机床支承件结构设计

机床支承件概述
设计方法
设计方法 最常用 原则说明 类比设计 力学设计 依据经验改良； 简单、实用 用古典力学原理进 行刚度设计 依据固体力学的能 量原理进行近似分 析、计算 应用范围 灰铸铁床身或由铸件 改为焊件设计 焊件刚度定性设计； 类比设计的验核计算 大型精密、高精密机 床
有限元法设 计
机床支承部件一般设计流程
外观造型要求
– 明快、简洁、俊秀、直线方角
机床支承件概述 功用与结构特征 支承件功用
–支承作用—放置部件，承受力 –基准作用—各部件间的相互位置关系和相对运 动轨迹 –尺寸容量—包容工件的轮廓尺寸，满足行程
结构特征
–空间板系组合结构 –空间力系载体
机床支承件概述
基本设计要求 –高刚度化—结构设计及加工 高刚度化 –高阻尼精度—增加系统阻尼，调整构件自身 高阻尼精度
机 床 床 身 主 要 参 数
机 床 立 柱 主 要 参 数
确定形体尺寸
– 依据后床身确定截面长度 – 确定截面长宽比
刚度设计
确定支承大件最小刚度 弯曲刚度设计计算 扭转刚度设计计算
基本截面形状的选择
主要载荷：弯、扭 材料消耗相同时 惯性矩：空心>实心 抗弯：矩形>方形>圆形 抗扭：矩形<方形<圆形 刚度：封闭截面>不封闭
米字形肋
加强肋设计
立柱内壁筋板布置形式
直肋
蜂窝形箱
铸件外表上肋的厚 度:0.8s 铸件内腔中肋的厚 :(0.6～ 度:(0.6～0.7)s 肋的高度： 肋的高度：≤5s
三角形肋
米字肋
交叉肋
井字肋
连接结构的设计
导轨的连接部位结构
c、d为双壁， 、 为双壁 为双壁， 复杂， 复杂，用于 精密机床或大 承载
信息 搜集 初定 方案
组合支承 布局形式 分配刚度 大体尺寸 大致结构
方案 细化
机床布局 大件尺寸 结构形式
方案分析 性能校核 确定尺寸 细化结构
机床支承部件具体设计流程
整体布局 分析 校核
确定形 体尺寸 刚度设计
截面形状、 截面形状、 窗口和壁厚 设计
加强肋 设计
连接结 构设计
细节 设计
整体布局
机床支承件结构设计
主要内容
1
机床支承件概述
2
支承部件设计流程
机床支承件概述 功能要求 功用与结构特征 基本设计要求 支承件材料选择 设计方法
机床支承件概述 功能要求
尺寸容量
– 包容工件轮廓尺寸和最大行程
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性能要求
– 静刚度高、动刚度好、热变形小、导轨受力合理
技术及经济效率
– 操作安全方便、易于维修、低成本、高效制造装拆
截面形状的选择
最 简 单
截面形状、 截面形状、窗口和壁厚设计
截面形状选择
壁厚的设计
铸件壁厚： 铸件壁厚：
按目前工艺水平，砂 模铸造的壁厚根据当 量尺寸C按下表选择。
式中L、B、H—铸件 的长、宽和高（m）
当量尺寸/m 0.75 1.0 1.5 当量尺寸/m 壁厚/m 8 10 12 壁厚/m 1.8 2.0 14 16 2.5 18 3 20 3.5 22 4.5 25
布置润滑油道、冷却液流道 管路接口设计 加工面设计 电气部件、油箱等安装布置
立柱吊装孔
分析校核
三维软件建模，相关软件分析
– 运动干涉分析 – 强度分析 – 刚度分析 – 模态分析 – 热分析
依据分析结果，对结构进行改进和完善
承载结构式床身和立 柱的组合
整体布局—结构选择 整体布局
结构类型
◎“匚”形形式 匚
承载结构是床身与立柱、 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。 三者的结合。称为单臂式机床。
◎“□”形形式 □ 形形式
支承由床身、横梁以 支承由床身、 及双立柱组合而成， 及双立柱组合而成， 形成封闭的方框。 形成封闭的方框。
壁厚的设计
焊接件壁厚： 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
大、重型，25mm以上壁厚。
隔板和加强筋的选择 隔板主要用于两壁间连接
纵向隔板抗弯；
横向隔板抗扭；
斜向隔板抗弯扭
加强肋设计
床身加强筋形式
斜肋板
斜肋+纵向肋 斜肋+
纵、横向组合肋
整体布局—结构选择
数控机床受热变形与切入方向关系
整体布局— 整体布局 运动部件选择
与工件形状、尺寸和重量的关系 与工件形状、
工件较轻时 工作台完成进给 工件较重或较高时 工作台与刀具完成进给 大型、 大型、重型工件 刀具进给
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 机床型号 总长 总宽 导轨最大间距 导轨长 导轨宽 筋厚 导轨面距丝杠座距离 丝杠座宽 与立柱接触面长 机床型号 总长 总宽 总高 导轨最大间距 导轨长 导轨宽 筋厚 导轨面距丝杠座距离 丝杠座宽
频率
–高耐磨性—选取耐磨材料，保证润滑良好 高耐磨性 –热变形小 —注重散热和隔热，平衡温度场， 热变形小
采用热对称结构
–小的内应力—结构上和材料上保证，进行时 小的内应力
效处理
–其他—排屑通畅，操作方便，吊运安全，加 其他
工及装配性好等
机床支承件概述
支承件材料选择
铸件 优点： 内摩擦力大 阻尼系数大 振动衰减性好 成本低 适合批量生产 缺点： 周期长 需做木模 易产生缺陷 焊接件 优点： 质量轻 生产周期短 不易产生废品 肋板布置灵活 所需设备简单 缺点： 需要时效处理 成本高 不适合批量化 花岗石 优点： 阻尼性能好 尺寸稳定性好 抗腐蚀性强 制造成本低 热导率小 缺点： 重量大 需预埋机械连接 易产生废品
结 构 特 征 的 工 艺 性 特 征
整体布局—结构选择
结构类型
◎“—”形形式 形形式
承载结构主要是床身，或 承载结构主要是床身， 床身与底座的组合。 床身与底座的组合。
◎ “|”形形式 形形式
承载结构主要是立柱， 承载结构主要是立柱， 或立柱与底座的组合。 或立柱与底座的组合。
◎ “┴”形形式 ┴ 形形式
单壁
单壁 加肋
e、f用于立柱导轨，f刚度最好 、 用于立柱导轨 刚度最好 用于立柱导轨，
连接结构设计
立 柱 导 轨 的 连 接 部 位 结 构
连接结构设计
凸缘结构形式 凸台外径对孔板壁刚度的影响
支承件与基础的连接
基础的形式 与基础的连接形式
支垫位置与变形量
细节设计
吊装孔的设计
– 与质心在同一平面内 – 起吊、放置平稳 – 足够的吊装刚度