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如何做好机床支承大件结构设计

  在前面的文章里,我们分享过很多机床上使用的外购件和标准件的选择和定型设计,这篇文章我们主要来讨论一下机床支承大件的结构设计。

  这篇文章有很多纯理论的东西,但是我也会结合自己在设计过程中的一些经验来做相应的分析,尽量让文章不那么因为理论化而显得枯燥无味,但是一些理论上的支持是肯定无法避免的,因为设计工作本来就是一个科学研究的事情。

  之所以在题目上就聚焦于机床设计这一块,是因为本身我就是做这一块出身的,对这一块有一定的熟悉和了解,同时对于结构设计的介绍一定是需要一个特定的案例来说其中的一些理论问题的,所以适当的聚焦会让我们更容易把问题说清楚,大家也便于理解。

  当然对于我而言,做自己最擅长的事情,自然会得心应手一些,这样也相对更有底气一些,至于那些我没有做过的设备的相应设计,在这里也可以做适当的参考的,毕竟机械设计很多地方都是相通的。

  首先,我们先要确认什么零件才能称之为机床的支承大件。

  根据行业约定俗成的定义,机床支承大件通常是指床身、立柱、工作台,滑鞍,底座,横梁、滑枕、箱体等部件,它们是其它零、部件赖以连接、固定和运动的基础。

  同时一台机床的整体功能,在很大程度上取决于其支承大件的结构功能。


  一、机床支承大件的功能要求


  1)尺寸容量

  机床支承大件的形体尺寸(也称之为外形尺寸),如铣床镗床车床等机床,他们能容纳加工零件的最大轮廓尺寸。

  同时也要考虑这些机床的加工刀具与工件之间相对运动的最大行程,也就是机床的加工行程,这是研发一台机床的主要技术指标,也是其它一切研发的基础依据。


  2)性能要求

  机床支承大件的性能要求是指为了保证整机功能可靠的刚度和强度支承,其结构功能应保证在工作情况下的工作应力、变形、扰度和位移保持在规定范围以内,因此,必须满足一下几个要求:

  (1)静刚度要高,在承受最大载荷时,变形量不要超过规定值;在支承大件本体移动时,或其它部件在大件上移动时,静刚度的变化要小。

  (2)动刚度要好,在预定的切削条件下工作时,其振动和噪声应在允许范围内。

  (3)温度分布合理,工作时的热变形对加工精度的影响小。

  (4)导轨的受力合理,耐磨性能良好。


  3)技术与经济效率

  这也是设计工程师需要考虑的范畴,一个好的机械设计工程师不仅要技术过硬,还有具有强烈的产品安全意识和成本意识,以下几点是非常重要的:

  (1)确保操作者在最安全和最方便的情况下进行机床的调整与操作

  安全无小事,这个理念在机床的设计之初就要做充分的考虑,哪怕是牺牲一些经济性能和外观考量,安全的可靠性都必须要切实的保证。

  (2)保证机床维护与维修具有满意的条件,易于安全运输和装卸

  这个要求设计工程师在设计大件布局的时候,要充分考虑装配、调整、维护的可操作空间及其方便性,并充分考虑吊装的便捷性和可操作性。

  因为一台机床少则几吨,多则几十吨,如果没有合理的吊装位置考虑,后续的运输和就位几乎是不可能完成,这也是考量一个设计工程师的设计能力的地方。

  (3)结构的总重量与元器件重量的分布要满足技术与经济性要求,并能低成本、高效率地进行制造和安装

  也就是说,在满足刚度和强度的前提下,尽量减轻结构的重量,既便于运输、安装与调试,也可以节约制造成本。


  4)外观造型要求

  每个时代对机床设备的要求是不一样的,上个世纪我们对机床的外观造型可能并没有太多的想法,很多时候都是聚焦在机床的性能与成本上。

  但是随着时代的发展,科技的进步,尤其是人民物质文化生活的极大丰富,对各种产品的审美要求也随之水涨船高,虽然机床设备主要还是以性能取胜。

  但是我们也应该清醒的看到,现代人对机床的整体外形的要求也是越来越高,除了买到好用的、实用的机床性能。

  我们还希望自己能买到一台好看的机床设备,也确实有些机床制造厂家在机床的外观上越来越多的在下功夫,花成本,想DMG的机床就是一个很好的范例,做得真TM的漂亮,像一件工业艺术品,让人赏心悦目。

