金属切削机床设计机械制造装备设计教学

第三章金属切削机床设计第一节概述金属切削机床基础装备科学技术的发展对机床提出了新的要求给机床设计和制造提供了新手段一、机床设计应满足的基本要求（一）工艺范围（加工功能）加工方法工件类型加工 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面形状、尺寸等（二）柔性指其适应加工对象变化的能力空间上的柔性功能柔性（多品种小批量）时间上的柔性结构柔性（新的机床功能）工艺范围（三）与物流系统的可亲性（accessibility）静态刚度（四）刚度动态刚度热态刚度（五）精度几何精度空载条件下的精度运动精度传动精度定位精度工作精度加工精度（六）噪声（七）生产率和自动化（八）成本（九）生产周期（十）可靠性（十一）造型与色彩计算机辅助设计（CAD）计算机辅助工程（CAE）二、机床设计方法计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑的广泛应用人工绘图计算机绘图传统的经验设计现代设计定性设计定量设计静态和线性分析向动态和非线性分析可行性设计最佳设计FMS的发展数控技术的发展与应用，改变了机床的传动结构“以机床为主的系统”设计“以系统为主的机床设计”通用机床系列化设计方法基型产品其它产品创新设计变型设计组合机床组合设计类型三、机床设计步骤设计任务机床主要技术指标设计机床总体方案设计总体方案设计总体方案综合评价与选择总体方案的设计修改（优化）详细设计机床整机综合评价满足设计要求？结束NY1．主要技术指标设计工艺范围生产率性能指标主要参数驱动方式成本及生产周期（一）总体设计材料质量形状及尺寸传动方式传动原理图传动系统图尺寸参数运动参数动力参数2．总体方案设计运动功能设计基本参数设计传动系统设计总体结构布局设计控制系统设计个数形式功能排列顺序运动功能分配总体布局结构形式总体结构方案图控制方式及控制原理控制系统图3．总体方案综合评价与选择4．总体方案的设计修改或优化（二）详细设计（1）技术设计包括确定结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。（2）施工设计包括零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。（三）机床整机综合评价第二节金属切削机床设计的基本理论一、精度具有精度、保持精度机床精度几何精度传动精度运动精度定位精度精度保持性普通精度级、精密级和高精度级工作精度空载精度1．几何精度几何精度是指机床空载条件下，在不运动或低速运动时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。2．运动精度运动精度是指机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度。如高速回转主轴的回转精度。3．传动精度传动精度是指机床传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。4．定位精度定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。5．工作精度加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度6．精度保持性在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度二、刚度（一）概述机床刚度指机床系统抵抗变形的能力，通常用下式表示K＝F/y式中K——机床刚度（N／m）；F——作用在机床上的载荷（N）y——在载荷作用下，机床或主要零、部件的变形静载荷静刚度动载荷动刚度（二）整机刚度整机在静载荷作用下抵抗变形的综合能力各部件的刚度结合部的刚度优化三、抗振性交变载荷作用下，抵抗变形的能力。（一）受迫振动（二）自激振动（切削稳定性）（三）振动影响因素（1）机床的刚度（2）机床的阻尼特性（3）机床系统固有频率四、热变形（一）概述机床在工作时受到内部热源和外部热源的影响，使机床各部分温度发生变化。因不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形，使加工工件产生误差。最大可占全部误差的70％左右。热源：内部（电机、液压系统、摩擦、切削热等）外部（环境温度、热辐射等）（二）热平衡的温度场五、噪声（一）概述（二）噪声的度量指标1．客观度量20lgp/p02．噪声的主观度量（三）机床噪声1）机械噪声2）液压噪声3）电磁噪声4）空气动力噪声六、低速运动平稳性（一）爬行现象和机理（二）爬行的度量（1）爬行量用机床部件位移——时间曲线表示（2）速度波动量用机床部件速度——时间曲线表示（3）爬行的临界速度Vc=FΔf/(2ξkm)0.5（三）消除爬行的措施mvCF导轨主动件进给系统被动件进给传动的力学模型1）减小静、动摩擦系数之差；2）提高传动机构的刚度；3）提高阻尼比和降低移动件质量。