機械設計（課程）——機床支承大件結構設計
之所以在題目上就聚焦於機床設計這一塊，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，同時對於結構設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，所以適當的聚焦會讓我們更容易把問題說清楚，大家也便於理解，當然對於我而言，做自己最擅長的事情，自然會得心應手一些，這樣也相對更有底氣一些，至於那些我沒有做過的設備的相應設計，在這裡也可以做適當的參考的，畢竟機械設計很多地方都是相通的。
首先，我們先要確認什麼零件才能稱之為機床的支承大件，根據行業約定俗成的定義，機床支承大件通常是指床身、立柱、工作台，滑鞍，底座，橫樑、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。同時一台機床的整體功能，在很大程度上取決於其支承大件的結構功能。
1、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，這是研發一台機床的主要技術指標，也是其它一切研發的基礎依據。
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，其結構功能應保證在工作情況下的工作應力、變形、擾度和位移保持在規定範圍以內，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，在預定的切削條件下工作時，其振動和雜訊應在允許範圍內。
（3）溫度分布合理，工作時的熱變形對加工精度的影響小。
（4）導軌的受力合理，耐磨性能良好。
3）技術與經濟效率 這也是設計工程師需要考慮的範疇，一個好的機械設計工程師不僅要技術過硬，還有具有強烈的產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整與操作，安全無小事，這個理念在機床的設計之初就要做充分的考慮，哪怕是犧牲一些經濟性能和外觀考量，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，易於安全運輸和裝卸，這個要求設計工程師在設計大件布局的時候，要充分考慮裝配、調整、維護的可操作空間及其方便性，並充分考慮吊裝的便捷性和可操作性，因為一台機床少則幾噸，多則幾十噸，如果沒有合理的吊裝位置考慮，後續的運輸和就位幾乎是不可能完成，這也是考量一個設計工程師的設計能力的地方。
（3）結構的總重量與元器件重量的分布要滿足技術與經濟性要求，並能低成本、高效率地進行製造和安裝。也就是說，在滿足剛度和強度的前提下，盡量減輕結構的重量，既便於運輸、安裝與調試，也可以節約製造成本。
4）外觀造型要求 每個時代對機床設備的要求是不一樣的，上個世紀我們對機床的外觀造型可能並沒有太多的想法，很多時候都是聚焦在機床的性能與成本上，但是隨著時代的發展，科技的進步，尤其是人民物質文化生活的極大豐富，對各種產品的審美要求也隨之水漲船高，雖然機床設備主要還是以性能取勝，但是我們也應該清醒的看到，現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台好看的機床設備，也確實有些機床製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範例，做得真TM的漂亮，像一件工業藝術品，讓人賞心悅目。一個好的產品不單體現在其使用性能上，也同時體現在其給人外觀感受上，這已經是這個時代給我的要求，是大勢所趨，人心所向。
2、機床大件的結構特徵
1）機床大件的形體結構特徵 機床的床身、立柱、工作台，滑鞍，底座，橫樑、滑枕、箱體等支承大件，就其形體結構有如下兩個特徵：
（1）空間板系組合結構 從零件的整體看，我們看到的是一個大的一體化結構，但是如果你對其做相應的分拆，你就會發現，這個大件的結構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構要求有機的組合，最終形成一個支承大件。
（2）空間力系載體 機床在靜態和動態中可能產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、衝擊或振動干擾力（外加激振力）、熱應力等。
機床大件的設計，通常把各種力歸納為靜態力和動態力，再分別研究結構的靜剛度和動剛度，對於大型、重型、高速精密機床的大件，還要考慮到衝擊或振動干擾力的作用下，可能產生位移、速度和加速度，以及由於板壁失穩而出現的結構段面形狀畸形和雜訊等動力響應問題，對於高速精密機床、如磨床，由於加工過程中產生大量的切削熱，以及電機和液壓系統的發熱，因此還應考慮到大件的熱變形問題，所以，機床支承大件的設計需要進行受力，變形和剛度的分析。
2）結構工藝性特徵 結構工藝性是指在一定生產規模條件下，實現產品特定功能所需的材料、加工和裝配方法的經濟性原則。我們著重介紹一下，目前大多數企業比較常用的兩種結構工藝特徵。
（1）鑄造結構 這種結構採用的材料是灰口鑄鐵，其生產方法為鑄造工藝方法，其生產周期一般較長，適合大、中批量的中、小型產品的生產，其產品精度較多的分布在普通級精度和精密級精度產品。市場的適應性一般，但是也是最為使用廣泛的結構工藝方式。
（2）焊接結構 這種結構採用的材料是鋼板和型鋼，其生產方法為焊接工藝方法，其生產周期一般較短，適合單件、小批量的大、中型產品的生產，其產品精度較多的分布在精密級精度和高精度等產品，市場的適應性很好，也是目前使用非常方法的結構工藝方式。
還有一些其它的結構工藝特徵，如鋼與鑄鐵的符合結構，金屬與金屬，金屬與非金屬等符合結構特徵，因其使用的範圍和產品相對單一和小眾，在這裡我們不作一一的介紹。
3、機床大件設計的基本方法
機床支承大件設計的基本方法有三中，他們分別是：類比設計法、力學設計法、有限元法設計法，下面我們就分別介紹一下這些設計方法。
