如何做好機床支承大件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在前面的文章里，我們分享過很多機床上使用的外購件和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇和定型設(shè)計，這篇文章我們主要來討論一下機床支承大件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　這篇文章有很多純理論的東西，但是我也會結(jié)合自己在設(shè)計過程中的一些經(jīng)驗來做相應(yīng)的分析，盡量讓文章不那么因為理論化而顯得枯燥無味，但是一些理論上的支持是肯定無法避免的，因為設(shè)計工作本來就是一個科學(xué)研究的事情。

　　之所以在題目上就聚焦于機床設(shè)計這一塊，是因為本身我就是做這一塊出身的，對這一塊有一定的熟悉和了解，同時對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹一定是需要一個特定的案例來說其中的一些理論問題的，所以適當(dāng)?shù)木劢箷屛覀兏菀装褑栴}說清楚，大家也便于理解。

　　當(dāng)然對于我而言，做自己最擅長的事情，自然會得心應(yīng)手一些，這樣也相對更有底氣一些，至于那些我沒有做過的設(shè)備的相應(yīng)設(shè)計，在這里也可以做適當(dāng)?shù)膮⒖嫉模吘箼C械設(shè)計很多地方都是相通的。

　　首先，我們先要確認(rèn)什么零件才能稱之為機床的支承大件。

　　根據(jù)行業(yè)約定俗成的定義，機床支承大件通常是指床身、立柱、工作臺，滑鞍，底座，橫梁、滑枕、箱體等部件，它們是其它零、部件賴以連接、固定和運動的基礎(chǔ)。

　　同時一臺機床的整體功能，在很大程度上取決于其支承大件的結(jié)構(gòu)功能。

　　一、機床支承大件的功能要求

　　1)尺寸容量

　　機床支承大件的形體尺寸(也稱之為外形尺寸)，如銑床、鏜床、車床等機床，他們能容納加工零件的最大輪廓尺寸。

　　同時也要考慮這些機床的加工刀具與工件之間相對運動的最大行程，也就是機床的加工行程，這是研發(fā)一臺機床的主要技術(shù)指標(biāo)，也是其它一切研發(fā)的基礎(chǔ)依據(jù)。

　　2)性能要求

　　機床支承大件的性能要求是指為了保證整機功能可靠的剛度和強度支承，其結(jié)構(gòu)功能應(yīng)保證在工作情況下的工作應(yīng)力、變形、擾度和位移保持在規(guī)定范圍以內(nèi)，因此，必須滿足一下幾個要求：

　　(1)靜剛度要高，在承受最大載荷時，變形量不要超過規(guī)定值;在支承大件本體移動時，或其它部件在大件上移動時，靜剛度的變化要小。

　　(2)動剛度要好，在預(yù)定的切削條件下工作時，其振動和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)。

　　(3)溫度分布合理，工作時的熱變形對加工精度的影響小。

　　(4)導(dǎo)軌的受力合理，耐磨性能良好。

　　3)技術(shù)與經(jīng)濟效率

　　這也是設(shè)計工程師需要考慮的范疇，一個好的機械設(shè)計工程師不僅要技術(shù)過硬，還有具有強烈的產(chǎn)品安全意識和成本意識，以下幾點是非常重要的：

　　(1)確保操作者在最安全和最方便的情況下進行機床的調(diào)整與操作

　　安全無小事，這個理念在機床的設(shè)計之初就要做充分的考慮，哪怕是犧牲一些經(jīng)濟性能和外觀考量，安全的可靠性都必須要切實的保證。

　　(2)保證機床維護與維修具有滿意的條件，易于安全運輸和裝卸

　　這個要求設(shè)計工程師在設(shè)計大件布局的時候，要充分考慮裝配、調(diào)整、維護的可操作空間及其方便性，并充分考慮吊裝的便捷性和可操作性。

　　因為一臺機床少則幾噸，多則幾十噸，如果沒有合理的吊裝位置考慮，后續(xù)的運輸和就位幾乎是不可能完成，這也是考量一個設(shè)計工程師的設(shè)計能力的地方。

