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第三章 金属切削机床设计 3.6.2 支承件的结构设计 机床支承件的质量占其总质量的80-85%，因此应合理进行支承件的结构设计。 首先根据使用要求进行受力分析，再根据受力及其他要求初步确定其形状和尺寸。再次利用有限元方法进行静刚度和动态特性分析，并进行结构修改与完善，得到最佳的结构方案。以保证支承性能要求，尽量减少质量。 1、支承件截面形状选择 支承件界面形状的设计应使构件在最小质量的条件下，具有最大的静刚度（弯曲刚度和扭转刚度）。在相同材料、相同截面积条件下，支承件的截面形状不同，其抗弯刚度和扭转刚度也不相同。表3-10所示为截面积相同（近似为100cm2）的8种不同形状截面的抗弯和抗扭惯性矩比较值。由表3-10可以得到以下结论： （1）空心截面的惯性矩比实心大 同样截面形状，加大外廓尺寸，减小壁厚，可以提高截面抗弯、抗扭刚度。因此，设计支承件时，尽量采用空心截面，加大外轮廓尺寸。在工艺允许的条件下，减小壁厚，但亦不能太薄以免引起振动。 （2）方形截面的抗弯刚度高于圆形截面，而抗扭刚度较低 因此，以承受转矩为主的支承件应采用圆形截面，以承受弯矩为主的支承件应采用方形或矩形截面。矩形截面在其高度方向的抗弯刚度比方形截面高，但抗扭刚度较低。故以承受一个方向弯矩为主的支承件采用矩形截面。 （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 因此，在可能的条件下，尽量将支承件的形状做成封闭结构的框型。 图3-61所示为机床床身断面，均为空心矩形截面。图3-61A为典型车床类床身，工作时表面承受弯曲和扭转载荷，并在床 身上需要有较大空间排除大量切屑和切削液。图3-61B为镗床、龙门刨床等机床的床身，主要承受弯曲载荷，由于切屑不需要从床身排除，顶面设计成封闭结构，台面不能太高，以便于工件的安装与调整。图3-61C为大型和重型机床的床身，采用三道梁壁。重型机床还可以采用双层壁结构以进一步提高刚度。 2、支承件筋板及其布位 筋板是指连接支承件四周外壁的内板，其作用是使支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，使整个支承件分布承受载荷，加强支承件的刚度。 筋板布置有三种形式：纵向筋板、横向筋板和斜向筋板。纵向筋板的作用是提高支承件的抗弯刚度，横向筋板主要提高抗扭刚度，斜向筋板兼有提高抗弯和抗扭刚度的作用。 为有效提高抗弯刚度，纵向筋板应布置在弯曲平面内。如图3-63所示。 图3-64所示为加工中心床身断面，采用三角形筋板结构， 抗弯和抗扭刚度均较高。 图3-65所示为立柱分别加菱形与X型筋板的立式加工中心立柱截面，这两种结构使得立柱在两个方向上的抗弯刚度均较高，也基本相同。此外，立柱的抗扭刚度也得到提高，适用于承受复杂空间载荷的机床。 加强筋多配置于支承件的内壁上，主要是为了减小局部变形和薄壁振动，提高支承件局部刚度。如图3-66所示，加强筋可以呈纵向、横向和斜向布置，也可以交叉排列。如共字形、 米字形等。必须使加强筋位于壁板的弯曲平面内，才能有效减少壁板的弯曲变形。加强筋厚度一般为壁厚的0.7-0.8倍。 示例：图3-67A所示为布置在支承件的固定螺栓、连接螺栓或地脚螺栓处的加强筋。图3-67B为布置在床身导轨处的加强筋。 3、支承件壁厚的选择 支承件壁厚应根据工艺要求尽可能选择的薄一些，按现有工艺水平，砂模铸造铸铁的壁厚可以根据当量尺寸按表3-11选取。表中的推荐值为最小壁厚，凸台与导轨的连接处等部位应适当加厚。当量尺寸由下式计算 式中，L、B、H分别为支承件的长、宽、高，单位为m。 焊接支承件一般采用钢板与型钢焊接而成，具体参数可以参考表3-12。 中型机床焊接支承件如采用薄壁结构，壁厚可为3-6mm，通过采用封闭截面形状，正确布置加强筋保证刚度、防止薄壁振动。 大型机床及承受载荷较大导轨处的壁板多采用双层壁结构，以加强刚度。 3.6.3 支承件的材料 支承件的常用材料有铸铁、钢板和型钢、预应力混凝土、天然花岗石和树脂混凝土等。 1、铸铁 铸铁的铸造性能好，容易获得结构复杂的支承件，在铸铁中加入少量合金元素，可以提高耐磨性。 一般支承件多由灰铸铁制成，如果导轨与支承件铸为一体，铸铁牌号应根据导轨要求选取。如果是镶装导轨、或支承件上无导轨，则材料一般选用HT150。 特点：铸铁的内摩擦阻力大，阻尼系数大，具有振动衰减性，成本低。但需要制作型模，制造周期长，适用于批量生产。同时，铸铁支承件要进行时效处理，以消除内应力。 2、钢板和型钢 采用型钢或钢板焊接支承件，制造周期短，可以做成封