1、第第1313章章 机架零件机架零件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。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
2、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。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
3、、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.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。铸铁机架零件常进行时效处理。其目的是在不降
4、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。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
5、各阶段。13.2.2机架类零件性能设计要求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:yy。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
6、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。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:.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。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
7、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
8、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13-3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
9、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。机架类零件的约束是指与邻接零部件间的约束关系和属性。机器是由多个零部件依据一定规则装配构成的。因此,单一零部件作为独立研究对象时还必须考虑与其邻接零件的相互作用的约束。零件约束类型由零件的连接、安装等约束类型、自由度等决定。在利用有限元技术进行零件结构性能分析和设计时,约束需要转化为有限元的边界条件,并确定约束的等效模型。常用的约束等效模型有位移等效、弹簧单元等效和接触单元等效等。若忽略固定连接结合面变形(如焊接),
10、可采用简单的位移全约束。螺栓连接可采用有限元分析的弹簧单元等效模型。若关注零件间结合面特性的动连接可采用接触单元等效模型。3.几何物理模型建立 零件基本实体模型上施加载荷和约束以获得其几何物理模型。零件的几何物理模型建立过程包括:对基本实体模型划分设计域和非设计域;划分有限元分析的网格;施加载荷和约束。设计域是指基本实体模型中结构形状和尺寸均可以变动的部分,是结构拓扑优化设计的对象。非设计域是指由于安装和装配等需求,优化过程中不能变动的部分。图13-4给出了加工中心立柱的设计域与非设计域。图13-5所示为加工中心立柱的有限元网格划分,图13-6所示为加工中心立柱的几何物理模型。综上所述,机架类
11、零件的几何物理模型是在其基本实体模型基础上确定设计域和非设计域、划分网格、施加载荷和约束条件,完成有限元分析设计的几何物理模型。图13-4加工中心立柱的设计域和非设计域1导轨2丝杠轴承座3螺栓安装处图13-5加工中心立柱的有限元网格划分图13-6加工中心立柱的几何物理模型a)工况-1:下极限位置b)工况-2:中间位置c)工况-3:上极限位置13.3.2概念单元设计机架类零件的概念单元设计主要有零件结构拓扑优化模型、零件结构概念构型设计、零件结构单元设计三部分,具体阐述如下。1.零件结构拓扑优化模型(1)目标函数目标函数一般有三类目标函数,即零件结构柔度最小(刚度最大)、零件最小基频最大、零件最
12、小柔度和最小基频最大混合目标函数。目标函数应依据零件的应用场合要求选取。(2)约束条件约束条件主要有性能约束、质量约束、制造工艺约束等,如对称结构或局部的相似结构,铸造零件的最大壁厚和最小壁厚、脱模路径与空间,焊接件的材料横截面一致性等。约束条件依据零件的材料与工艺选取。(3)优化变量优化变量常采用有限元单元密度作为拓扑优化的优化变量。(4)优化求解优化求解采用有限元软件求解器求解。机架类零件在不同工况下,有不同的载荷和约束,因而得到不同的求解结果。每一种结果都体现一种结构构型,图13-7ac是立柱三种工况下的求解结果,图13-7d是立柱综合三种工况的优化结果。图13-7立柱结构拓扑优化模型2
