数控铣床主轴箱结构设计.docx

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数控铣床主轴箱结构设计

绪论1

绪论

在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、数控铣床等。

其中数控铣床与气割相比，其切割范围更广、效率更高。

而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。

因此，数控铣床自20世纪50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。

1国外数控铣床现状与发展趋势

国外数控铣床的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。

从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。

能够代表数控铣床技术最高水平的厂家主要集中在德国，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。

我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是数控铣床和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。

与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。

但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。

用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。

半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。

上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。

 随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速，数控铣床的优势正在逐渐为人们所认识。

数控铣床不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。

目前，我国金属加工行业使用的数控铣床是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：

发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控铣床下料所占比例更小。

我国数控铣床每年市场需求量约在400~500台之间。

相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。

由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控铣床市场的发展潜力是巨大的。

2数控技术的现状与发展

计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控铣床的高精、高速、高效功能。

代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。

近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。

在我国的数控铣床设备生产行业中，由于缺乏切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了数控铣床技术的进一步发展和运用。

第一章数控加工技术概论

1.1数控技术及数控加工的基本概念

一数控技术

数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术，是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。

数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透行程的机电一体化铲平，即所谓的数字化装备。

（1）数控与数控机床

数字控制（NumericalControl，简称NC）,国家标准定义为：

“是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法”。

定义中的“机床”，不仅指金属切削机床，还包括其他各类机床，如线切割机床等。

数控机床（NumericalControlMachineTools）是技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工装备。

简单地说就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

国际信息处理联盟（InternaionalFederationofInformationProceccing，简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：

数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。

（2）数控系统

数控系统（NCSystem）就是上诉定义中所指的那种程序控制系统，它是逻辑地处理驶入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运行并加工零件。

数控系统在本质上是一台计算机。

在硬件方面，它经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、微处理机到当前PC结构的五代发展；在体系结构上，经历了硬件数控系统（NC）、计算机数控（CNC）、到目前的PC数控（PC-NC）三个阶段。

[9]

二数控加工

数控加工技术是20世纪40年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术。

数控加工就是用数控机床加工零件的方法。

数控加工是伴随数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们长期从事数控加工实践的经验总结。

1.2数控机床的组成与分类

一数控机床的组成

数控机床的种类很多，但是任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机械系统组成。

1数控系统

数控系统是数控机床的核心，是数控机床的“指挥系统”。

数控系统通常是一台带有专门系统软件的专用微型计算机。

2伺服系统

伺服系统（或称驱动系统）是数控机床的执行机构，是由驱动和执行两大部分组成。

用于实现数控机床的进给伺服控制和株洲伺服控制。

它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给熟读、方向和位移。

3机械系统

数控机床的机械系统，除机床基础件意外，有下列各部分组成:

（1）主轴部件：

包括主轴电动机和主轴传动系统。

（2）进给系统：

包括进给执行电动机和进给传动系统。

（3）实现共建回转、定位的装置和附件。

（4）实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。

（5）刀库和自动换刀装置（AutormaticToolsChanger,简称ATC）

（6）自动托盘交换装置（AutormaticPalletChanger，简称APC）

机床基础件或称机床大件，通常是指床身（或底座）、立柱、滑座和工作台等，它是整台机床的基础和框架。

[9]

二数控机床的分类

1按工艺用途分

按照工艺的不同，数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、数控剪床、数控液压机等各种工艺用途的数控机床。

2按运动方式划分

按运动方式即刀具与工件相对运动方式，数控机床可分为：

点位控制、直线控制和轮廓控制。

3按伺服系统类型划分

按伺服系统类型的不同，数控机床可分为：

开环伺服系统数控机床、闭环伺服系统数控机床和半闭环伺服系统时空机床。

（1）开环伺服系统数控机床

开环伺服系统数控机床是一种不叫原始的数控机床。

这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。

最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。

这类系统的信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。

这类机床较为经济，但加工速度和加工精度较低。

（2）闭环伺服系统数控机床

闭环伺服系统数控机床带有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测。

这类控制系统，因为把机床工作台纳入位置控制环，故称为闭环控制系统。

该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节速度快。

但由于该系统受进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成较大的困难。

由于闭环伺服系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密镗铣床、超精密数控机床等。

（3）半闭环伺服系统数控机床

大多数数控机床是半闭环伺服系统，这类系统介于开环和闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到了广泛的应用。

4按数控机床系统的功能水平划分

按数控机床系统的功能水平可分为：

低档、中档和高档。

按控制轴数和联动轴数可分为几轴联动等多种数控机床；按数控机床功能多少可分为经济型数控机床和全功能型数控机床等。

[9]

