润滑。
第四节 滚珠丝杠螺母副机构
一、工作原理及特点
1、工作原理 2、特点：
（1）传动效率高，摩擦损失小 （2）定位精度高，刚度好 （3）运动平稳，无爬行，传动精度高 （4）有可逆性，丝杠和螺母都可以作为主动件 （5）磨损小，寿命长 （6）制造工艺复杂 （7）不能自锁
二、滚珠丝杠副的结构和轴向间 隙调整方法
三、支承件结构设计
截 面 形 状 选 择
四、提高支承件静刚度的措施
1、隔板和加强筋
四、提高支承件静刚度的措施
2、开口后的 刚度补偿
3、提高接触 刚度
五、支承件的材料
1、铸 3、预应力钢筋混凝土 2、钢材 4、树脂混凝土
六、提高支承件动刚度
1、机床的常见振动： （1）整机摇晃振动 （2）结合面间的相对振动 （3）零部件的本体振动
2、分类（续）：
支承件
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。
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。
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。
机床典型部件设计(109页)
（三）主轴传动件位置的合理布置
1.传动件在主轴上轴向位置的合理布 置 合理布置传动件在主轴上的轴向位置, 可改善主轴的受力情况, 减小主轴变 形, 提高其抗振性。其主要原则是尽 量使传动力引起的主轴弯曲变形要小 ；引起主轴前端在影响加工精度敏感 方向上的位移要小。因此, 主轴上的 传动件应尽量靠近前支承布置, 有多 个传动件时, 其中最大的传动件应靠 近前支承。 根据传动件在不同的轴向位置时及传 动力Q 在不同方向作用时, 分析其不 同特点及应用范围。
3.主轴的设计要求
主轴的技术要求, 应根据机床精度标准的 有关项目制定。它应满足设计要求、工艺 要求、检测要求以及图面质量的要求, 应 尽量做到设计、工艺、测量的基准相统一 。
四、主轴滚动轴承
轴承是主轴部件中的重要组成部分, 轴承的类 型、精度、结构、配置方式、安装调整、以及润滑 和冷却等, 都直接影响着主轴部件的工作性能。
2.驱动主轴的传动轴位置的合理布置
主轴受到的驱动力Q 相对于切削力F 的方向取决于
驱动主轴的传动轴的空间位置。应尽可能将该驱动轴布 置在合适的位置, 使驱动力Q 引起的主轴变形可抵消一部 分因切削力F引起的主轴轴端精度敏感方向上的位移。对 切削力F 是旋转变化或以轴向载荷为主的主轴不在此列 。
（四）主轴主要结构参数的确定
当切削力F 和传动力Q 均作用在主轴前端时, 可使 两者方向相反, 从而使其引起的主轴前端变形部分地相 互抵消。此外, 前支承反力也较小。切削力F 和传动力 Q 均作用在主轴前端, 还可使主轴受扭长度较短, 但传 动件需要安装在前支承外面, 增加了主轴的悬伸长度, 结构上也较复杂。这种布局一般只适用于大型机床, 如 大型卧式车床、立式车床等的主轴组件。
（二）几种典型的主轴轴承配置形式
第四节 机床支承件
来自二、对机床支承件的基本要求
(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
(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
支承件设计PPT课件
材料，截面积相当而形状不同时，截面惯性矩相差很大， 合理选择截面可提高支承件自身刚度。
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表 第三章 支承件设计
3—1
截 • 第二节 支承件的静刚
面
度与结构设计
形 状
•
一、支承件的静刚度
与
抗
扭
惯
性
矩
关
系
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
转刚度。
Hale Waihona Puke （4）主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两
端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
（1）支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和 接触变形。 （2）对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应 包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触 变形。 （3）局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度 2. 抗振性 3. 热变形 4. 内应力 5. 其它
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度
（1）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。
（2）前者称为静刚度，后者称为动刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
1. 提高支承件自身刚度
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表 第三章 支承件设计
3—1
截 • 第二节 支承件的静刚
面
度与结构设计
形 状
•
一、支承件的静刚度
与
抗
扭
惯
性
矩
关
系
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
转刚度。
Hale Waihona Puke （4）主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两
端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
（1）支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和 接触变形。 （2）对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。变形应 包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触 变形。 （3）局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度 2. 抗振性 3. 热变形 4. 内应力 5. 其它
2021/6/7
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第三章 支承件设计
• 二、支承件的基本要求
1. 刚度
（1）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。
（2）前者称为静刚度，后者称为动刚度。
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第三章 支承件设计
• 第二节 支承件的静刚度与结构设计 • 一、支承件的静刚度
1. 提高支承件自身刚度
第3章机床典型部件设计
铝合金 铝合金的密度只有铁的1/3，有些铝合金还可以
9
3.1 主轴部件设计
传动件轴向位置的合理布置 合理布置传动件的轴向位置，可以改善主轴和轴承
的受力情况及传动件、轴承的工作条件，提高主轴部 件刚度、抗振性和承载能力。传动件位于两支承之间 是最常见的布置。
为了减小主轴的弯曲 变形和扭转变形，传动 齿轮应尽量靠近前支承 处；当主轴上有两个齿 轮时，由于大齿轮用于 低传动，作用力较大， 应将大齿轮布置在靠前 支承处。
21
3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α =15°和 α =25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
22
3.1 主轴部件设计