  一个好的产品不单体现在其使用性能上,也同时体现在其给人外观感受上,这已经是这个时代给我的要求,是大势所趋,人心所向。


  二、机床大件的结构特征


  1)机床大件的形体结构特征

  机床的床身、立柱、工作台,滑鞍,底座,横梁、滑枕、箱体等支承大件,就其形体结构有如下两个特征:

  (1)空间板系组合结构

  从零件的整体看,我们看到的是一个大的一体化结构,但是如果你对其做相应的分拆,你就会发现,这个大件的结构其实由很多空间筋板组合而成的,不同厚度、不同尺寸、不同空间方向的筋板按结构要求有机的组合,最终形成一个支承大件。

  (2)空间力系载体

  机床在静态和动态中可能产生各种各样的作用力,这些作用力都是间接或者直接的有各个大件来承受。

  它们有:切削力、重力(工件及机床自重)、摩擦力(指移动部件和固定部件相对运动时导轨面间的摩擦力)、夹紧力(指连接大件和移动部件间的连接力)、弹性力、冲击或振动干扰力(外加激振力)、热应力等。

  机床大件的设计,通常把各种力归纳为静态力和动态力,再分别研究结构的静刚度和动刚度,对于大型、重型、高速精密机床的大件,还要考虑到冲击或振动干扰力的作用下,可能产生位移、速度和加速度,以及由于板壁失稳而出现的结构段面形状畸形和噪声等动力响应问题。

  对于高速精密机床、如磨床,由于加工过程中产生大量的切削热,以及电机和液压系统的发热,因此还应考虑到大件的热变形问题,所以,机床支承大件的设计需要进行受力,变形和刚度的分析。


  2)结构工艺性特征

  结构工艺性是指在一定生产规模条件下,实现产品特定功能所需的材料、加工和装配方法的经济性原则。

  我们着重介绍一下,目前大多数企业比较常用的两种结构工艺特征。

  (1)铸造结构

  这种结构采用的材料是灰口铸铁,其生产方法为铸造工艺方法,其生产周期一般较长,适合大、中批量的中、小型产品的生产,其产品精度较多的分布在普通级精度和精密级精度产品。

  市场的适应性一般,但是也是最为使用广泛的结构工艺方式。

  (2)焊接结构

  这种结构采用的材料是钢板和型钢,其生产方法为焊接工艺方法,其生产周期一般较短,适合单件、小批量的大、中型产品的生产,其产品精度较多的分布在精密级精度和高精度等产品,市场的适应性很好,也是目前使用非常方法的结构工艺方式。

  还有一些其它的结构工艺特征,如钢与铸铁的符合结构,金属与金属,金属与非金属等符合结构特征,因其使用的范围和产品相对单一和小众,在这里我们不作一一的介绍。


  三、机床大件设计的基本方法


  机床支承大件设计的基本方法有三中,他们分别是:类比设计法、力学设计法、有限元法设计法,下面我们就分别介绍一下这些设计方法。


  1)类比设计法

  这种设计方法是以长期的设计经验作为依据而进行的一种改良性的传统设计方法,是一种比较简便和实用的设计方法,这种设计方法在企业的使用非常多见。

  基本上所有企业都或多或少的存在这种设计方法,这也是很多毕业生进入职场后很不理解的一种设计方法,觉得和学校学习的那些力学计算,校核等差得太远了,简直就是野路子,乱搞,其实不是这样子。

