机械零件设计过程中综合考虑制造工艺、装配工艺和维修等方面的工艺性问题。机 械零件工艺性问题体现在其结构上,故又称为结构工艺性。良好的结构工艺性是指 零件结构在现有工艺条件下既能方便制造,又有较低的制造成本。结构工艺性问题 覆盖材料选用、毛坯生产、机械加工、热处理、装配等各阶段。
13.2.2 机பைடு நூலகம்类零件性能设计要求
铸铁机架零件常进行时效处理。其目的是在不降低铸铁力学性能的前提下,消除铸 铁的内应力和机械加工的切削应力,从而减少零件使用中的变形,使其具有良好的几 何精度保持性。
铸钢件一般都要经过正火加回火、退火等热处理,热处理的目的是消除铸造内应力 和改善力学性能。结构较复杂、力学性能要求较高的机架多采用正火加回火;形状 简单的机架采用退火;表面粘砂严重、不易清砂的铸钢机架则可用高温均匀化退火。
3.机架类零件的工艺 机架的结构类型主要根据功能要求及其制造方法进行确定。 1)铸造机架特点是结构较复杂,有较好的吸振性和机加工性能,常用于成批生产的中小 型箱体。 2)焊接机架由钢板、型钢或铸钢件焊接而成。其结构较简单,生产周期较短。焊接机 架适用于单件小批量生产及大型箱体。 3)螺栓连接机架和铆接机架适于大型机架零件,也广泛用于需拆卸场合。 4)其他类型机架,如冲压、轧制、锻造机架。冲压机架适于大批量生产的小型、轻载 和结构形状简单的机架。
第13章 机架零件
13.1 概 述
机器中支承或容纳其他绝大多数零件的大型主要零件,如底座、机架、箱体、基础板 等,称为机架类零件。复杂零件结构设计的概念单元方法是基于结构拓扑优化理论与 有限元分析软件,结合复杂机械零件的结构与性能设计特点,总结形成的设计计算内 容与流程。该方法概括为四部分:几何物理模型建立、概念单元设计、强度刚度设计 和工艺造型设计。
1.刚度 机架类零件刚度是其主要性能要求之一。机架类零件的刚度准则是其最大弹性变形y 小于许用值:y≤[y]。刚度分为静刚度和动刚度。静刚度表现为静态载荷下零件抵抗变形 的能力。动刚度是衡量机架抗振能力的指标。
机架类零件刚度对机器系统刚度影响较大,如机床系统刚度影响其加工零件的精度。 机床在加工过程中,各部件在其自重和工件质量、切削力、驱动源、惯性力、摩擦阻力 等作用下将发生变形,如支承件的弯曲变形、零件间结合面的接触变形等。这些变形都 会直接和间接地改变刀具与工件之间的绝对位移,从而改变了刀具和工件间原有准确的 相对位置,影响机床的加工精度。。 提高静刚度和动刚度的途径是:合理设计机架零件的截面形状和尺寸,合理选择壁厚及 布肋,注意机架的整体刚度和局部刚度以及结合面刚度的匹配等。提高机架抗振性能应 从控制固有频率、加大阻尼等方面着手。
图13-3 加工中心立柱的 基本几何实体模型
2.载荷与约束 机架类零件的载荷主要是支承结构所受的外载荷,包括机架类零件上的设备质量、 机架类零件本身质量、设备运转的动载荷等。对于高架结构,还要考虑风载、雪载
和地震载荷。载荷属性包括类型、方向、大小及其空间位置。一般机器常具有多 种复杂工况,计算工况常选用最危险工况或同时加载几种典型工况,并给定合理的工 况权重系数。零件的载荷是在确定的工况下通过建立力学模型并进行求解,并确定 载荷的作用域。
1.基本几何实体模型 机架类零件基本几何实体模型是根据零件主要功能结构的(连接面)几何形状、大小和 位置,忽略细节结构,利用三维造型软件建立的基本几何模型。 机架类零件基本几何模型的形状和尺寸大小,决定于其各个功能连接面的大小和位置 分布与运动情况等,也包括安装在其内部或外部的零部件形状、尺寸。零件基本实体 模型的构建过程分解为下述三方面。首先依据零件主要功能确定其主体结构形状和 子功能结构的简单形体,一般为简单几何形体,如圆柱体、长方体等(包括内部空心结 构)。各个连接面形状与结构取决于实际连接结构设计。其次,主体结构和子功能结构 进行组合,从而获得基本实体模型。第三,根据机器相关参数、邻接零件的运动空间或 载荷作用位置等确定零件主体结构形状的主要尺寸,图13-3所示为加工中心立柱的基 本几何实体模型。
图13-2 机架类零件类型实例 a)汽车发动机箱体 b)机床工作台 c)加工中心龙门架 d)斜床身车床床身
2.机架类零件的材料 机架类零件材料需根据机架的工况载荷、性能要求和制造方法等因素进行选用。零件 按制造方法主要分为铸造、锻造、螺栓连接或铆接、冲压、轧制和焊接等类型。铸造 机架的常用材料为铸铁、铸钢和铝合金等。铸铁的铸造性能好、吸振能力强且价格低 廉,广泛用于结构复杂的机架零件;重型机架零件常采用铸钢;机架零件重量要求轻时, 常采用铝合金等轻金属。焊接机架具有制造周期短、重量轻和成本低等优点,常在单 件、小批量或大型设备中采用。焊接机架常用钢、轻合金型材等材料。目前,一些高 精度设备(如加工中心)的机架零件也向复合材料方向发展。
3.稳定性 机架类零件受压结构及受压受弯结构均存在失稳问题。某些板壳结构也存在局部失稳。 稳定性用以描述失稳问题,是保证机架正常工作的基本条件,设计时必须加以校核。 机架类零件除应满足功能和性能要求外,同时还需具有良好的加工及装配工艺性、相 对运动表面的耐磨性、重量轻和经济性等特点。
13.3 机架类零件结构与性能设计 13.3.1 几何物理模型建立
13.2 机架类零件设计要求 13.2.1 机架类零件结构工艺
1.机架类零件的结构形式 机架类零件根据应用场合具有不同的结构形式。 常见结构形式可分为机座(柱)类(如机床床身、主 柱及横梁等)、箱体类(如减速器、汽车变速器及 机床主轴箱等)、框架类(锻压机机身、汽车车架、 桥式起重机桥架等)和板式类(如水压机的基础平 台、机床工作台、机器底座等),如图13-2所示。
2.强度 机架类零件强度准则是其危险截面的最大应力小于许用值:σ≤[σ].强度是评定重载机架 类零件工作性能的基本准则。机架类零件一般受载状态复杂,其工作应力可能是静应力 或交变应力;应力类型也可包括弯曲应力、拉应力、压应力或切应力等。因此,机架类零 件的强度应根据机器在运转过程中所承受的最大载荷及类型,确定危险截面的应力类型 和大小来进行强度设计。