液体静压轴承： 静压轴承旋转精度高，抗振性好，其原因是轴颈
与轴承之间有一层具有良好的吸振性能的高压油膜， 其缺点是需要配备一套专用的供油系统，而且制造 工艺较复杂。
28
3.1 主轴部件设计
气体轴承： 气体轴承包括气体动压轴承、气体静压轴承和气
体压膜轴承三大类。由于采用气体作为润滑剂，因 此，轴与轴瓦被气体隔开，使轴在轴承中无接触地 旋转或呈悬浮状态。
7
3.1 主轴部件设计
推力支承位置配置形式 三种配置形式：前端配置、后端配置、两端配置
•多用于轴向精度和刚度要求较高的 高精度机床或数控机床
•这种方式常用于 较短主轴
•多用于轴向精度 要求不高的普通 精度机床
8
3.1 主轴部件设计
主轴传动件的合理布置 大多数机床主轴采用齿轮或带传动，有的用电动机
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3.1 主轴部件设计
传动件轴向位置的合理布置 合理布置传动件的轴向位置，可以改善主轴和轴承
的受力情况及传动件、轴承的工作条件，提高主轴部 件刚度、抗振性和承载能力。传动件位于两支承之间 是最常见的布置。
为了减小主轴的弯曲 变形和扭转变形，传动 齿轮应尽量靠近前支承 处；当主轴上有两个齿 轮时，由于大齿轮用于 低传动，作用力较大， 应将大齿轮布置在靠前 支承处。
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3.1 主轴部件设计
角接触球轴承： 图3.11所示为角接触球轴
承，这种轴承既可承受径向 载荷，又可承受轴向载荷。 接触角常见的有α =15°和 α =25°两种。15°接触角 多用于轴向载荷较小，转速 较高的地方，如磨床主轴； 25°的多用于轴向载荷较大 的地方，如车床和加工中心 主轴。
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3.1 主轴部件设计
液体静压轴承： 静压轴承旋转精度高，抗振性好，其原因是轴颈
与轴承之间有一层具有良好的吸振性能的高压油膜， 其缺点是需要配备一套专用的供油系统，而且制造 工艺较复杂。
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3.1 主轴部件设计
气体轴承： 气体轴承包括气体动压轴承、气体静压轴承和气
体压膜轴承三大类。由于采用气体作为润滑剂，因 此，轴与轴瓦被气体隔开，使轴在轴承中无接触地 旋转或呈悬浮状态。
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3.1 主轴部件设计
推力支承位置配置形式 三种配置形式：前端配置、后端配置、两端配置
•多用于轴向精度和刚度要求较高的 高精度机床或数控机床
•这种方式常用于 较短主轴
•多用于轴向精度 要求不高的普通 精度机床
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3.1 主轴部件设计
主轴传动件的合理布置 大多数机床主轴采用齿轮或带传动，有的用电动机
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。
10第十一章支承件
当受力矩时
螺钉应主要布臵在受拉伸的一侧。
提 高 局 部 刚 度
接触刚度Kj 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，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。
Kj=p／δ
支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有
影响。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； 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。
24
3.接触刚度
接触刚度
支承件各接触面抵抗接触变形的能力，称为接触刚度。 支 承 观不平度，所以只是一些高点相接触。 件 的 静 刚 度
两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微
25
接 触 刚 度 与 自 身 刚 度 的 区 别
二、接触刚度与自身刚度的区别 接触刚度是平均压强与变形之比Kj，即
支承件的静刚度
自身刚度 局部刚度 接触刚度
20
支承件的变形
例如床身：载荷是通过导轨面施加到床身上， 变形包括：
支 承 件 的 静 刚 度 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。
不能忽略局部变形和接触变形。它们有时甚至 占主要地位。
如床身，如设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨 处的局部变形就会相当大； 又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占 相当大的比重。
4.应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好 的工艺性以便于制造和装配。
5
支承件的设计步骤
根据其使用要求进行受力分析；
支 承 件 的 设 计 步 骤
螺钉应主要布臵在受拉伸的一侧。
提 高 局 部 刚 度
接触刚度Kj 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，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。
Kj=p／δ
支承件的自身刚度和局部刚度对接触压强分布有
影响。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； 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。
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3.接触刚度
接触刚度
支承件各接触面抵抗接触变形的能力，称为接触刚度。 支 承 观不平度，所以只是一些高点相接触。 件 的 静 刚 度
两个平面相接触时，由于平面的宏观不平度和微
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接 触 刚 度 与 自 身 刚 度 的 区 别
二、接触刚度与自身刚度的区别 接触刚度是平均压强与变形之比Kj，即
支承件的静刚度
自身刚度 局部刚度 接触刚度
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支承件的变形
例如床身：载荷是通过导轨面施加到床身上， 变形包括：
支 承 件 的 静 刚 度 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。
不能忽略局部变形和接触变形。它们有时甚至 占主要地位。
如床身，如设计不合理，导轨部分过于单薄，导轨 处的局部变形就会相当大； 又如车床刀架，由于层次很多，接触变形就可能占 相当大的比重。
4.应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好 的工艺性以便于制造和装配。
5
支承件的设计步骤
根据其使用要求进行受力分析；
支 承 件 的 设 计 步 骤
机床支承件设计
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
(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：
（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：
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