机械系统设计4.pptx
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1、第五章 支承(zh chn)系统设计5.1 支承系统的功用和基本(jbn)要求5.2 支承系统(xtng)的静刚度5.5 支承系统的热特性5.6 机械系统(机器)的基础5.3 支承系统结构设计5.4 支承系统的动态特性第一页,共62页。5.1 支承系统的功用(gngyng)和基本要求 支支承承(zh(zh chn)chn)系系统统:机机械械系系统统的的子子系系统统,机机械械系系统统中中用用于于支支承承(zh(zh chn)chn)和安装其他系统的支承和安装其他系统的支承(zh chn)(zh chn)件(称又基础件)所构成的总体。件(称又基础件)所构成的总体。支支承承(zh(zh chn)ch
2、n)件件:底底座座、床床身身、立立柱柱、横横梁梁、支支座座、支支架架、箱箱体体、门门架架、桁桁架架、刀刀架架、工工作作台台、升升降降台台和和箱箱体体等等。它它们们一一般般都都比比较较大大,故故也也称为称为“大件大件”。一、支承一、支承(zh chn)(zh chn)系统的功用系统的功用第二页,共62页。支承系统的基本功用:支承和安装机械系统中的其他系统。承受各种静态力和动态力。保证各零部件之间的相对位置精度(jn d)和运动部件的运动精度(jn d)。支承件的内部用作电气箱、液压油、润滑油或冷却液压的储存器等。5.1 支承系统的功用和基本(jbn)要求第三页,共62页。支承系统是机械系统的一个
3、重要组成部分,在整个机械系统的总重量中占有相当大的比例(在机床中约占70%90%),通常是结构最复杂、制造最费工、造价最昂贵的零部件。一个机械系统的支承件往往(wngwng)不只一个,它们有的相互固定联接,有的在轨道上运动。机械系统工作时,执行件所受的力和力矩都通过支承件作用在基础和地基上。如,机床在切削加工时,刀具和工件间的作用力都要通过支承件逐个传递,故支承件会变形。5.1 支承(zh chn)系统的功用和基本要求第四页,共62页。机械系统所受的动态力(如机床上变化的切削力、机械系统中旋转件的不平衡等)会使支承件和整个机械系统振动。严重的变形和振动会破坏被支承零、部件(bjin)的相互关系
4、。支承件在很大程度上影响着机械系统的安装精度、工作精度、抗振性和可靠性。因此,正确设计支承系统,对减轻重量、节约材料、降低成本、提高系统性能和寿命等至关重要。5.1 支承系统(xtng)的功用和基本要求第五页,共62页。梁类:一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零件。例:床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。板类:一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件。例:底座、基础板、工作台、刀架等。箱类:三个方向的尺寸大致一样的零件。例:箱体、壳体、机匣、升降台等。框架类:又称机架类。例:支架(zhji)、桥架、桁架等。按结构可分为整体式和装配式。5.1 支承系统(xtng)的功用和基本要求二、支
5、承系统的分类二、支承系统的分类按形状可分为按形状可分为(fn wi)(fn wi)四类:四类:第六页,共62页。三、支承系统的基本要求三、支承系统的基本要求 根据支承件的功用可知,对支承件的基本要求是:根据支承件的功用可知,对支承件的基本要求是:1.1.足够的静刚度足够的静刚度 2.2.较好的动特性较好的动特性 3.3.良好的热特性良好的热特性 4.4.小的内应力小的内应力 5.5.其他其他 在在设设计计(shj)(shj)支支承承件件时时,应应考考虑虑吊吊运运安安全全方方便便,液液压压、电电器器布布置置合合理理以以及及便便于于加加工工和和装装配配等等。而而对对于于机机床床的的支支承承件件,还
6、还要要考考虑虑便于冷却液、润滑液的回收,排屑方便等。便于冷却液、润滑液的回收,排屑方便等。5.1 支承系统的功用和基本(jbn)要求 按制造方法又可分为铸造、焊接、铆接(moji)和组合式四类。第七页,共62页。支承件的设计步骤:支承件的设计步骤:首首先先进进行行受受力力分分析析,再再根根据据受受力力和和其其他他要要求求(如如排排屑屑、安安装装其其他他零零件件等等)参参考考同同类类机机械械系系统统设设计计支支承承件件的的形形状状(xngzhun)(xngzhun)和和尺尺寸寸,然然后后,在在计计算算机机上上用用有有限限元元法法进进行行验验算算,求求出出它它的的静静、动动态态特特性性。经经多多次