滚动摩擦卸荷导轨、静压导轨减摩材料润滑一、机床系列型谱的制定国家根据机床的生产和使用情况，在调查研究的基础上，规定了每一种通用机床的主规格（主要参数）称为主参数系列，中型卧式车床的主参数是床身上工件最大回转直径，其系列为250，320，400，500，630，800，1000七种规格第三节金属切削机床总体设计系列万能式马鞍式提高精度无丝杠式卡盘式球面加工端面车床250○△△320○△△400○△△△△△500○△△△△630○△△△800○△△△△△1000○△△△△△表3-1中型卧式车床的简略系列型谱表○——基型，△——变型主参数系列纵向横向型谱二、机床的运动功能设计（一）机床的工作原理基本功能：是提供切削加工所必须的运动和动力。基本工作原理：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，达到其精度要求。（二）工件表面的形成方法1．几何表面的形成原理任何一个表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。2．发生线的形成工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。（1）轨迹法（描述法）（2）成型法（仿形法）（3）相切法（旋切法）（4）范成法（滚切法）1n需要刀具和工件之间有一个相对运动轨迹法f1n不需要刀具和工件之间的相对运动成型法n11n相切法刀具和工件之间需要两个相对运动。n2n1n2n1f1f123刀具和工件之间需要一个相对运动（范成运动）范成法12fn1n23．加工表面的形成方法母线形成方法和导线形成方法的组合。形成加工表面所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。表面成形运动非表面成形运动（三）运动分类主运动进给运动（纵、横、斜向）1．按运动的功能分类切入运动分度运动辅助运动控制运动接近退刀返回2．按运动的关系分类（1）独立运动（2）复合运动分析工艺范围；确定加工方法（四）机床运动功能方案设计1．工艺分析机床总体坐标系：直角坐标系2．选取坐标系X，Y，Z沿轴的直线运动及运动量A，B，C绕X，Y，Z轴的回转运动αβγ绕X，Y，Z轴的回转运动量l）局部坐标系固定在运动部件上；2）运动方向与机床坐标系轴线平行时，取各局部坐标系与机床坐标系方向一致；也可以取运动方向为Zi轴；3）当有斜置式运动时，可混合选取。局部坐标系的选取运动功能式表示机床的运动个数、形式、功能（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标p，f，a表示）及排列顺序。左边写工件，用W表示；右边写刀具，用T表示，中间写运动，按运动顺序排列，并用“／”分开。3．写出机床运动功能式车床的运动功能式W／Cp，Zf，Xf／T三轴升降台式铣床的运动式W／Xf，Yf，Zf，Cp/T4．画出机床运动功能图车床三轴升降台铣床龙门刨床外圆磨床摇臂钻床坐标镗床5、绘制机床传动原理图传动原理图表示动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系合成机构传动比可变的变速传动传动比不变的传动车床传动原理图滚齿机传动原理图并联运动和串联运动特点：精度高、刚度高、运动部件质量小、速度高并联运动虚拟串联运动六个运动并联三个运动并联运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用“·”符号表示。“·”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“·”接地符号后，可称为运动分配式。三、机床总体结构方案设计（一）运动功能分配设计铣床的运动功能式W／Xf，Zf，Yf，Cp/T，其运动分配式有：1）W／·Xf，Zf，Yf，Cp／T；2）W／Xf·Zf，Yf，Cp／T；3）W／Xf，Zf·Yf，Cp／T；4）W／Xf，Zf，Yf·Cp／T。（二）结构布局设计机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等；其中基础支承件的形式又有底座式，立柱式，龙门式等；基础支承件的结构又有一体式和分离式等等。（三）机床总体结构的概略形状与尺寸设计1）首先确定末端执行件的概略形状与尺寸。2）设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸。3）根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程尺寸，确定下一个功能部件的概略形状与尺寸；4）重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。5）若要进行机床结构模块设计、则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。6）初步进行造型与色彩设计。7）机床总体结构方案的综合评价。8）机床总体结构方案设计修改与确定。