1.3数控机床的特点与数控机床的发展方向

1数控机床的特点

数控机床与普通机床比较具有以下特点。

（1）自动化程度高。

（2）进给传动机构简单。

（3）工艺复合化和功能集成化。

（4）具有加工复杂形状两件的能力。

（5）具有高度柔性，适用性强。

（6）加工精度高、质量稳定。

（7）生产效率高。

2数控机床的发展方向

当今数控机床正朝着以下几个方向发展。

（1）高速度、高精度。

（2）多功能化。

（3）智能化。

（4）目前CAD/CAM图形交互式自动变成已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。

（5）可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。

（6）控制系统小型化和时空系统小型化便于将机、电装置结合为一体。

[20]

第二章数控铣床主传动系统

数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。

与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。

省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。

2.1数控机床对主传动的要求

1.范围：

各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。

2.热变形：

电动机、主轴及传动件都有热源。

降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。

3.旋转精度和运动精度

（1）主轴的旋转精度:

是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。

（2）主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。

4.主轴的静刚度和抗振性

由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。

因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。

5.主轴组件的耐磨性

主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。

凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。

[6]

2.2数控铣床主传动的配置方式

数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。

大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。

数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：

1.带有变速齿轮的主传动

这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。

它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。

但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。

2.通过带传动的主传动

主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。

同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。

带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。

带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。

与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：

（1）无滑动，传动比准确。

（2）传动效率高，可达98%以上。

（3）传动平稳可靠，噪声小。

（4）使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。

（5）修保养方便，不需要润滑。

但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。

3.由调速电动机直接驱动的主传动

这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。

但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。

在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。

使用这种电动机可实现电气定向。

我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。

随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。

[4]

第三章主轴电动机的选取

正确选择电动机的类型、型号及容量是机床设计的重要问题之一，它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求，所设计的结构，工作状况等全面考虑，然后选择适宜的结构型式及容量。

图3-1主轴电动机

电动机功率的选择，工作机所需的有效功率为：

Pw=Fv/1000=17.5kw[1],为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率η，设η1、η2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得η1和η2都等于0.97。

则传动的总效率为η=η1×η2=0.94[1]，所以电动机所需的功率为Pd=Pw/η=18.5KW[1]

电动机传速的选择:

此次设计要求电动机必须有额定转速1500r/min,最高转速必须达到4000r/min.

电动机型号的选取：

根据设计要求，本次设计中选取兰州电机厂生产的1PH5167-4CF4型号交流主轴电动机。

其主要参数如下表：

额定转速（r/min）

最高转速（r/min）

额定转矩

惯性矩（N.M）

电机功率（KW）

恒功率范围

1500

6000

117.7

0.046

18.5

1:

90

表3-11PH5167-4CF4型号交流主轴电动机的主要参数[11]

第四章同步带传动

同步带传动综合了带传动和链传动的特点，同步带传动的优点是:

（1）无相对滑动，带长不变，传动比稳定；

（2）带薄而轻，强力层强度高，适用于高速传动，速度可达40m/s；

（3）带的柔性好，课用直径较小的带轮，传动结构紧凑，能获得较大的传动比；

（4）传动效率高，可达0.98-0.99，因而应用日益广泛；

（5）初拉力较小，故轴和轴承上所受的载荷小。

主要缺点是制造、安装精度要求较高、成本高。

同步带主要用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如计算机、录音机、磨床和纺织机等。

[13]

4.1材料选择

根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。

带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运转部分。

[13]

4.2参数计算

设计计算的内容主要是：

齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸，传动中心距，作用在轴上载荷以及结构设计。

1.模数的选取

模数主要根据齿形带所传递的计算功率Pd和小带轮转速n1确定的，通过查《现代数控机床》表4-33查得Pd=KA*P,式中P———传动功率

表4-1工作情况系数KA

载荷性质

一天运转时间/h

≤10

10～16

16以上

载荷平稳

1.0

1.1

1.2

载荷变化小

1.2

1.4

1.6

载荷变化大

1.4

1.7

2.0

选取KA=1.7，所以PC=5.5×1.7=9.35KW

由齿形带模数选用图可选m=4

2.小带轮齿数Z1:

由《机械传动装置设计手册》表8-38得Zmin=22,所以取Z1=24

3.同步带节距Pb:

由PD=9.35KWn1=1500r/min,查表选取节距Pb=12.566mm,齿形角2β=40。

　齿根厚S=5.75mm。

齿顶厚St=4mm,齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm,齿根圆半径Rr=齿顶圆半径Ra=0.40mm,带高hs=4.4mm,节顶距δ=1.000mm,带bs=35～40mm。