7、次修修改改,并并从从几几个个方方案案中中选选出出最最好好的的方方案案。这这样样,可可在在设设计计阶阶段段预预测测支支承承件件的的性性能能,从从而而避免盲目性。避免盲目性。5.1 支承系统的功用(gngyng)和基本要求第八页,共62页。5.2 支承系统(xtng)的静刚度支承件的静刚度支承件的静刚度 支支承承件件在在静静载载荷荷(zi(zi h)h)作作用用下下抵抵抗抗变变形形的的能力。能力。1.1.自身自身(zshn)(zshn)刚刚度度2.2.局部局部刚刚度度3.3.接触接触刚刚度度第九页,共62页。图 5-1 截面畸变FF(b)(c)(a)Fc1Fc2图 5-2 局部变形 2.2.局局
8、部部 刚刚 度度:局局 部部 变变 形形(bin(bin xng)xng)发发生生在在载载荷荷集集中中之之处。处。5.2 支承(zh chn)系统的静刚度 1.1.自自身身刚刚度度:支支承承(zh(zh chn)chn)件件抵抗自身抵抗自身变变形的能力。形的能力。支支承承(zh(zh chn)chn)件件所所受受的的载载荷荷主主要要是是拉拉压压和和弯弯扭扭,其其中中弯弯扭扭是是主主要要的的。因因此此,支支承承(zh(zh chn)chn)件件的的自自身身刚刚度度,主要考主要考虑虑的是弯曲的是弯曲刚刚度和扭度和扭转刚转刚度。度。第十页,共62页。3.3.接接触触刚刚度度:两两个个平平面面接接触触
9、时时,不不可可能能(knng)(knng)是是理理想想的的平平,因因而而实实际际接接触触面面积积只只是是名名义义接接触触面面积积的的一一部部分分。再再加加上微观的不平,两平面真正接触的只是一些高点。上微观的不平,两平面真正接触的只是一些高点。5.2 支承(zh chn)系统的静刚度 影响接触刚度的因素有:接触表面的粗糙度、接触表面的实际接触点及其均匀分布程度、构件材料的弹性(tnxng)和塑性、载荷(相对运动接触面)或预加载荷(固定接触面)的大小及其分布。对对于于螺螺栓栓固固定定联联接接的的接接触触面面,通通过过确确定定紧紧固固螺螺栓栓的的数数量量及及其其分分布布,规规定拧紧螺栓的扭矩来提高接
10、触刚度。定拧紧螺栓的扭矩来提高接触刚度。对对于于重重要要表表面面可可通通过过合合理理确确定定其其表表面面硬硬度度,增增加加单单位位面面积积内内的的接接触触点点数数等等措措施施来来进进一一步步提提高高接接触触刚刚度度。例例:对对于于机机床床固固定定接接触触面面,高高精精度度机机床床要要求每求每25mm25mm25mm25mm接触点达接触点达1212点,精密机床点,精密机床8 8点,普通机床点,普通机床6 6点。点。第十一页,共62页。5.3 支承(zh chn)系统结构设计 选择支承件截面形状的原则:具备较高的刚度(n d)和强度;便于安装其他零部件。支承件承受的载荷主要是弯矩和扭矩,其变形主要
11、是弯曲和扭转。抗弯、抗扭刚度(n d)与截面面积和截面形状(惯性矩)有密切关系。常见截面形状的抗弯、抗扭惯性矩如表5-1一、截面一、截面(jimin)(jimin)形状选择形状选择第十二页,共62页。序 号1234截面形状抗弯惯性矩cm480024164027%100302503抗扭惯性矩cm4160048328054108%1003025037表表5.1 5.1 截面截面(jimin)(jimin)形状和惯性矩的关系形状和惯性矩的关系5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题第十三页,共62页。序 号5678截面形状抗弯惯性矩cm4833246041706930%104308521866
12、抗扭惯性矩cm41460415170375590%882594403505.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第十四页,共62页。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题由惯性矩的相对值可以看出:1.空心截面(jimin)惯性矩比实心的大,因此,加大轮廓尺寸、减小壁厚,可有效提高截面(jimin)刚度。2.方形截面(jimin)抗弯能力大,圆形截面(jimin)抗扭能力强,矩形截面(jimin)抗弯能力更好。3.封 闭 截 面(jimin)比 非 封 闭 截 面(jimin)的刚度大的多。第十五页,共62页。二、合理设置肋板和肋条二、合理设置肋板和肋条 一般说来,提高支承件的强度和刚
13、度有两种方法:一般说来,提高支承件的强度和刚度有两种方法:增加壁厚;设置肋板和肋条。增加壁厚;设置肋板和肋条。通通常常设设置置肋肋板板和和肋肋条条的的方方法法更更为为(n(n wi)wi)有有效效,既可保证质量,又可减轻重量。既可保证质量,又可减轻重量。1.1.隔板隔板(肋板肋板)在在两两壁壁之之间间起起连连接接(linji)(linji)作作用用的的内内壁壁称称为为隔隔板板(或或肋肋板板)。隔隔板板的的功功用用在在于于将将支支承承件件外外壁壁的的局局部部载载荷荷传传递递给给其其他他壁壁板板,由由整整个个支支承承件件各壁板共同均匀地承受载荷,从而提高支承件的自身刚度。各壁板共同均匀地承受载荷,
