機(jī)械設(shè)計(jì)之機(jī)架部分

機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)座的材料和時(shí)效處理

1.機(jī)座的材料：機(jī)座材料應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)、工藝、成本、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)周期等要求正確選擇，常用的有：

(1)鑄鐵：容易鑄成形狀復(fù)雜的零件；價(jià)格較便宜；鑄鐵的內(nèi)摩擦大，有良好的抗振性。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng)，單件生產(chǎn)成本較高；鑄件易產(chǎn)生廢品，質(zhì)量不易控制；鑄件的加工余量大，機(jī)械加工費(fèi)用大。

常用的灰口鑄鐵有兩種：HT200適用于外形較簡(jiǎn)單，單位壓力較大（p>5公斤/厘米2）的導(dǎo)軌，或彎曲應(yīng)力較大的（σ≥300公斤/厘米2）床身等；HT150的流動(dòng)性較好，但機(jī)械性能稍差，適用于形狀復(fù)雜而載荷不大的機(jī)座。若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，應(yīng)采用耐磨鑄鐵。

(2)鋼：用鋼材焊接成機(jī)架。鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機(jī)架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機(jī)座約輕20%~50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡(jiǎn)單；焊接機(jī)架的缺點(diǎn)是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時(shí)成本較高。

2.機(jī)座的時(shí)效處理

制造機(jī)座時(shí)，鑄造（或焊接）、熱處理及機(jī)加工等都會(huì)產(chǎn)生高溫，因各部分冷卻速度不同而收縮不均勻，使金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。如果不進(jìn)行時(shí)效處理，將因內(nèi)應(yīng)力的逐漸重新分布而變形，使機(jī)座喪失原有的精度。

時(shí)效處理就是在精加工之前，使機(jī)座充分變形，消除內(nèi)應(yīng)力，提高其尺寸的穩(wěn)定性。常見的方法有自然時(shí)效、人工時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效等幾種，其中以人工時(shí)效應(yīng)用最廣。

機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.機(jī)座的典型結(jié)構(gòu)

(1)方形截面機(jī)座

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，箱體內(nèi)有較大的空間來安放其它部件；但剛度稍差，宜用于載荷較小的場(chǎng)合。所以機(jī)座應(yīng)選擇合適的壁厚、筋板和形狀，以保證在重力、慣性力和外力的作用下，有足夠的剛度。見圖21-1。

(2)圓形截面機(jī)座

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于制造和造型設(shè)計(jì)，有較好的承載能力。

(3)鑄鐵板裝配式機(jī)座

鑄鐵板裝配結(jié)構(gòu)，適用于局部形狀復(fù)雜的場(chǎng)合。它具有生產(chǎn)周期短、成本低以及簡(jiǎn)化木模形狀和鑄造工藝等優(yōu)點(diǎn)。但剛度較整體箱體機(jī)座的差，且加工和裝配工作量較大。2.截面形狀的選擇

為保證機(jī)座的剛度和強(qiáng)度，減輕重量和節(jié)約材料，必須根據(jù)設(shè)備的受力情況，選擇經(jīng)濟(jì)合理的截面形狀。機(jī)座雖受力較復(fù)雜，但不外是拉、壓、彎、扭的作用。當(dāng)受簡(jiǎn)單拉、壓作用時(shí)，變形只和截面積有關(guān)，而與截面形狀無關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)主要是選擇合理的尺寸。如果受彎、扭作用時(shí)，變形與截面形狀有關(guān)。

在其它條件相同情況下，抗扭慣性矩Ic越大，扭轉(zhuǎn)變形越小，抗扭剛度越大。表21.1是面積相同的，各種截面形狀與慣性矩的比較。從表中可以看出：

1）空心結(jié)構(gòu)的剛度比實(shí)心結(jié)構(gòu)的剛度大；

2）封閉圓形截面的抗扭剛度好，而封閉方形截面的抗彎和抗扭都較好；

3）加大橫截面輪廓尺寸和減小壁厚時(shí)，可提高剛度。

3.隔板與加強(qiáng)筋

封閉空心截面的剛度較好，但為了鑄造清砂及其內(nèi)部零部件的裝配和調(diào)整，必須在機(jī)座壁上開"窗口"，其結(jié)果使機(jī)座整體剛度大大降低。若單靠增加壁厚提高剛度，勢(shì)必使機(jī)座笨重、體適用于單件小批量生產(chǎn)，尤其是大件箱體，采用焊接件可大大降低成本。

(3)其它箱體，如沖壓和注塑箱體，適用于大批量生產(chǎn)的小型、輕載和結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單的箱體。

2設(shè)計(jì)的主要問題和設(shè)計(jì)要求

箱體設(shè)計(jì)首先要考慮箱體內(nèi)零件的布置及與箱體外部零件的關(guān)系，如車床按兩頂尖要求等高，確定箱體的形狀和尺寸，此外還應(yīng)考慮以下問題：

1.滿足強(qiáng)度和剛度要求。對(duì)受力很大的箱體零件，滿足強(qiáng)度是一個(gè)重要問題；但對(duì)于大多數(shù)箱體，評(píng)定性能的主要指標(biāo)是剛度，因?yàn)橄潴w的剛度不僅影響傳動(dòng)零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。

2.散熱性能和熱變形問題。箱體內(nèi)零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?，影響其?rùn)滑性能；溫度升高使箱體產(chǎn)生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應(yīng)力，對(duì)箱體的精度和強(qiáng)度有很大的影響。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。如支點(diǎn)的安排、筋的布置、開孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等均要有利于提高箱體的強(qiáng)度和剛度。

