机械制造装备设计支撑件导轨.pptx

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1、 第七节 支承件设计支承件床身、立柱、横梁、摇臂、底座、箱体和升降台等尺寸及重量较大的零件（大件）一、支承件的功能和应满足的基本要求（一）支承件的功能支承机床各部件，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。内部空间可存放切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机（二）支承件应满足的基本要求基本要求1）足够的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。2）较好的动态特性 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

2、重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。3）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。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。二、支承件的结构设计考虑机床的类型、布局及常用支承件的形状满足机床工作性能的前提下，综合考虑其工艺性受力和变形分析、结构设计，初步决定形状和尺寸有限元计算，求出静态刚度和动态特性，再修改和完善（一）机床的类型、布局和支承件的形状1.机床的类型（1

3、）以切削为主的中小型机床（2）以移动件的重力和热应力为主的精密和高精密机床（3）重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床（一）机床的类型、布局和支承件的形状2.机床的布局形式对支承件形状的影响3.支承件的形状 箱型类、板块类、梁类（二）支承件的截面形状和选择 最小重量条件下，最大静刚度支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷自身刚度主要考虑弯曲刚度和扭转刚度在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。（二）支承件的截面形状和选择1）空心截面的刚度都比实心的大2）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低3）封

4、闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度（三）支承件肋板和肋条的布置1）空心截面的刚度都比实心的大2）圆（环）形截面的抗扭刚度比方形好，而抗弯刚度比方形低3）封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度，特别是抗扭刚度在两壁之间起连接作用的内壁 肋板肋板功用把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置肋板来提高支承件的自身刚度肋板布置的三种基本形式 纵向肋板主要提高抗弯刚度 横向肋板主要提高抗扭刚度 斜向肋板兼有提高抗弯刚度和抗扭刚度的效果T型肋板：主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度作用不明显

5、。多用在刚度要求不高的床身上。C图的肋板在垂直面和水平面的抗弯刚度都比A图好。W型布置能较大的提高水平面的抗弯、抗扭刚度。D图自由排屑，提高刚度。肋条配置与某一内壁上，主要为减小局部变形和薄壁振动，用来提高支承件的局部刚度（四）合理选择支承件的壁厚减轻机床重量，壁厚根据工艺上的可能选择得薄些。C=（2L+B+H）/3三、支承件的材料支承件的重量在机床总重量中占有很大比重，因此必须合理选择材料。支承件的材料，主要为铸铁和钢铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨的要求选择如果导轨是镶装上去的，或者支承件上没有导轨，则一般可采用HT150如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q23

6、5AF或Q275钢（一）铸铁铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨的要求选择如果导轨是镶装上去的，或者支承件上没有导轨，则一般可采用HT150（二）钢板焊接结构如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用Q235AF或Q275钢（三）支承件的其它材料预应力钢筋混凝土支承件(主要为床身、立柱、底座等）近年来有较大的发展。混凝土的比重是钢的13，弹性膜量是钢的110115，阻尼高于铸铁，适合于制造受载均匀，截面积大、抗振性要求较高的支承件。采用钢筋混凝土可节约大量钢材，降低成本。但钢筋混凝土支承件的变形、侵蚀、导轨与支承件连接刚度不足等问题，有待进一步研究解决。四、提高支承件结构性能的

7、措施（一）提高支承件的静刚度和固有频率根据支承件受力情况合理地选择支承件的材料、截面形状和尺寸、壁厚，合力地布置肋板和肋条，提高结构整体和局部的弯曲刚度和扭转刚度。（二）提高动态特性1.改善阻尼特性2.采用新材料制造支承件四、提高支承件结构性能的措施（三）提高热稳定性1.控制温升2.采用热对称结构3.采用热补偿装置 第八节 导轨设计一、导轨的功用和应满足的基本要求（一）导轨的功用和分类功用:承载和导向在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动动导轨运动的一方支承导轨不动的一方只有一个自由度直线或回转运动 导轨可按下列性质分类：1）按工作性质可分为：主运动导轨、进给运动导轨、调位导轨调位导轨只用于

8、调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动例如车床尾架用的导轨 2）按摩擦性质分 滑动导轨 滚动导轨滑动导轨：混合摩擦导轨 边界摩擦导轨 液体动压导轨 液体静压导轨滚动导轨：滚珠导轨 滚柱导轨 滚针导轨按两导轨面间的摩擦状态按滚动体3)按结构形式分开式导轨依靠外载荷和部件自重，使两导轨面在全长上保持贴合的导轨闭式导轨用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合的导轨（二）导轨应满足的基本要求 机床导轨的质量在一定程度上决定了 机床的加工精度 工作能力 使用寿命（1）导向精度导向精度：直线运动导轨的直线性 圆周运动导轨的真圆性 导轨同其它运动件之间相互位置的准确性影响因素:导轨的几何精度和接触精度 结

