第四章 支承件及导轨2016
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1、第四章 支承件及导轨1998-11-61支承件(Structural elements)4功用4基本要求4受力分析4静刚度4结构设计 提高自身刚度 减少热变形 提高局部刚度 材料和热处理 提高接触刚度 结构工艺性 提高抗振性 焊接结构1998-11-62第一节 支承件的功用及基本要求1998-11-634支承件床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件大件1998-11-644在切削时，刀具与工件之间相互作用的力沿着大部分支承件逐个传递并使之变形。4机床的动态力(如变动的切削力，往复运动件的惯性，旋转件的不平衡等)使支承件和整机振动4支承件的热变形改变执行件
2、的相对位置或运动轨迹。4影响加工精度和表面质量4支承件是机床十分重要的构件1998-11-65一、功用4支承机床各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力4保证各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系。4内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机1998-11-66二、基本要求41足够的静刚度和较高的刚度重量比 要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一定的数值。 重量占机床总重量的80以上，应尽量减轻支承件的重量。42良好的动态特性 包括较大的动刚度和阻尼； 与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率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
3、噪声等。1998-11-6743应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度的影响较小 由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力 在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形。 热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。44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。1998-11-68支承件的设计步骤4根据其使用要求进行受力分析4根据所受的力和其它要求(如排屑、安装别的零部件等)，并参考现有机床的同类型件，初步决定其形状和尺寸。4可以用有限元法(Finite element method)借助计算机进行验算，求得其静态和动
4、态特性。4据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案。4这样，在设计阶段就可以预测支承件的性能，以避免盲目性，提高一次成功率。1998-11-69第二节 支承件的受力分析1998-11-6104支承件是机床的一个组成部分4分析支承件的受力必须首先分析机床的受力4了解支承件的受力情况，产生的变形以及由此引起的加工误差是合理设计支承件结构的依据。4为简化分析，根据机床所受载荷的特点，对不同类型机床的受力分析各有所侧重。1998-11-6114机床根据其所受的载荷的特点，可分为三大类:4 中、小型机床 载荷以切削力为主 工件的重量、移动部件(如车床的刀架)的重量等相对较小，在受力和变形分析
5、时可忽略不计(例如车床刀架从床身的一端移至床身中部时，引起的床身弯曲变形的变化可忽略不计) 如中型车床、铣床、钻床、加工中心等1998-11-6124精密和高精度机床 以精加工为主，切削力较小 载荷以移动件的重力和热应力为主 例如双柱立式坐标镗床，分析横梁受力和变形时，主要考虑主轴箱从横梁的一端移至中部，引起的横梁弯曲和扭转变形。1998-11-6134大型机床 工件重，切削力较大，移动件的重量也较大4载荷必须同时考虑工件重力、切削力和移动件的重力。4 例如重型车床、落地镗铣床和龙门式机床等。1998-11-614三大类支承件4(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
6、、摇臂、滑枕等梁类件4 (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4 (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1998-11-615一、摇臂钻床的受力分析1998-11-616摇臂钻床的受力状况4切削载荷切削转矩T 进给力Ff4切削载荷经主要支承件主轴箱 4、摇臂3、立柱2和1，传递至 底座54上述支承件产生弹性变形弯曲或扭转4变形的结果主轴轴线在yz平面 xz平面内产生偏转，使轴线不垂直于底座的顶面1998-11-6174钻床精度标准规定了主轴在一定的轴向力(模拟Ff)作用下，主轴轴线在yz和zx面内允许的偏转角。4轴向力的大小，因机床的种类
7、、大小而异，见各类钻床的精度标准。1998-11-6184分析时，立柱和摇臂可看作是梁类件4底座可看作是板类件4主轴箱可看作是箱形件4这里主要分析摇臂和立柱，都可看作是一端固定的悬臂梁1998-11-619 摇臂的受力分析4进给力Ff使摇臂在yz面内受到一弯矩M1，最大值FfL，产生弯曲变形4主轴与摇臂中性轴之间的距离为e，故受到绕y轴的扭矩M2=Ffe，产生扭转变形4切削转矩T作用于摇臂，使它在zy 平面内产生弯曲变形4T比FfL要小得多1998-11-6204摇臂所受的载荷，主要是竖直(yz)面内的弯矩M1和绕y轴的扭矩M24使摇臂产生弯曲和扭转变形4使主轴偏离其正确位置1998-11-6
8、214摇臂的左端锁紧在立柱上,右端悬空4简化为一端固定的悬臂梁4钻削时，主轴上受的轴向进给力F，使摇臂在x-y平面内受Mw力矩的作用而产生弯曲变形4Mw在摇臂的长度上呈三角形分布，最大力矩Mw=FL4主轴中心偏离摇臂中心轴的距离为e，F又产生扭矩Tn1=Fe，使摇臂产生扭转变形4扭矩Tn1 在摇臂的长度上是均匀分布的4主轴上的钻削扭矩Tn2在摇臂的长度上也是均匀分布的，而且使摇臂产生的变形很小，可以忽略不计1998-11-6224摇臂的变形主要X-Y平面内的弯曲变形 绕X轴的扭转变形4它们将影响所钻孔的位置精度，各孔中心线的平行度和对基准面的垂直度。4摇臂上越接近立柱的地方承受的力矩越大，摇臂
9、设计成变截面，在越接近立柱的地方越显粗壮。4为了减小摇臂的扭转变形，应尽量减小e值，所以摇臂钻床主轴箱应设计得扁平。4为此传动系统应平面布置，并使摇臂的截面具有较大的扭转截面矩。1998-11-623二.卧式车床床身的受力分析1998-11-6244工件两端分别支承在主轴和尾 架的顶尖上4刀尖上的切削力可分解成Fx、Fy和Fz三个分力4轴向力Fx使床身产生拉伸变形，影响小，可忽略 4Fy和Fz使床身受弯曲和扭转4为便于分析受力及变形，在受扭转时，可将床身视为两端固定的梁4在受弯曲时，可将床身视为简支梁1998-11-6254在垂直（X-Z）平面内，Fz经 刀架作用在床身上，经工件 作用于主轴箱
10、和尾架上的力为F1和F24由Fz将引起床身在垂直方向的弯矩为Mwz 4Fz的作用点到主轴中心线的距离为d/2（d工件直径)，在床身上还作用有扭矩Tnz= Fzd/21998-11-6264在水平（x-y ）平面内，Fy 经 刀架作用在床身上，其反作用力 F3和F4经工件作用在主轴箱和尾架上4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=Fyh4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1998-11-6271998-11-628车床床身变形对加工精度的影响4根据车床床身在水平面内的弯曲变形变
11、形（近似以1：1反映为工件的半径误差）、在垂直平面内的弯曲变形及扭转变形对加工精度的影响4水平面内的弯曲变形大于垂直面内的影响4扭转变形使刀尖在y方向产生较大的偏移4设计车床床身时，主要应提高水平面内的弯曲刚度4在设计长床身时，也要注意提高扭转刚度1998-11-629 第三节 支承件的静刚度1998-11-630一、支承件的静刚度4支承件的变形包括 自身变形 局部变形 接触变形4支承件的静刚度 自身刚度 局部刚度 接触刚度1998-11-6314如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上如床身，载荷是通过导轨面施加到床身上4变形包括变形包括床身自身的变形床身自身的变形 导轨部分局部的变形导轨部分局
