《金属切削机床戴曙第十一章支承.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属切削机床戴曙第十一章支承.ppt（45页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第十一章 支承件第一节 支承件应满足的要求和设计步骤第二节 支承件的静力分析第三节 支承件的静刚度和形状选择第四节 支承件的动态分析第五节 支承件的热变形特性第六节 结构计算的有限元法简介,第一节 支承件应满足的要求和设计步骤,支承件：是机床的基础构件，包括床身、立柱、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等。也称为“大件”。,作用：承载和作为基准。支承其它机床零部件，保持它们的相对位置，承受各种切削力等。,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。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
2、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，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。(二)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、表面质量的影响较小。(四)应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布置液压，电气等器件，并具有良好的工艺性，便于制造和装配。,（五）、性能要求（1）应具有足够的静刚度、较高的刚度重量比。（2）应具有较好的动态特性。支承件的固有频率不致与激振频率重合而产生共振；应具有较大的动刚度（激振力的副值与振副之比）、较大的阻尼，使支承件受到一定副值周期性激振力的作用时，受迫振动的振幅较小。,（3
3、）应具有较好的热变形特性。设法减小热变形、不均匀热变形，以降低对加工精度的影响。散热、隔热。加大散热面积、加设散热片、风扇、人工致冷、隔离热源。均热。采用：“热对称”等结构，使热变形对精度的影响较小。,二、重要支承件的设计步骤,1、进行受力分析。2、初步决定其形状和尺寸。3、进行验算。4、修改、对比，选择最佳方案。,第二节 支承件的静力分析,1中、小型机床：载荷以切削力为主。重量（工件、移动部件）忽略不计。如中型车床、铣床、钻床、加工中心等。2精密和高精度机床：载荷以移动件的重力和热应力为主。切削力较小（因以精加工为主）忽略不计。如双柱立式坐标镗床等。3大型机床：载荷必须同时考虑工件重力、切削
4、力和移动件的重力。如重型车床、落地镗铣床、龙门式机床等。,第三节 支承件的静刚度和形状选择的原则,例：床身 载荷是通过导轨面施加到床身上去的。变形包括床身自身的变形，导轨部分局部的变形，导轨表面的接触变形。,1自身刚度,（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、隔板的布置等。,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。,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
5、。（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。,二、刚度的折算和比较,接触刚度Kj(Mpa/um)是平均压强p与变形之比。Kj不是一个固定值，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。当压强较大时，这些高点产生了变形，实际接触面积增加，接触刚度提高。,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。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
6、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)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112，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
7、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)对抗弯刚度，与弯曲平面垂直的壁上的窗孔，影响最大。对抗扭刚度，较窄壁上的窗孔，比较宽壁上的影响大。(3)窗孔应靠近支承件的几何中心线附近，孔宽或孔径不超过支承件宽度的0.25倍。(4)窗孔边缘厚一些(翻边)，工作时加盖，并用螺钉上紧，可补偿一部分刚度的损失。,六、提高局部刚度,1.合理选择连接部位的结构(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，
8、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。,3、合理配置加强肋（筋）,(1)有些支承件的内部要安装其它机构，不但不能封闭，即使安装隔板也会有所妨碍，这时采用加强肋来提高刚度。(2)合理配置加强肋是提高局部刚度的有效方法。(3)加强肋的高度可取为壁厚的45倍，厚度与壁厚之比为081。,七、提高接触刚度,1、提高结合面质量 导轨面、重要的固定结合面必须磨配或刮配。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
9、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根据当量尺寸C(m)按表11-3选择。式中：L、B、H铸件的长、宽、高（m）,九、材料和时效处理,1、支承件的材料 支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然花岗岩、预应力钢筋混凝土、树脂混凝土等（一）铸铁：铸造性能好，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低，适于成批生产。（二）钢板焊接结构：制造周期短，刚性好，便于产品更新和结构改进，重量轻,（三）预应力钢筋混凝土：抗振性好，成本低（四）天然花岗岩：性能稳定，精度保持性好，抗振性好，热稳定性好，抗氧化性强，不导电，抗磁，与金属不粘结，加工