　　(3)結(jié)構(gòu)的總重量與元器件重量的分布要滿足技術(shù)與經(jīng)濟性要求，并能低成本、高效率地進行制造和安裝

　　也就是說，在滿足剛度和強度的前提下，盡量減輕結(jié)構(gòu)的重量，既便于運輸、安裝與調(diào)試，也可以節(jié)約制造成本。

　　4)外觀造型要求

　　每個時代對機床設(shè)備的要求是不一樣的，上個世紀(jì)我們對機床的外觀造型可能并沒有太多的想法，很多時候都是聚焦在機床的性能與成本上。

　　但是隨著時代的發(fā)展，科技的進步，尤其是人民物質(zhì)文化生活的極大豐富，對各種產(chǎn)品的審美要求也隨之水漲船高，雖然機床設(shè)備主要還是以性能取勝。

　　但是我們也應(yīng)該清醒的看到，現(xiàn)代人對機床的整體外形的要求也是越來越高，除了買到好用的、實用的機床性能。

　　我們還希望自己能買到一臺好看的機床設(shè)備，也確實有些機床制造廠家在機床的外觀上越來越多的在下功夫，花成本，想DMG的機床就是一個很好的范例，做得真TM的漂亮，像一件工業(yè)藝術(shù)品，讓人賞心悅目。

　　一個好的產(chǎn)品不單體現(xiàn)在其使用性能上，也同時體現(xiàn)在其給人外觀感受上，這已經(jīng)是這個時代給我的要求，是大勢所趨，人心所向。

　　二、機床大件的結(jié)構(gòu)特征

　　1)機床大件的形體結(jié)構(gòu)特征

　　機床的床身、立柱、工作臺，滑鞍，底座，橫梁、滑枕、箱體等支承大件，就其形體結(jié)構(gòu)有如下兩個特征：

　　(1)空間板系組合結(jié)構(gòu)

　　從零件的整體看，我們看到的是一個大的一體化結(jié)構(gòu)，但是如果你對其做相應(yīng)的分拆，你就會發(fā)現(xiàn)，這個大件的結(jié)構(gòu)其實由很多空間筋板組合而成的，不同厚度、不同尺寸、不同空間方向的筋板按結(jié)構(gòu)要求有機的組合，最終形成一個支承大件。

　　(2)空間力系載體

　　機床在靜態(tài)和動態(tài)中可能產(chǎn)生各種各樣的作用力，這些作用力都是間接或者直接的有各個大件來承受。

　　它們有：切削力、重力(工件及機床自重)、摩擦力(指移動部件和固定部件相對運動時導(dǎo)軌面間的摩擦力)、夾緊力(指連接大件和移動部件間的連接力)、彈性力、沖擊或振動干擾力(外加激振力)、熱應(yīng)力等。

　　機床大件的設(shè)計，通常把各種力歸納為靜態(tài)力和動態(tài)力，再分別研究結(jié)構(gòu)的靜剛度和動剛度，對于大型、重型、高速精密機床的大件，還要考慮到?jīng)_擊或振動干擾力的作用下，可能產(chǎn)生位移、速度和加速度，以及由于板壁失穩(wěn)而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)段面形狀畸形和噪聲等動力響應(yīng)問題。

　　對于高速精密機床、如磨床，由于加工過程中產(chǎn)生大量的切削熱，以及電機和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，因此還應(yīng)考慮到大件的熱變形問題，所以，機床支承大件的設(shè)計需要進行受力，變形和剛度的分析。

　　2)結(jié)構(gòu)工藝性特征

　　結(jié)構(gòu)工藝性是指在一定生產(chǎn)規(guī)模條件下，實現(xiàn)產(chǎn)品特定功能所需的材料、加工和裝配方法的經(jīng)濟性原則。

　　我們著重介紹一下，目前大多數(shù)企業(yè)比較常用的兩種結(jié)構(gòu)工藝特征。

　　(1)鑄造結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)采用的材料是灰口鑄鐵，其生產(chǎn)方法為鑄造工藝方法，其生產(chǎn)周期一般較長，適合大、中批量的中、小型產(chǎn)品的生產(chǎn)，其產(chǎn)品精度較多的分布在普通級精度和精密級精度產(chǎn)品。