14、从而提高支承件的自身刚度。5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题第十六页,共62页。(a)纵向隔板AA(b)横向隔板图5-4 隔板的布置形式(c)斜向隔板 图5-4a为纵向隔板(bn),其隔板(bn)布置在弯曲平面内,能够有效地提高支承件的抗弯刚度。图b为横向隔板(bn),主要用于提高空心支承件的抗扭刚度。图c为斜向隔板(bn),兼有提高抗弯和抗扭刚度的效果。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题隔板有纵向隔板、横向隔板和斜向隔板三种基本(jbn)形式。第十七页,共62页。2.2.肋条肋条 肋肋条条又又称称为为加加强强筋筋,它它与与隔隔板板的的区区别别(qbi)(qbi)
15、在在于于筋筋条条不不是是连连接接两两壁壁而而是是布布置置在在某某壁壁上上,高高度度一一般般较较小小。主主要要是是为为了了减减少少局局部部变变形形和和抑抑制制薄薄壁壁振振动动,这这对对于于需需在在内内部部安安装装其其他他机机构构而而妨妨碍碍设设置置隔隔板板的的支支承承件件来来说说,是是一一种种行行之之有有效的方法。效的方法。(e)米字形筋(a)直筋(f)井字形筋(b)三角形筋(c)交叉筋(d)蜂蜜形筋图5-5 筋条的布置形式 例:图例:图5-55-5是壁板上的几种肋条是壁板上的几种肋条(li tio)(li tio)布置形式。布置形式。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题第十八页,共6
16、2页。设设计计支支承承件件的的结结构构必必须须重重视视它它的的工工艺艺性性,包包括括铸铸造造、焊焊接接以以及及机机械械加加工工的工艺性。的工艺性。例例如如,铸铸件件的的壁壁厚厚应应尽尽量量均均匀匀或或截截面面变变化化平平缓缓,要要有有出出砂砂孔孔使使于于水水爆爆清清砂或机械化清砂(风轮能进入砂或机械化清砂(风轮能进入(jnr)(jnr)铸件内),要有起吊孔等。铸件内),要有起吊孔等。结结构构工工艺艺性性不不单单是是个个理理论论问问题题,因因此此,除除要要学学习习现现有有理理论论(参参阅阅手手册册等等文献)外,还要注意在实践中学习,注重积累经验。文献)外,还要注意在实践中学习,注重积累经验。5.
17、3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第十九页,共62页。三、材料的选择和时效处理三、材料的选择和时效处理 1.1.铸铸铁铁 5.5.天天然岩石然岩石(ynsh)(ynsh)及陶瓷及陶瓷 2.2.钢钢 6.6.时效处理时效处理 3.3.轻轻合合金金 7.7.焊接支承件焊接支承件 4.4.混凝土混凝土 5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题第二十页,共62页。1.铸铁 铸铁的铸造性能好,易于铸造结构复杂的支承(zh chn)件,并具有良好的减振性和耐磨性,价格便宜,应用最广。但铸件需作木模,制造周期较长。支承(zh chn)件常用的铸铁材料有灰铸铁(HT100、HT150、HT20
18、0、HT250、HT300)、球墨铸铁(QT450-10、QT800-02)及耐磨铸铁等。5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题第二十一页,共62页。2.2.钢钢 铸铸钢钢的的弹弹性性模模量量(tn(tn xn xn m m lin)lin)较较大大,强强度度大大于于铸铸铁铁,且且抗抗拉拉和和抗抗压压强强度度接接近近相相等等。有有些些特特种种钢钢还还有有耐耐热热、耐耐蚀蚀等等特特殊殊功功能能。但但铸铸造造性性能能和和抗抗振振性性不不如如铸铸铁铁。一一般般只只有有需需要要支支承承件件的的强强度度高高、刚刚度度大大且且形形状状又又不不复复杂杂时时,才才考考虑虑采采用用铸铸钢钢。支支承
19、承件件常常用用的铸钢材料有的铸钢材料有ZG200-400ZG200-400、ZG230-450 ZG270-500ZG230-450 ZG270-500等。等。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第二十二页,共62页。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题3.3.轻合金轻合金 轻轻合合金金应应用用于于支支承承件件较较多多的的是是铝铝合合金金。它它的的密密度度只只有有铁铁的的1/31/3,且且有有些些铝铝合合金金还还可可以以通通过过热热处处理理进进行行强强化化,使使其其具具有有足足够够高高的的强强度度,并并有有较较好好的的塑塑性性、良良好好的的低低温温韧韧性性和和耐耐热热性性。目目前前