10、方便,（五）树脂混凝土：刚度高，具有良好的阻尼性能，抗振性好，热稳定性高，质量轻，可有良 好的几何形状精度，极好的耐腐蚀性，成本低，无污染，生产周期短，床身静刚度高。且可以预埋金属或添加加强纤维来提高某些力学性能,2、支承件的时效处理，目的是消除残余应力 铸铁和钢质的支承件需要进行时效处理以消除内应力时效处理：自然时效 人工时效 振动时效,普通精度机床的支承件：粗加工后进行一次时效。精密机床的支承件：粗加工前、后各一次。高精度机床的支承件：进行热时效处理后，进行天然时效处理把铸件堆放在露天一年左右，让它们充分地变形。,十、工艺性铸件要尽量形状简单，壁厚均匀，拔模容易，拐角要圆滑过渡焊接件设法减
11、少焊接变形，尽量不仰焊加工平面尽可能设在一个平面内，以便于加工,第四节 支承件的动态特性 动态特性一般包括三方面问题：1)共振问题 在工作时支承件的固有频率不能与激振频率相重合，应避免发生共振现象。2)动力响应问题 支承件应具有较高的动刚度（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）和较大的阻尼，使支承件在受到一定幅值周期性激振力的作用，受迫振动的振幅较小。3)切削稳定性问题 抵抗切削自激振动的能力，研究支承件动态特性就要对切削稳定性进行分析。一、支承件固有频率和振型 分析支承件动态特性时，通常可将支承件简化为一个多自由度的系统，多自由度系统的固有频率和主振型，是通过求解系统的无阻尼自由振动方程得到
12、。,1.多自由度系统的固有频率和主振型,图a所示的振型，其固有频率比图b所示的低。因此，图a为第一阶振型，其固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态；图b为第二阶振型，第二阶固有频率，合称第二阶模态。2.支承件的模态分析 由于机床上激振力的频率一般都不太高，因而只有最低几阶模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近。高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振力频率，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响是不大的。所以只需研究最低几阶模态。1)第一阶模态 整机摇晃振动，振型如图a所示。床身作为一个刚体在弹性基础上做摇晃振动。整机摇晃的固有频率较低，通常约为数十赫兹。,2)第二阶模态 一次弯曲振动，
13、振型如图b所示。主振系统是床身本身。振动的特点是各点的振动方向一致，上下振幅相差不大，纵向(z向)越近中部，振幅越大；越近两端振幅越小。3)第三阶模态 一次扭转振动，振型如图c所示。主振系统与第二阶模态相同。振型振动的特点是两端的振动方向相反,振幅为两端大中间小。4)第四阶模态 二次弯曲振动，振型如图d所示。主振系统同上。特点是有两条节线AB和CD。在这两条节线上，振幅为零。两端的振动方向相同，与两节线间的振动方向相反。5)薄壁振动 在高频振动中，需要注意的是薄壁振动。薄壁振动的振幅不大，又是局部振动，故对加工精度影响不大，但却是重要的噪声源或噪声的传播者。上述模态中，第二、三、四阶将引起执行
14、器官之间的相对位移，对加工精度和加工表面粗糙度，影响较大。第一阶也能引起安装部件的相对位移而影响加工质量。,二、改善支承件动态特性和措施 改善支承件的动态特性，提高其抗振性，其关键是提高支承件的动刚度。1.单自由度系统的动态特性 提高结构的动刚度，可以采用以下一些办法：提高系统的静刚度；增大系统中的阻尼比；提高系统的固有角频率；或改变激振角频率，以使二者远离。2.改善支承件动态特性的措施 1)提高静刚度 提高静刚度的途径主要是合理地设计结构的截面形状和尺寸、合理的布置肋板和肋条、还必须注意结构的整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。2)增加阻尼 常用的有保留砂芯的方法（常称封砂结构），铸件的砂
15、芯不清与铸件和砂与砂之间的摩擦耗散振动能量，以提高阻尼。3)调整固有频率 增加刚度或减少质量，都可以使固有频率提高，而改变阻尼系数，则固有频率的变化不大。4)采用减振器 采用减振器也是提高抗振性的一种有效方法，其特点是结构轻巧。,第五节 支承件的热变形特性,一、支承件热变形 机床和支承件的热变形 机床工作时，存在各种热源，如切削、电动机、液压系统和机械摩擦都会发热，使各部件因温度分布不均而产生变形，这就是热变形。热变形可以改变机床各执行器官的相对位置及其位移的轨迹，从而降低加工精度。热变形对普通中小机床加工精度影响不太明显，但对自动机床、自动线、和精密、高精度机床的影响却很明显。二、改善支承件
16、热变形特性的措施 改善支承件的热变形特性，就是设法减少热变形，特别是不均匀的热变形，以及降低热变形对精度的影响。1散热和隔热 2.均热 3.使热变形对精度的影响较小,1.有限元法的基本原理,利用加权余数法和变分法将偏微分方程转化为代数方程组求解,该矩阵方程包括系数矩阵、激励源矩阵和边界矩阵，而计算这些矩阵的元素时，常常用到分部积分法。如果为了计算精度而选取很多个尝试函数，那么计算这些为数众多的分部积分既十分复杂又很费时间，并且很难用计算机进行数值计算。因此，我们需要寻找一个改进的方法来简化计算，并设法利用计算机进行处理，有限元法就是其中的一种。,通过尝试函数的选取，近似解满足1类边界条件，,第六节 结构计算的有限元法简介,基本思想：,在有限元方法中，场域被分割成许多很小的子区域，通常称为“单元”或“有限元”。对所有子区域进行独立的处理和运算，便对一个整体问题进行局部化处理。通过选取恰当的尝试函数，使每个单元的计算都变得非常简单，经过对每个单元重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又常常是稀疏短阵，可以更进一步简化和加快求解过程。由于计算机非常适合于重复性的计算和处理过程，所以整体矩阵的形成过程很容易使用计算机来实现，,二、单元的划分,三、动态特性计算,