13、.零件结构概念构型设计 零件的结构概念构型是兼顾多工况的结构拓扑结果,所获得的主体桁架结构,包含主体结构材料分布、壁板与截面形状。图13-8所示为立柱结构概念构型。图13-8立柱结构概念构型 机架类零件主体结构中常用的截面形状有圆形、工字形和矩形;圆形和矩形有实心和中空两类。在截面面积相同情况下,各截面形状的弯曲和扭转刚度和强度性能不同。1)圆形截面。扭转性能较高,弯曲性能较低,宜用于受转矩为主的机架类零件。2)工字形截面。弯曲性能最高,扭转性能很低,宜用于受弯曲为主的机架类零件。3)矩形截面。弯曲和扭转性能分别低于工字形和圆形截面的性能,但其综合性能较好。4)各种形状截面的封闭空心截面性能比
14、实心截面的性能高。5)加大外轮廓尺寸,使材料远离中性轴,可提高截面弯曲和扭转性能。6)封闭截面比非封闭截面的弯曲和扭转性能高得多。3.零件结构单元设计零件结构单元是在其结构概念构型基础上,结合零件的材料与毛坯制造方式,构造的零件结构单元。零件结构单元设计是进一步提高零件性能的次一级结构设计。机架类零件的结构单元属于局部子结构设计,涉及肋板构型、分布和截面形状等。机架类零件中肋板有如下作用:1)铸造机架类零件中的肋板是铸造工艺的需要,可使铸件壁厚均匀,防止铸造缺陷。2)减小薄壁截面的畸变,对大面积薄壁件可减小其局部变形、薄壁振动和噪声。3)提高机架类零件的刚度和强度,并减轻机架类零件的重量。4)
15、具有散热作用。本书将单一结构形式的肋板称为肋板结构单元。根据制造工艺性,工程上常用的肋板结构单元的结构形式见表13-1。机架类零件的肋板可由单一肋板结构单元构成。大型机架零件的肋板结构单元常由按一定规则排列的多个单元组合所构成。肋板布置规则是:传递局部载荷并使邻接各壁板间承载均匀,提高机架的刚度和强度;减少薄壁件的畸变和振动;肋板的变形与邻接零件相匹配,如轴承座孔变形适应被支承的轴系变形。肋板单元布置可基于材料分布和单元结构形式,采用简单的平行、垂直、倾斜等排列方式进行布置。13.3.3强度与刚度设计 机架类零件的强度和刚度设计准则分别为:yy。由于机架类零件的结构一般较复杂,其变形和应力的定
16、量分析需依赖于有限元分析技术及软件完成。依据分析结果进一步改进零件结构方案,从而获得更好的零件强度和刚度性能。图13-11是利用有限元软件分析获得的立柱的位移云图和应力云图。立柱动态性能的模态分析结果如图13-12所示,立柱前两阶振型分别为沿着Y轴摆动和沿着X轴摆动,第三阶振型为立柱绕Z轴的转动。图13-11立柱的位移云图和应力云图a)立柱位移云图b)立柱应力云图图13-12立柱动态性能的模态分析结果a)立柱一阶振型云图b)立柱二阶振型云图c)立柱三阶振型云图13.3.4工艺造型设计1.机架类零件的铸造工艺结构设计 机架类零件的铸造结构工艺性包括最大和最小壁厚、脱模路径与空间、结构单元等,其设
17、计内容已在概念单元设计中考虑。在此为避免铸造缺陷和应力集中,主要关注壁板、肋板连接处的结构与尺度。1)铸件的结构圆角。铸件壁与壁连接处均应设计结构圆角,见表13-2。一般铸造内圆角的大小与铸件壁厚相适应,以使转角处内接圆的直径小于相邻壁厚的1.5倍。(a+b)/28812121616202027273535454560铸铁466810121620铸钢6681012162025表13-2铸造内圆角半径R值(单位:mm)2)铸件壁与壁之间避免锐角连接。铸件壁与壁之间避免锐角连接是为了减小热节和内应力,如图13-13所示。图13-13铸件壁之间避免锐角连接3)铸件的厚壁与薄壁连接。铸件的厚壁与薄壁连
18、接应逐步过渡,以防止应力集中,如图13-14所示。4)铸件壁与壁之间应避免交叉。中、小型铸件壁与壁的连接,应设计成交错接头;对大型铸件可采用环状接头,如图13-15所示。图13-14铸件壁过渡结构图13-15铸件壁或肋的连接形式a)交错接头b)环状接头2.机架类零件的焊接工艺结构设计 焊接工艺结构设计主要考虑焊缝的布置、数量,避免过大的应力集中并具有可操作性。1)足够的焊接操作空间足够的焊接操作空间。焊缝布置应有足够的焊接操作空间,以便于施焊和检验。设计封闭容器时,要留工艺孔,如入孔、检验孔和通气孔。图13-16避开应力较高的部位a)不合理b)合理2)焊缝尽量避开工作应力较大和易产生应力集中的部位焊缝尽量避开工作应力较大和易产生应力集中的部位。结构最大应力处、结构拐角处应避开设计焊缝,如图13-16所示;压力容器一般不用无折边封头,而采用蝶形封头和球形封头。3)应避免母材厚度方向工作时受拉应避免母材厚度方向工作时受拉。其原因是母材厚度方向强度较低,受拉时易产生裂纹。4)应尽量使焊缝避开或远离机加工面应尽量使焊缝避开或远离机加工面。焊缝远离机加工面,尤其是已加工面,以免影响焊件精度和表面质量,如图13-17所示。图13-17避开机加工面a)、b)不合理结构c)、d)合理结构