　　市場的適應(yīng)性一般，但是也是最為使用廣泛的結(jié)構(gòu)工藝方式。

　　(2)焊接結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)采用的材料是鋼板和型鋼，其生產(chǎn)方法為焊接工藝方法，其生產(chǎn)周期一般較短，適合單件、小批量的大、中型產(chǎn)品的生產(chǎn)，其產(chǎn)品精度較多的分布在精密級精度和高精度等產(chǎn)品，市場的適應(yīng)性很好，也是目前使用非常方法的結(jié)構(gòu)工藝方式。

　　還有一些其它的結(jié)構(gòu)工藝特征，如鋼與鑄鐵的符合結(jié)構(gòu)，金屬與金屬，金屬與非金屬等符合結(jié)構(gòu)特征，因其使用的范圍和產(chǎn)品相對單一和小眾，在這里我們不作一一的介紹。

　　三、機床大件設(shè)計的基本方法

　　機床支承大件設(shè)計的基本方法有三中，他們分別是：類比設(shè)計法、力學(xué)設(shè)計法、有限元法設(shè)計法，下面我們就分別介紹一下這些設(shè)計方法。

　　1)類比設(shè)計法

　　這種設(shè)計方法是以長期的設(shè)計經(jīng)驗作為依據(jù)而進行的一種改良性的傳統(tǒng)設(shè)計方法，是一種比較簡便和實用的設(shè)計方法，這種設(shè)計方法在企業(yè)的使用非常多見。

　　基本上所有企業(yè)都或多或少的存在這種設(shè)計方法，這也是很多畢業(yè)生進入職場后很不理解的一種設(shè)計方法，覺得和學(xué)校學(xué)習(xí)的那些力學(xué)計算，校核等差得太遠(yuǎn)了，簡直就是野路子，亂搞，其實不是這樣子。

　　一個好的類比設(shè)計，除了參考和改良的經(jīng)驗設(shè)計外，也會相應(yīng)的做一些輔助的力學(xué)設(shè)計、和模型試驗，但是不會大規(guī)模的來做這些力學(xué)分析和剛強度的校核。

　　通常機床的大件都是采用鑄鐵的材料居多，而鑄鐵的彈性模量E值是不穩(wěn)定的，不便于使用力學(xué)計算進行設(shè)計，因為這種類比設(shè)計方法就非常適合用在這里，也是我們做機床大件設(shè)計的主要設(shè)計方法。

　　這種設(shè)計方式適用于灰鑄鐵材料的機床大件的設(shè)計，也適用于一般機床大件由鑄鐵改為焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

　　2)力學(xué)設(shè)計

　　評價機床結(jié)構(gòu)的主要標(biāo)志是機床的整體剛性，力學(xué)設(shè)計主要指運用古典力學(xué)原理進行剛度設(shè)計。

　　設(shè)計方法是通過合理的組合和布局大件，減小大件承受的彎矩和轉(zhuǎn)矩，然后對大件進行力學(xué)分析，計算位移，應(yīng)變和應(yīng)力。

　　對于大型和重型機床要重視其自身重量引起的變形影響，并選定結(jié)構(gòu)材料，設(shè)計結(jié)構(gòu)形狀，確定結(jié)構(gòu)尺寸，布置筋板，必要時對機床整體靜剛度進行試驗，對發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進行改進設(shè)計。

　　這種設(shè)計方式適用于機床大件焊接結(jié)構(gòu)剛度的定性設(shè)計，也適用于類比設(shè)計中的校核計算。

　　3)有限元法設(shè)計

　　根據(jù)固體力學(xué)中的能量原理，借助計算機對各種結(jié)構(gòu)和有關(guān)場地問題進行近似的分析、計算。

　　在現(xiàn)代工程設(shè)計計算中，被公認(rèn)為是一種十分有效的數(shù)值計算設(shè)計方法，特別適用于空間板系或板梁等組合結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能和熱態(tài)性能的分析、計算。

