第7章支承件导轨设计PPT课件
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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。
2020/9/28
16
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。
金属切削机床设计
支承件、导轨设计
2020/9/28
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：
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
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
肋板布置图 a）正方形 b) X形
抗扭刚度。
2020/9/28
10
支承件肋板的布置
立式加工中心立柱 a)菱形加强肋 b) X形加强肋
2020/9/28
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。
常用的铸件牌号有HT200、HT150、HT100。
2020/9/28
15
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％。
2020/9/28
6
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。
2020/9/28
7
支承件的截面形状和选择
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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8
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。
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5
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。
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支承件肋条的布置
立柱肋条布置图
2020/9/28
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。
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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
2020/9/28
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。
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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2
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
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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。
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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。
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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9
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，从而使整个支承件肋板有助于提
件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金 属。
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3
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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4
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
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。
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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。
金属切削机床设计
支承件、导轨设计
2020/9/28
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：
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
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
肋板布置图 a）正方形 b) X形
抗扭刚度。
2020/9/28
10
支承件肋板的布置
立式加工中心立柱 a)菱形加强肋 b) X形加强肋
2020/9/28
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。
常用的铸件牌号有HT200、HT150、HT100。
2020/9/28
15
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％。
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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
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
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。
2020/9/28
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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。
11
支承件肋条的布置
立柱肋条布置图
2020/9/28
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。
12
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
2020/9/28
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。
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。
2020/9/28
2
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
13
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
2020/9/28
14
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。
2020/9/28
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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。
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，从而使整个支承件肋板有助于提
件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金 属。
2020/9/28
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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
2020/9/28
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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
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。