4.节圆直径d1:

d1=

=96㎜

5.大带轮齿数z2与直径：

z2=iz1=36

6.大带轮直径d2=id1=1.5×96=144㎜

7.带的速度V:

V=

=7.536，（式4-1）

由表查得[13]

Vmax=35～40V

8.定中心距a0:

5（d1+d2）≤a0≤2（d1+d2）

所以：

0.7（96+144）≤a0≤2（96+144）

则有168≤a0≤480初选a0=300

9.带的节线长度Lp以及齿数Zb：

Lp0=2a0+

（d1+d2）+

=2300+

×240+

=978.72（式4-2）

查表选取Lp=1005㎜Zb=80

10.计算中心距a（采用中心距可调）

a≈a0+

=300+

㎜（式4-3）

选取a=314㎜

11.带轮与带的啮合齿数Zm：

Zm≈

=11.82取Zm=12（式4-4）

因为当m≥2时，Zm应不小于6，所以计算的Zm满足条件。

12.带宽bs:

bs≥

查表取Kz=1.20,Fa=20N/mm（式4-5）

Fc=mbV2=4.8×10-3×7.5362=0.273

所以bs≥

㎜选取bs=40㎜

13.作用与轴上的力Fr：

Fr=

（式4-6）

14.小带轮最小包角ɑ：

α≈180º-60º（d2-d1）/a=180。

-60。

（144-96）/314=170.8。

15.带轮宽度bf,bf1,bf2

bf=bs+（1.5～3）=41.5～43

bf1=bs+（6～7）=46～47

bf2=bs+（3～5）=43～4[14]

第五章主轴组件的设计

主轴组件主要包括：

主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等，因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响，是机床最重要的部件之一。

5.1主轴组件的设计要求

1.回转精度

主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。

当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的得回转中心线。

回转中心线的空间位置，每一瞬间都是变化的，这些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线。

瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间位置的距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。

纯径转误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。

当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。

由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得的加工形状。

主轴回转精度的测量，一般分为三种静态测量、动态测量和间接测量。

目前我国在生产中沿着传统的静态测量法，用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。

千分表最大和最小的读数差既认为是主轴的径向回转误差。

端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直度，数据综合表示。

动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴中心线上，与主轴同时旋转；在主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90度角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。

间接测量是用小的切削量用小的切削量回工有色金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。

出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L=300mm时允许误差应小于0.02㎜。

造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。

因此加工中心的主轴不平衡量要控制在0.4㎜/s以下。

2.主轴刚度

主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。

通常抵以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。

主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。

主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。

主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。

3.主轴抗振性

主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的运转而不发生振动的能力。

主轴组件抗振性及在必要时安装阻尼（消振）器。

另外，使主轴固有频率远远大于激振力的频率。

4.主轴温升

主轴组件在运转中，温升过高会起两方面的不良结果：

一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会有变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。

严重时甚至会发生：

“抱轴”。

数控机床在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。

5.主轴的耐磨性

主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。

主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。

为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高硬度增加耐磨性。

主轴轴承也需要有良好的润滑，提高其耐磨性。

以上这些要求，有的还是矛盾的，例如高刚度和高速，高速和高精度等，这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件的主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。

同时，主轴结构要保证个部件定位可靠，工艺性能好等要求。

6.提高主轴组件抗振性的措施

（1）尽量缩短主轴前轴承结构的长度，适当增大跨矩；

（2）尽量提高前轴承的刚度和阻尼；

（3）提高前轴承的精度，把推力轴承放在前支撑初可提高抗振性；

（4）对高速旋转的零件作静、动平衡，提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减少强迫振动源；

（5）对于非连续切削过程的铣削，滚削等加装飞轮可减少振动；

（6）应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施；考虑系统的固有频率，避免共振。

7.减少主轴组件热变形的措施

（1）把热源移至机床以外。

（2）改善主传动的润滑条件。

如进行箱外循环润滑，用低粘度的润滑油、油雾润滑等，特别注意前轴承的润滑情况。

（3）采用冷却散热装置。

例如用热管冷却减少机床各部位的温差,进行热补偿。

如可以在结构设计采用一些自动补偿的装置设法使热变形朝不影响加工精度的方向发展。

还可以在工艺上减少热变形的影响。

如先空运转一段时间再加工。

把粗、精加工分开等。

5.2主轴材料的选择及尺寸、参数的计算

图5-1主轴

主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料、及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大的影响。

主轴结构随系统设计要求的不同而有各种形式。

主轴的主要尺寸参数包括：

主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。

评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。

1.主轴直径

主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。

轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。

同时极限转数下降。

主轴后端支撑轴颈的直径可视为0.7～0.8的前支承