4.工藝性好。包括毛坯制造、機(jī)械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運(yùn)輸、維護(hù)修理等各方面的工藝性。

5.造型好、質(zhì)量小。

設(shè)計(jì)不同的箱體對(duì)以上的要求可能有所側(cè)重。

3箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體的形狀和尺寸常由箱體內(nèi)部零件及內(nèi)部零件間的相互關(guān)系來決定，決定箱體結(jié)構(gòu)尺寸和外觀造型的這一設(shè)計(jì)方法稱為"結(jié)構(gòu)包容法"，當(dāng)然還應(yīng)考慮外部有關(guān)零件對(duì)箱體形狀和尺寸的要求。

箱體壁厚的設(shè)計(jì)多采用類比法，對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行比較，參照設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)等資料提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定壁厚、筋板和凸臺(tái)等的布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于重要的箱體，可用計(jì)算機(jī)的有限元法計(jì)算箱體的剛度和強(qiáng)度，或用模型和實(shí)物進(jìn)行應(yīng)力或應(yīng)變的測(cè)定，直接取得數(shù)據(jù)或作為計(jì)算結(jié)果的校核手段。

1.箱體的毛坯、材料及熱處理

(1)箱體的毛坯：選用鑄造毛坯或焊接毛坯，應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)行全面分析決定。鑄造容易鑄造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體毛坯，焊接箱體允許有薄壁和大平面，而鑄造卻較困難實(shí)現(xiàn)薄壁和大平面。

焊接箱體一般比鑄造箱體輕，鑄造箱體的熱影響變形小，吸振能力較強(qiáng)，也容易獲得較好的結(jié)構(gòu)剛度。

(2)箱體的材料和熱處理

箱體的常用材料有：

鑄鐵多數(shù)箱體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動(dòng)性好，收縮較小，容易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強(qiáng)，動(dòng)態(tài)剛性和機(jī)加工性能好，價(jià)格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。具體牌號(hào)查閱有關(guān)手冊(cè)。

鑄造鋁合金用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，有足夠的強(qiáng)度和較好的塑性。

鋼材鑄鋼有一定的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，較好的導(dǎo)熱性和焊接性，機(jī)加工性能也較好，但鑄造時(shí)容易氧化與熱裂。箱體也可用低碳鋼板和型鋼焊接而成。

箱體的熱處理：

鑄造或箱體毛坯中的剩余應(yīng)力使箱體產(chǎn)生變形，為了保證箱體加工后精度的穩(wěn)定性，對(duì)箱體毛坯或粗加工后要用熱處理方法消除剩余應(yīng)力，減少變形。常用的熱處理措施有以下三類：

A)熱時(shí)效。鑄件在500～600°C下退火，可以大幅度地降低或消除鑄造箱體中的剩余應(yīng)力。

B)熱沖擊時(shí)效。將鑄件快速加熱，利用其產(chǎn)生的熱應(yīng)力與鑄造剩余應(yīng)力疊加，使原有剩余應(yīng)力松弛。

C)自然時(shí)效。自然時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效可以提高鑄件的松弛剛性，使鑄件的尺寸精度穩(wěn)定。

2.箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

(1)壁厚

鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從表21-2中選取，表中N用下式計(jì)算：

N=（2L+B+H）/3000（mm）

式中L-鑄件長(zhǎng)度（mm），L、B、H中，L為最大值；

B-鑄件寬度（mm）；H-鑄件高度（mm）；表21-2鑄造箱體的壁厚

儀器儀表鑄造外殼的最小壁厚參考表21-3選取

(2)加強(qiáng)筋

為改善箱體的剛度，尤其是箱體壁厚的剛度，常在箱壁上增設(shè)加強(qiáng)筋，若箱體中有中間短軸或中間支承時(shí)，常設(shè)置橫向筋板。筋板的高度H不應(yīng)超過壁厚t的（3-4）倍，超過此值對(duì)提高剛度無明顯效果。加強(qiáng)筋的尺寸見表21-4。(3)孔和凸臺(tái)

箱體內(nèi)壁和外壁上位于同一軸線上的孔，從機(jī)加工角度要求，單件小批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)盡可能使孔的質(zhì)量相等；成批大量生產(chǎn)時(shí)，外壁上的孔應(yīng)大于內(nèi)壁上的孔徑，這有利于刀具的進(jìn)入和退出。箱體壁上的開孔會(huì)降低箱體的剛度，實(shí)驗(yàn)證明，剛度的降低程度與孔的面積大小成正比。

在箱壁上與孔中心線垂直的端面處附加凸臺(tái)，可以增加箱體局部的剛度；同時(shí)可以減少加工面。當(dāng)凸臺(tái)直徑D與孔徑d的比值D/d≤2和凸臺(tái)高度h與壁厚t的比值t/h≤2時(shí)，剛度增加較大；比值大于2以后，效果不明顯。如因設(shè)計(jì)需要，凸臺(tái)高度加大時(shí)，為了改善凸臺(tái)的局部剛度，可在適當(dāng)位置增設(shè)局部加強(qiáng)筋。見圖21-8。

圖21-8(4)連接和固定

箱體連接處的剛度主要是結(jié)合面的變形和位移，它包括結(jié)合面的接觸變形，連接螺釘?shù)淖冃魏瓦B接部位的局部變形。為了保證連接剛度，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：