1）類比設計法 這種設計方法是以長期的設計經驗作為依據而進行的一種改良性的傳統設計方法，是一種比較簡便和實用的設計方法，這種設計方法在企業的使用非常多見，基本上所有企業都或多或少的存在這種設計方法，這也是很多畢業生進入職場後很不理解的一種設計方法，覺得和學校學習的那些力學計算，校核等差得太遠了，簡直就是野路子，亂搞，其實不是這樣子，一個好的類比設計，除了參考和改良的經驗設計外，也會相應的做一些輔助的力學設計、和模型試驗，但是不會大規模的來做這些力學分析和剛強度的校核。通常機床的大件都是採用鑄鐵的材料居多，而鑄鐵的彈性模量E值是不穩定的，不便於使用力學計算進行設計，因為這種類比設計方法就非常適合用在這裡，也是我們做機床大件設計的主要設計方法。這種設計方式適用於灰鑄鐵材料的機床大件的設計，也適用於一般機床大件由鑄鐵改為焊接結構的設計。
2）力學設計 評價機床結構的主要標誌是機床的整體剛性，力學設計主要指運用古典力學原理進行剛度設計。設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矩，然後對大件進行力學分析，計算位移，應變和應力。對於大型和重型機床要重視其自身重量引起的變形影響，並選定結構材料，設計結構形狀，確定結構尺寸，布置筋板，必要時對機床整體靜剛度進行試驗，對發現的薄弱環節進行改進設計。這種設計方式適用於機床大件焊接結構剛度的定性設計，也適用於類比設計中的校核計算。
3）有限元法設計 根據固體力學中的能量原理，藉助計算機對各種結構和有關場地問題進行近似的分析、計算。在現代工程設計計算中，被公認為是一種十分有效的數值計算設計方法，特別適用於空間板系或板梁等組合結構的動態性能和熱態性能的分析、計算。這種設計方法適用於大型、精密、高精度機床的大件設計。
4、機床大件的結構材料
機床支承大件採用的結構材料，主要決定於機床技術發展的需要，以大型和重型化為目標的機床，材料的力學性能起著決定性的作用；以超速、超精加工為目標的現代化數控機床，對其結構材料還要求具備高的減震性、耐磨性、熱穩定性和抗腐蝕性等綜合的力學、物力和化學性能。但是，隨著現代技術的不斷發展，對機床的結構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、力學性能及應用範圍
1）HT150 鑄造壁厚通常在2.5mm到50mm之間，抗拉強度在175-120MPa之間，適用於機床端蓋、軸承座、閥殼手輪，一般的機床底座、床身、工作台，滑座及其它複雜零件的鑄造設計。
2）HT200 鑄造壁厚通常在2.5mm到50mm之間，抗拉強度在220-160MPa之間，適用於一般機床的床身、機體、種等壓力（小於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，適用於液壓缸、氣缸、聯軸器、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，適用於齒輪、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，適用於齒輪、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軌的床身、高壓液壓缸、液壓泵和滑閥殼體等。
灰鑄鐵材料易於鑄造，且切削加工性能好，製造成本低廉，並具有良好的耐磨性和減振性，是傳統機床結構大件的主要使用材料。根據是設計的大件的特點和使用性能要求，對應上述灰鑄鐵的牌號進行選擇就可以了，一般不會出現太大的偏差，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）
機床支承大件結構的壁厚確定，首先要根據結構件截面慣性矩的要求，除了考慮結構的截面形狀和板壁孔等影響以外，還要考慮結構工藝要求。
鑄鐵的彈性模量是不穩定的，機床支承大件的壁厚，應根據鑄造工藝要求，儘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。
1）你在設計時給出的理論壁厚是不一定能夠得到實際執行的，因為鑄造廠的工藝能力和關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，工藝水準都有很大相關性，如果他們就是無法達到你的壁厚要求，最後妥協的往往還是你，因為壁厚太薄了，牽涉到一個鐵水流動性的問題，壁厚過薄，結構過於複雜的零件，在鐵水冷卻前無法到達既定的型腔，從而導致鑄造有缺陷，你在這種情況下只能妥協，也就是說你的設計沒有現實的可操作性。第二個原因是鑄造廠和我們技術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餘量，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鬆、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，所以在設計餘量上我們也要充分的考慮這些現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，造型的木模在製作和使用過程中都會存在誤差，包括後期的磨損都會導致鑄件壁厚的增加，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識和預估的。
6、機床支承大件的結構布局
機床大件的布局，主要是結構上的一些處理，採用什麼樣的結構，每個設計者需要根據自己研發的產品的具體功能要求和結構特點來確定，但是其中的肋板的布置還是有一定的規律和要求的。
我們現在以一個立式加工中心的立柱為例子來說明一下。
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應力，所以我們通常會用一個圓環肋板來做一個節點過渡，這樣可以最大限度的消除鑄造內應力。
我們還可以看一下下面這種結構的肋板布局。
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，這個設計採用類比法就可以了，當然如果有條件的話，做一些相應的受力分析，特別是局部的受力分析也是挺好的選擇，畢竟有理論依據的設計讓人更放心一些。
其實一個大件的結構設計還牽涉到其它很多細節的地方，例如連接方式的考慮和設計，連接螺釘的選擇與校核等等，這些細節上的處理和設計，更多是依賴設計自己在平時設計過程中的積累與探索，這個世界上沒有最好的設計，只有最適合的設計，適合的才是最好的。
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