　　這種設(shè)計方法適用于大型、精密、高精度機床的大件設(shè)計。

　　四、機床大件的結(jié)構(gòu)材料

　　機床支承大件采用的結(jié)構(gòu)材料，主要決定于機床技術(shù)發(fā)展的需要，以大型和重型化為目標(biāo)的機床，材料的力學(xué)性能起著決定性的作用;

　　以超速、超精加工為目標(biāo)的現(xiàn)代化數(shù)控機床，對其結(jié)構(gòu)材料還要求具備高的減震性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性等綜合的力學(xué)、物力和化學(xué)性能。

　　但是，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，對機床的結(jié)構(gòu)材料的特殊性能要求也日益多樣化起來，往往不是某種單一材料所能滿足的，材料的品類和樣式也在發(fā)生著多元化的變化。

　　但在這篇文章里，我們著重講一下灰鑄鐵的材料特性，這也是我們的機床大件使用最廣泛的材料，最具有代表性的材料。

　　灰鑄鐵的牌號、力學(xué)性能及應(yīng)用范圍

　　1)HT150 鑄造壁厚通常在2.5mm到50mm之間，抗拉強度在175-120MPa之間，適用于機床端蓋、軸承座、閥殼手輪，一般的機床底座、床身、工作臺，滑座及其它復(fù)雜零件的鑄造設(shè)計。

　　2)HT200 鑄造壁厚通常在2.5mm到50mm之間，抗拉強度在220-160MPa之間，適用于一般機床的床身、機體、種等壓力(小于7840kPa)液壓缸、泵和閥體、齒輪、飛輪、齒條等。

　　3)HT250 鑄造壁厚通常在5mm到50mm之間，抗拉強度在270-200MPa之間，適用于液壓缸、氣缸、聯(lián)軸器、機體、齒輪、齒輪箱殼體、飛輪、軸承座、凸輪、襯筒等。

　　4)HT300 鑄造壁厚通常在10mm到50mm之間，抗拉強度在290-230MPa之間，適用于齒輪、凸輪、車床卡盤、剪床、壓力機機身、磚塔車床、自動車床及其它重載荷機床的鑄有導(dǎo)軌的床身、高壓液壓缸、液壓泵和滑閥殼體等。

　　5)HT350 鑄造壁厚通常在10mm到50mm之間，抗拉強度在290-240MPa之間，適用于齒輪、凸輪、車床卡盤、剪床、壓力機機身、磚塔車床、自動車床及其它重載荷機床的鑄有導(dǎo)軌的床身、高壓液壓缸、液壓泵和滑閥殼體等。

　　灰鑄鐵材料易于鑄造，且切削加工性能好，制造成本低廉，并具有良好的耐磨性和減振性，是傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)大件的主要使用材料。

　　根據(jù)是設(shè)計的大件的特點和使用性能要求，對應(yīng)上述灰鑄鐵的牌號進行選擇就可以了，一般不會出現(xiàn)太大的偏差，我通常選用的機床大件的灰鑄鐵牌號為HT250。這個牌號是各種綜合性能比較好的。

　　5、機床支承大件的壁厚確定(主要介紹鑄件)

　　機床支承大件結(jié)構(gòu)的壁厚確定，首先要根據(jù)結(jié)構(gòu)件截面慣性矩的要求，除了考慮結(jié)構(gòu)的截面形狀和板壁孔等影響以外，還要考慮結(jié)構(gòu)工藝要求。

　　鑄鐵的彈性模量是不穩(wěn)定的，機床支承大件的壁厚，應(yīng)根據(jù)鑄造工藝要求，盡可能的選擇得薄一些，下面推薦一個砂模鑄造的最薄壁厚尺寸推薦值。

　　在這里要和大家確認(rèn)幾個與現(xiàn)實中很相關(guān)的知識，關(guān)于鑄件鑄造問題的，根據(jù)我的個人經(jīng)歷，你需要知道一下幾個點：

