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第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计
第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计
3.1 数水射流切割机床的控结构方案设计
由于我所设计的水射流切割机床必须实现其平面切割的功能，而要实现其切割工件的目的，必须有两个自由度，既必须有两个方向的运动。可以做以下的设想来实现运动的目的：
1. 有机架（横梁部分）来实现其两个方向的运动，其示意图如下：
图3.1 龙门式机架（方案1）
该种结构形式为桥式结构，又称为龙门式结构，住要的特点是：结构对称，比较稳固，缺点是加工的工件的大小受到了限制。
2. 有机架（横梁部分）实现一个方向的运动，而另一个运动有工作台
来实现
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图 3.2 悬臂式机架结构（方案2）
该种结构形式的为悬臂式结构，比起前一种结构，它的稳定性不如前者，但是它的加工范围比前者的加工范围大。
通过对比两种方案，决定采用第一种方案作为我设计的最初模型，根据该模型来进行部件设计，本形式的数控水射流切割机床，由底座，立柱，导轨，纵向移动机构和横梁移动机构构成桥式结构。横梁上面设置有横移机构和竖移机构。切割喷头固定在竖移滑板上。可以在宽大的底座上面安装多种的旋转机构，以实现多种形式的水射流切割加工。而且该种结构形式比其他的结构要牢固，不易变形，因此采用该种结构。
3.2 机床支撑件的设计
该机床的机械部分主要的包括机床底座，机床的立柱，机床横向进给系统，纵向进给系统，传动部件等组成。
3.2.1 对支撑件的要求
机床的立柱和底座是主要的支撑件，它们的作用是支撑零部件并保证它们之间的相互位置及承受各种相互作用力。支撑件一般的附有导轨，导轨主要起到定位作用，以保证各部件的正确的相互位置及运动。
机床的支撑件的形状，尺寸，材料的种类非常多，但是它们必须满足下面的要求：
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1. 刚度
支撑件的刚度是指支撑件在恒定的载荷和变载荷作用下抵抗变形的能力。支撑件要有足够大的刚度，即在额定载荷的作用下，变形不得超过允许值。 2. 抗振性
支撑件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激震动的能力，支撑件的震动将影响加工的表面质量和成产率。因此，支撑件要有足够大的抵抗受迫振动和自激振动的能力。 3. 热变形
机床工作时，机械摩擦，电机等都会发热，在加上周围的环境温度变化，产生热变形，影响了机床的工作精度和几何精度。因此要对症撑件的热变形及热应力进行控制。 4. 内应力
支撑件在焊接和铸造以及加工的过程中，材料的内部都会形成内应力，导致变形。在使用的过程中，内应力可能重新分布和逐渐的消失可能使变形增大。因此在制造的过程中一定要考虑到结构
的工艺性。并且在铸造和焊接以后要进行时效处理。
3.2.2 撑件的选材与连接
我所设计的该机床的底座采用灰铸铁，由于灰铁的吸振性比较好，并且铸造工艺性也比铸钢好，并且价格便宜，因此，机床的底座采用灰铁。立柱采用钢板进行焊接，采用焊接立柱，由于立柱要支撑横向和纵向进给机构，承受的力比较大，因此采用钢板焊接的形式。横向和纵向进给机构也采用钢板焊接的形式，因为钢板的承载能力大，可以减小机床的占地面积。
机械部分的连接采用焊接和螺钉连接方式，立柱与底座通过16个螺钉固定在底座上面，横向进给机构通过夹一块垫板，也采用螺钉的形式与立柱相连接。而安装导轨的立板采用焊接的方式焊接到横向进给的钢板上。同样，纵向进给机构也采用同样的连接方法。
3.3 提高支撑件刚度的措施
支撑件的变形可以包括三部分，自身变形，局部变形，和连接处的变形，在设计的时候一定要注意这三类变形得匹配，并针对薄弱的环节，加
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强其刚度。
提高支撑件自身的刚度
抵抗支撑件自身变形的能力称为支撑件自身的刚度，它与材料，形状以及尺寸有关系。
（1）正确的选择截面的形状和尺寸：支撑件承受的主要是弯矩和扭矩，产生的主要是弯，扭变形。在其他的条件相同的时候，抗弯和抗扭刚度与截面惯性矩有关。同一材料截面积相等而形状不同的，截面惯性矩相差很大，合理的选择截面的形状可以提高其刚度。
1） 无论是圆形，方形和矩形都是空心的比实心的刚度大。
2） 保持截面不变，加大外廓尺寸，减小壁厚，可以提高抗弯和抗扭刚度。
3） 圆形截面的抗扭刚度比方形的大，而方形的抗弯刚度比圆形的抗弯刚度大。所以以承受弯矩为主的支撑件采用方形比较合理。
4） 封闭的截面比不封闭的截面的刚度大。
2. 合理的不只肋板和筋条，可以增加支撑件的刚度。
由上面的分析，我选择了焊接立柱，并且截面的形状为方形，因为我所设计的机床的立柱主要的承受弯矩，别切采取封闭的方形结构，这样刚度比较大，为了防止其刚度不够，发生变形，并加肋板提高其刚度，具体形状见设计图纸。
底座的结构采用实体铸造结构，其材料为灰铸铁200，这种材料的铸造性能好，加工工艺性好，并且可以在机床有震动的时候可以吸振，以减小机床的震动。并且成本低，可以降低机床的制造成本。但是灰铁的脆性比较大，在制造的时候需要木模，生产直制造周期比较长。
横向和纵向进给机构设计为钢板焊接的形式，这种形式结构比铸造结构简单，生产的周期比较短，刚度也比铸造结构大，并且尺寸也比较小，因此，采用焊接钢板的形式。具体结构形式见设计图纸。
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