  一个好的类比设计,除了参考和改良的经验设计外,也会相应的做一些辅助的力学设计、和模型试验,但是不会大规模的来做这些力学分析和刚强度的校核。

  通常机床的大件都是采用铸铁的材料居多,而铸铁的弹性模量E值是不稳定的,不便于使用力学计算进行设计,因为这种类比设计方法就非常适合用在这里,也是我们做机床大件设计的主要设计方法。

  这种设计方式适用于灰铸铁材料的机床大件的设计,也适用于一般机床大件由铸铁改为焊接结构的设计。


  2)力学设计

  评价机床结构的主要标志是机床的整体刚性,力学设计主要指运用古典力学原理进行刚度设计。

  设计方法是通过合理的组合和布局大件,减小大件承受的弯矩和转矩,然后对大件进行力学分析,计算位移,应变和应力。

  对于大型和重型机床要重视其自身重量引起的变形影响,并选定结构材料,设计结构形状,确定结构尺寸,布置筋板,必要时对机床整体静刚度进行试验,对发现的薄弱环节进行改进设计。

  这种设计方式适用于机床大件焊接结构刚度的定性设计,也适用于类比设计中的校核计算。


  3)有限元法设计

  根据固体力学中的能量原理,借助计算机对各种结构和有关场地问题进行近似的分析、计算。

  在现代工程设计计算中,被公认为是一种十分有效的数值计算设计方法,特别适用于空间板系或板梁等组合结构的动态性能和热态性能的分析、计算。

  这种设计方法适用于大型、精密、高精度机床的大件设计。


  四、机床大件的结构材料


  机床支承大件采用的结构材料,主要决定于机床技术发展的需要,以大型和重型化为目标的机床,材料的力学性能起着决定性的作用;

  以超速、超精加工为目标的现代化数控机床,对其结构材料还要求具备高的减震性、耐磨性、热稳定性和抗腐蚀性等综合的力学、物力和化学性能。

  但是,随着现代技术的不断发展,对机床的结构材料的特殊性能要求也日益多样化起来,往往不是某种单一材料所能满足的,材料的品类和样式也在发生着多元化的变化。

  但在这篇文章里,我们着重讲一下灰铸铁的材料特性,这也是我们的机床大件使用最广泛的材料,最具有代表性的材料。


  灰铸铁的牌号、力学性能及应用范围

  1)HT150 铸造壁厚通常在2.5mm到50mm之间,抗拉强度在175-120MPa之间,适用于机床端盖、轴承座、阀壳手轮,一般的机床底座、床身、工作台,滑座及其它复杂零件的铸造设计。

  2)HT200 铸造壁厚通常在2.5mm到50mm之间,抗拉强度在220-160MPa之间,适用于一般机床的床身、机体、种等压力(小于7840kPa)液压缸、泵和阀体、齿轮、飞轮、齿条等。

  3)HT250 铸造壁厚通常在5mm到50mm之间,抗拉强度在270-200MPa之间,适用于液压缸、气缸、联轴器、机体、齿轮、齿轮箱壳体、飞轮、轴承座、凸轮、衬筒等。

  4)HT300 铸造壁厚通常在10mm到50mm之间,抗拉强度在290-230MPa之间,适用于齿轮、凸轮、车床卡盘、剪床、压力机机身、砖塔车床、自动车床及其它重载荷机床的铸有导轨的床身、高压液压缸、液压泵和滑阀壳体等。

  5)HT350 铸造壁厚通常在10mm到50mm之间,抗拉强度在290-240MPa之间,适用于齿轮、凸轮、车床卡盘、剪床、压力机机身、砖塔车床、自动车床及其它重载荷机床的铸有导轨的床身、高压液压缸、液压泵和滑阀壳体等。

  灰铸铁材料易于铸造,且切削加工性能好,制造成本低廉,并具有良好的耐磨性和减振性,是传统机床结构大件的主要使用材料。

  根据是设计的大件的特点和使用性能要求,对应上述灰铸铁的牌号进行选择就可以了,一般不会出现太大的偏差,我通常选用的机床大件的灰铸铁牌号为HT250。这个牌号是各种综合性能比较好的。