　　1)你在設(shè)計時給出的理論壁厚是不一定能夠得到實際執(zhí)行的

　　因為鑄造廠的工藝能力和關(guān)注的焦點是有偏差的。首先是鑄造能力，這個跟鑄造廠選擇的材料，工藝水準(zhǔn)都有很大相關(guān)性。

　　如果他們就是無法達到你的壁厚要求，最后妥協(xié)的往往還是你，因為壁厚太薄了，牽涉到一個鐵水流動性的問題，壁厚過薄，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的零件，在鐵水冷卻前無法到達既定的型腔，從而導(dǎo)致鑄造有缺陷。

　　你在這種情況下只能妥協(xié)，也就是說你的設(shè)計沒有現(xiàn)實的可操作性。第二個原因是鑄造廠和我們技術(shù)鑄件售價的時候是以重量來計算的，所以單個零件的重量越重，他們能賺到的就越多。

　　在這種情況下，如何來提高單個零件的重量呢?只有增加壁厚，所以你拿到手的零件毛坯通常要比你估算的要重，或者重的多。

　　2)鑄造變形和缺陷需要壁厚有一定的保守余量

　　特別是加工面，拋除鐵水因冷卻過快而無法達到注滿型腔的情況不算，鑄件通常的缺陷還有疏松、夾砂、氣孔、砂眼等諸多鑄造缺陷。

　　而這些缺陷很大程度上會降低鑄件的剛性和強度，所以在設(shè)計余量上我們也要充分的考慮這些現(xiàn)實中操作帶來的誤差和不可避免的不足。

　　3)鑄件的木模的誤差

　　造型的木模在制作和使用過程中都會存在誤差，包括后期的磨損都會導(dǎo)致鑄件壁厚的增加，而這種增加是無可避免的，所以這也是我們需要對此有足夠的認(rèn)識和預(yù)估的。

　　六、機床支承大件的結(jié)構(gòu)布局

　　機床大件的布局，主要是結(jié)構(gòu)上的一些處理，采用什么樣的結(jié)構(gòu)，每個設(shè)計者需要根據(jù)自己研發(fā)的產(chǎn)品的具體功能要求和結(jié)構(gòu)特點來確定，但是其中的肋板的布置還是有一定的規(guī)律和要求的。

　　我們現(xiàn)在以一個立式加工中心的立柱為例子來說明一下：

　　加強肋板主要有三種肋板，它們分別是：橫向肋板、縱向肋板和對角肋板。

　　在上圖中，我們可以清晰的看到這三種肋板的組合使用，但是有一個需要注意的地方，因為如果直接使用對角肋板兩條相交，那相交的位置因為尖角的原因會堆積大量的鑄造內(nèi)應(yīng)力，所以我們通常會用一個圓環(huán)肋板來做一個節(jié)點過渡，這樣可以最大限度的消除鑄造內(nèi)應(yīng)力。

　　我們還可以看一下下面這種結(jié)構(gòu)的肋板布局：

　　這種布局是橫向肋板和縱向肋板的組合居多，尤其是上半部分的橫豎組合，但是在他們交接的地方也是需要較大的圓角過渡的，其作用也是最大限度的消除鑄造內(nèi)應(yīng)力，讓零件的材質(zhì)更加穩(wěn)定和均勻。

　　肋板的布局要考慮大件的受力，在受力位置大的地方要尤其考慮肋板的布局方向和布局密度，這個設(shè)計采用類比法就可以了，當(dāng)然如果有條件的話，做一些相應(yīng)的受力分析，特別是局部的受力分析也是挺好的選擇，畢竟有理論依據(jù)的設(shè)計讓人更放心一些。

　　其實一個大件的結(jié)構(gòu)設(shè)計還牽涉到其它很多細(xì)節(jié)的地方，例如連接方式的考慮和設(shè)計，連接螺釘?shù)倪x擇與校核等等，這些細(xì)節(jié)上的處理和設(shè)計，更多是依賴設(shè)計自己在平時設(shè)計過程中的積累與探索，這個世界上沒有最好的設(shè)計，只有最適合的設(shè)計，適合的才是最好的。

　　如果您有這方面的經(jīng)驗，歡迎評論留言分享。

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