9、构形式 导轨及其支承件的自身刚度 油膜刚度 热变形等（2）承载能力大，刚度好足够的刚度足够的刚度（3）精度保持性耐磨性耐磨性刚度不足，影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度，使导轨面上的比压分布不均，加剧导轨的磨损耐磨性导向精度能否长期保持导轨耐磨性与导轨材料、导轨面的摩擦性质、导轨受力情况及两导轨相对运动速度等有关。导向精度（4）低速运动平稳保证在作低速运动或微量位移时运动始终平稳。影响：使加工表面粗糙度增大；定位运动时的不平稳，将降低定位精度影响因素：导轨的结构和润滑 动、静摩擦系数的差值 传动导轨运动的传动系统的刚度等（5）结构简单、工艺性好在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于

10、制造和维护对于刮研导轨，应尽量减少刮研量对于镶装导轨，应做到更换容易二、导轨的截面形状选择和导轨间隙的调整（一）直线运动导轨的截面形状截面形状：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形导轨两大类凸形和凹形凸形导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动凹形导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置（一）直线运动导轨的截面形状1.矩形导轨矩形导轨制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差适用于载荷较大而导向性要求不高的机床（一）直线运动导轨的截面

11、形状2.三角形导轨支承导轨为凸形时山形导轨支承导轨为凹形时V形寻轨三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度导向精度随顶角的增加而降低承载面积随的增加而增加通常取=90大型或重型机床，可取=110120精密机床，常取90（一）直线运动导轨的截面形状2.三角形导轨支承导轨为山形时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油 适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨支承导轨为V形时，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨 必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘（一）直线运动导轨的截面形状3.燕尾形导轨燕尾形导轨结构紧凑、高度尺

12、寸较小，可承受颠覆力矩磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂一般用作中、低速的多层导轨（一）直线运动导轨的截面形状4.圆柱形导轨圆柱形导轨制造简单要求加工时就直接达到较高精度磨损后很难调整和补偿间隙圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合（二）回转运动导轨的截面形状 平面环形导轨 锥面环形导轨1.平面环形导轨平面环形导轨：制造容易，热变形后导轨仍能接触，只能承受轴向力，不能承受径向力，需与带径向滚动轴承的主轴相配合，来承受径向力摩擦损失小，精度高，目前用得较多。适用于大直径的工作台和转盘，如滚齿机、立式车床导轨等。2.锥面环形导轨能承受轴

13、向力和较大的径向力，热变形也不影响导轨接触，导向性比平面好，但要保持锥面和主轴的同轴度较困难母线倾斜角一般为30常用于径向力较大的机床3.双锥面导轨（V型圆环导轨）V型圆环导轨能承受较大的轴向力、径向力和颠覆力矩能保持很好的润滑制造较复杂床身和工作台热变形不同时，两导轨面将不同时接触用于载荷大、速度高的立式车床（三）导轨的组合形式从限制自由度的角度出发，采用一条导轨即可。用一条导轨，移动部件无法承受颠覆力矩直线运动导轨一般由两条导轨组合重型机床，常用三条或三条以上导轨的组合1.双三角形导轨导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性，很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难适用于精度要求

14、较高的机床，如SG8630型刀架导轨和Y3150E立柱导轨等2.双矩形导轨具有较大的承载能力、制造调整比较简单导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作台导轨。窄导向用一条导轨面的两侧面导向导向精度高宽导向用两条导轨面的两外侧面导向 3.矩形和三角形导轨的组合导向性好、刚度高、制造方便应用最广泛如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、M1432A砂轮架导轨等。4.双燕尾形导轨两个燕尾平面同时起导向及压板作用一根镶条：调整各接触面的间隙不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合如C

15、A6140刀架、B6050滑枕导轨等 5.矩形和燕尾形导轨组合 能承受较大力矩，间隙调整也比较方便。多用于横梁、立柱、摇臂等的导轨，如B2020型龙门刨床横梁导轨等。6.双圆柱形组合：容易制造，耐磨性较好，但磨损后不易补偿。常用于仅受轴向力的场合，如压力机、机械手的导轨。（四）导轨间隙的调整导轨接合面之间都存在间隙间隙过小，增加运动阻力，加速导轨磨损间隙过大，降低导向精度，容易产生振动调整方法：压板和镶条 1压板 压板用于调整间隙和承受颠覆力矩2镶条。镶条用来调整矩形和燕尾形导轨的侧面间隙，以保证导轨面的正常接触。常用的镶条有平镶条和斜镶条两种。斜镶条三、导轨的结构类型及特点（一）滑动导轨最常

16、见的导轨其它类型的导轨都是在滑动导轨的基础上逐步发展起来的结构简单有良好的工艺性刚度和精度易于保证在一般机床上广泛应用三、导轨的结构类型及特点（一）滑动导轨1.粘贴塑料软带导轨2.金属塑料复合导轨板3.塑料涂层4.镶钢导轨三、导轨的结构类型及特点（二）静压导轨工作原理与静压轴承相似。将具有一定压力的润滑油，经节流器输入到导轨面上的油腔，即可形成承载油膜，使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。优点：导轨运动速度的变化对油膜厚度的影响很小；载荷的变化对油膜厚度的影响很小；液体摩檫，摩檫系数仅为左右，油膜抗振性好。缺点：导轨自身结构比较复杂；需要增加一套供油系统；对润滑油的清洁程度要求很高。主要应用：精密