20、,日日本本轿轿车车的的发发动动机机缸缸体体已已全全部部采采用用(ciyng)(ciyng)高高强强度度铝铝合合金金,部部分分变变速速箱箱也也开开始始采采用用(ciyng)(ciyng)铝铝合合金金。所所以以,对对于于减减轻轻支支承承件件重重量量具具有有重重大大意意义义的的运运行行式式机机械械如如飞飞机机、汽汽车车、拖拖拉机、起重机等来说,应考虑采用拉机、起重机等来说,应考虑采用(ciyng)(ciyng)轻合金。轻合金。支支 承承 件件 常常 用用 的的 铸铸 铝铝 合合 金金 材材 料料 有有 ZAlSi7MgZAlSi7Mg、ZAlSi9MgZAlSi9Mg、ZA1Si12Cu2Mg1ZA
21、1Si12Cu2Mg1、ZalZn11Si7ZalZn11Si7。第二十三页,共62页。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题4.4.混凝土混凝土 这这类类支支承承件件主主要要应应用用于于机机床床中中的的床床身身、立立柱柱、底底座座(dzu)(dzu)等等。混混凝凝土土的的比比重重是是钢钢的的1/81/8,弹弹性性模模量量是是钢钢的的1/101/101/161/16,阻阻尼尼高高于于铸铸铁铁、且且成成本本低低廉廉,适适用用于于制制造造受载面积大、抗振性要求高的支承件。受载面积大、抗振性要求高的支承件。目目前前,在在高高速速切切削削机机床床,持持别别是是超超高高速速切切削削机机床床的的床床身
22、身制制造造中中,由由于于主主轴轴直直径径的的圆圆周周速速度度已已达达到到或或超超过过125m/s125m/s,为为了了获获得得良良好好的的动动态态性性能能,床床身身完完全全由由聚聚合合水水泥混凝土材料制成。泥混凝土材料制成。第二十四页,共62页。5.5.天然岩石及陶瓷天然岩石及陶瓷 这这一一类类材材料料膨膨胀胀系系数数小小,热热稳稳定定性性好好,又又经经长长期期自自然然时时效效,残残余余应应力力(yngl)(yngl)小小,性性能能稳稳定定、精精度度保保特特性性好好,阻阻尼尼系系数数比比钢钢大大1616倍倍,耐耐磨磨性性比比铸铸铁铁高高6 61010倍倍。目目前前在在三三坐坐标标测测量量机机工
23、工作作台台、金金刚刚石石车车床床床床身身的的制制造造中中,已已将将花花岗岗岩岩、大大理理石作为其标准材料,国外还出现了采用陶瓷制造的支承件。石作为其标准材料,国外还出现了采用陶瓷制造的支承件。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第二十五页,共62页。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题6.6.时效处理时效处理 支支承承件件在在铸铸造造或或焊焊接接过过程程中中所所产产生生的的残残余余应应力力,必必须须予予以以消消除除(xioch)(xioch),以以免免在在使使用用过过程程中中因因残残余余应应力力重重新新分分布布或或逐逐渐渐消消失失而而产产生生变变形形。普普通通粘粘度度的的支支承承件
24、件,安安排排一一次次时时效效处处理理即即可可。精精密密支支承承件件则则常常在在粗粗加加工工前前后后各各安安排排一一次次时时效效处处理理。至至于于高高精精度度支支承承件件,除除进进行行两两次次时时效效处处理理外外,还还应应将将支支承承件件坯坯件件放放在在露露天一年左右,以进行自然时效处理。天一年左右,以进行自然时效处理。第二十六页,共62页。5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题7.7.焊接支承件焊接支承件 据据统统计计,全全世世界界约约有有45%45%的的钢钢材材采采用用焊焊接接方方法法来来成成形形,其其中中大大部部分分用用作作支支承承件件。焊焊接接支支承承件件一一般般由由钢钢板
25、板和和钢钢管管等等型型钢钢焊焊接接而而成成。由由于于焊焊接接结结构构壁壁厚厚薄薄、重重量量轻轻、固固有有频频率率高高,并并能能通通过过有有效效措措施施(cush)(cush)提提高高抗抗振振性性,且且能能大大大大缩缩短短生生产产周周期期,因因而而在在改改型型和和单单件件小小批批生生产产中中,特特别别是是大大型型、重重型型机机械械中中应应用用得得较较为为普普遍遍。支支承承件件常常用用的的焊焊接接材材料料有有Q235Q235、2020和和2525号碳钢、号碳钢、15Mn15Mn、16Mn16Mn、20Mn20Mn、16MnTi16MnTi、15MnSi15MnSi等。等。第二十七页,共62页。5.
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