  5、机床支承大件的壁厚确定(主要介绍铸件)

  机床支承大件结构的壁厚确定,首先要根据结构件截面惯性矩的要求,除了考虑结构的截面形状和板壁孔等影响以外,还要考虑结构工艺要求。

  铸铁的弹性模量是不稳定的,机床支承大件的壁厚,应根据铸造工艺要求,尽可能的选择得薄一些,下面推荐一个砂模铸造的最薄壁厚尺寸推荐值。

  

  在这里要和大家确认几个与现实中很相关的知识,关于铸件铸造问题的,根据我的个人经历,你需要知道一下几个点:


  1)你在设计时给出的理论壁厚是不一定能够得到实际执行的

  因为铸造厂的工艺能力和关注的焦点是有偏差的。首先是铸造能力,这个跟铸造厂选择的材料,工艺水准都有很大相关性。

  如果他们就是无法达到你的壁厚要求,最后妥协的往往还是你,因为壁厚太薄了,牵涉到一个铁水流动性的问题,壁厚过薄,结构过于复杂的零件,在铁水冷却前无法到达既定的型腔,从而导致铸造有缺陷。

  你在这种情况下只能妥协,也就是说你的设计没有现实的可操作性。第二个原因是铸造厂和我们技术铸件售价的时候是以重量来计算的,所以单个零件的重量越重,他们能赚到的就越多。

  在这种情况下,如何来提高单个零件的重量呢?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)铸造变形和缺陷需要壁厚有一定的保守余量

  特别是加工面,抛除铁水因冷却过快而无法达到注满型腔的情况不算,铸件通常的缺陷还有疏松、夹砂、气孔、砂眼等诸多铸造缺陷。

  而这些缺陷很大程度上会降低铸件的刚性和强度,所以在设计余量上我们也要充分的考虑这些现实中操作带来的误差和不可避免的不足。


  3)铸件的木模的误差

  造型的木模在制作和使用过程中都会存在误差,包括后期的磨损都会导致铸件壁厚的增加,而这种增加是无可避免的,所以这也是我们需要对此有足够的认识和预估的。


  六、机床支承大件的结构布局


  机床大件的布局,主要是结构上的一些处理,采用什么样的结构,每个设计者需要根据自己研发的产品的具体功能要求和结构特点来确定,但是其中的肋板的布置还是有一定的规律和要求的。

  我们现在以一个立式加工中心的立柱为例子来说明一下:

  


  加强肋板主要有三种肋板,它们分别是:横向肋板、纵向肋板和对角肋板。

  在上图中,我们可以清晰的看到这三种肋板的组合使用,但是有一个需要注意的地方,因为如果直接使用对角肋板两条相交,那相交的位置因为尖角的原因会堆积大量的铸造内应力,所以我们通常会用一个圆环肋板来做一个节点过渡,这样可以最大限度的消除铸造内应力。

  我们还可以看一下下面这种结构的肋板布局:

  


  这种布局是横向肋板和纵向肋板的组合居多,尤其是上半部分的横竖组合,但是在他们交接的地方也是需要较大的圆角过渡的,其作用也是最大限度的消除铸造内应力,让零件的材质更加稳定和均匀。

  肋板的布局要考虑大件的受力,在受力位置大的地方要尤其考虑肋板的布局方向和布局密度,这个设计采用类比法就可以了,当然如果有条件的话,做一些相应的受力分析,特别是局部的受力分析也是挺好的选择,毕竟有理论依据的设计让人更放心一些。

  其实一个大件的结构设计还牵涉到其它很多细节的地方,例如连接方式的考虑和设计,连接螺钉的选择与校核等等,这些细节上的处理和设计,更多是依赖设计自己在平时设计过程中的积累与探索,这个世界上没有最好的设计,只有最适合的设计,适合的才是最好的。


  如果您有这方面的经验,欢迎评论留言分享。

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