17、机床的进给运动和低速运动导轨静压导轨分类按结构形式分：开式、闭式开式静压导轨：压力油经节流器进入导轨的各个油腔，使运动部件浮起，导轨面被油膜隔开，油腔中的油不断地通过封油边而流回油箱。当动导轨受到外载荷作用向下产生一个位移时，导轨间隙变小，增加了回油阻力，使油腔中的油压升高，以平衡外载荷。闭式导轨在上、下导轨面上都开有油腔，可以承受双向外载荷，保证运动部件工作平稳。按供油情况可分为定量式静压导轨和定压式静压导轨。定压式静压导轨是指节流器进口处的油压压强ps是一定的，这是目前应用较多的静压导轨。定量式静压导轨指流经油腔的润滑油流量是一个定值，这种静压导轨不用节流器，而是对每个油腔均有一个定量油泵

18、供油。由于流量不变，当导轨间隙随外载荷的增大而变小时，则油压上升，载荷得到平衡。载荷的变化，只会引起很小的导轨间隙变化，因而油膜刚度较高，但这种静压导轨结构复杂。（三）卸荷导轨1.卸荷导轨的特点和应用卸荷：减小压力目的:采用卸荷导轨可以减轻支承导轨的负荷，降低导轨的静摩擦系数，从而提高导轨的耐磨性和低速运动的平稳性，提高导轨的运动精度。可使手动操作部件更加轻便。卸荷导轨由于导轨面仍然是直接接触的，因而刚度较高。应用：要求精度高和接触刚度高的机床导轨的卸荷方式有液压卸荷、机械卸荷和气压卸荷,液压和机械卸荷应用较多。采用液压卸荷导轨的机床有立式车床、龙门刨床、外圆磨床和平面磨床等。采用机械卸荷导轨

19、的机床有普通车床、立式车床、卧式镗床、坐标镗床和仿形铣床等。（2）机械卸荷导轨（3）液压卸荷导轨（4）自动调节气压卸荷导轨（四）滚动导轨1.特点和应用滚动导轨就是在导轨面之间装有一定数量的滚动体，两个导轨面只和滚动体接触，使导轨面之间的摩擦性质成为滚动摩擦。特点：摩擦系数小（）静、动摩擦系数很接近运动轻便灵活；运动所需功率小；摩擦发热少；磨损小；精度保持性好（钢制淬硬导轨修理期间隔可达1015年）；低速运动平稳性好，一般没有爬行现象移动精度和定位精度高（一般重复定位误差约）。滚动导轨润滑简单（可用油脂润滑）；维护方便（只需更换滚动体）；高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而浮起滚动导轨的缺点

20、结构较复杂制造比较困难成本比较高刚度较低抗振性较差对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。滚动导轨应用 需要实现精密位移的机床，如坐标镗床、数控机床、仿形机床等。外圆磨床砂轮架为实现微量进给工具磨床为手摇工作台轻便立式车床为提高速度平面磨床工作台导轨为防止高速移动时产生浮起，以提高加工精度；大型外圆磨床工作台导轨为了减轻阻力和减少发热等也采用滚动导轨2.2.滚动导轨的类型滚动导轨的类型（1）按滚动体类型分类 滚珠、滚柱、滚针（2）按循环方式分类 循环式和非循环式滚珠导轨滚珠导轨结构紧凑，容易制造，成本较低导轨表面属于点接触，刚度低，承载能力较小适用于载荷较小的机床滚柱导轨承载能力和刚度：都比滚珠

21、导轨大应用：载荷较大的机床，应用最广泛对导轨不平行度（扭曲）要求较高，否则要造成滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。因此，滚柱最好做成腰鼓形，中间直径比两端大左右。滚针导轨 滚针导轨的特点是滚针直径小，导轨结构紧凑与滚柱导轨相比，在同样长度内可以排列更多的滚针，因而承载能力较大，但摩擦力大一些。适用于结构尺寸受限制的场合。3.直线滚动导轨副的工作原理4.滚动导轨块5.滚动导轨的预紧在滚动体与导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子直线度及滚动体直径不一致误差的影响，使大多数滚动体均能参加工作。由于有预加接触变形，接触刚度增加。因而滚动导轨的预紧提高了导轨的精度和刚度。阻尼性能也有所增加，提高了导轨的抗振性。预加载荷的方法（五）导轨的设计1.滑动导轨的设计 设计内容 P157-1582.滚动导轨的设计四、提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施（一）合理选择导轨的材料和热处理1.铸铁导轨2.镶钢导轨3.有色金属4.塑料四、提高导轨精度、刚度和耐磨性的措施（二）导轨的预紧（三）导轨的良好润滑和可靠防护（四）争取无磨损、少磨损、均匀磨损，磨损后应能补偿磨损量