四、机床主要参数的设计（一）主参数和尺寸参数主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数，为了更完整地表示出机床的工作能力和工作范围，有些机床还规定有第二主参数。尺寸参数运动参数动力参数主参数基本参数主要参数通用机床主参数：国家标准，选用专用机床的主参数：以零件或被加工面的尺寸参数来代表。尺寸参数：机床的主要结构尺寸参数通常包括：1）与被加工零件有关的尺寸2）标准化工具或夹具的安装面尺寸（二）运动参数运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台、刀架）的运动速度。1．主运动参数★主运动为回转运动的机床——主轴转速；★主运动为直线运动的机床——如插、刨机床，主运动参数是插刀或刨刀每分钟往复次数（次／分）。●专用机床和组合机床：通常主轴只须一种固定转速n=1000v/πd式中n——主轴转速（r／min）；v——切削速度（m／min）；d——工件或刀具直径（mm）。●通用机床：主轴具有多转速。确定变速范围设计时应考虑确定变速方式（无级变速和有级变速）确定有级变速的级数（1）最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定D——机床能加工的最大直径（mm）；K——系数；Rd——计算直径范围。0.2~0.25例：确定400mm卧式车床主轴的最高、最低转速。（采用硬质合金车刀半精车小直径外圆时转速最高）（采用高速钢车刀精车合金钢材料的梯形螺纹时转速最低）（2）主轴转速的合理排列机床主轴转速是按等比级数排列，其公比用符号表示。则转速数列为:转速呈等比级数排列的原因：▲转速相对损失均匀；▲设计简单方便。相对转速损失率：最大损失率：若：则：■因此，转速分配如下：■最大相对损失率■变速范围（3）标准公比值和标准转速数列标准公比的确定依据如下原则：●1＜＜2●●我国机床专业GC58-60规定了7个标准公比：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2注：在设计其他机械时也常常采用这个标准；当机械的变速级数过多时，往往采用两个以上公比。表3-2标准公比1.061.121.261.411.581.7822Amax5.7%11%21%29%37%44%50%1.0611.0621.0641.0661.0681.06101.0612（4）公比的选用▲对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取1.26或1.41；▲对于大批，大量生产用的专用机床，专门化机床及自动机一般取1.12或1.26，因其生产率高，转速损失影响较大，且又不经常变速，可用交换齿轮变速，▲非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，故可取1.58、1.78甚至2。12481631.563125250500100020001.062.124.258.51733.567132265530106021201.122.244.59.01835.571140280560112022401.182.364.759.52937.575150300600118023601.252.55.010204080160315630125025001.322.655.310.621.242.585170335670132026501.42.85.611.222.44590180355710140028001.53.06.011.823.647.590190375750150030001.63.156.312.52550100200400800160031501.73.356.713.226.553106212425850170033501.83.557.1142856112224450900180035501.93.757.515306011823647595019003750表3-3标准数列（5）变速范围Rn，公比和级数Z的关系由等比级数规律可知两边取对数注意：a)计算出的公比应该圆整为标准值;b)级数应该圆整为整数。同时修正Rn例：有一台机床，主轴共有12级转速，分别为：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400。公比为=1.41，则最大相对转速损失率为：变速范围：例：设计一台机床，nmin=12.5r/min，nmax=2000r/min，=1.26。查表确定各级转速。★查表3-3找到最低转速12.5★因为：1.26=1.064★所以：每隔3个数取一个数得到下面数列12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,80,100,125,160,200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1600,20002．进给量的确定数控机床无级变速无级变速普通机床等比级数（加工外圆、端面）有级变速（普通车床加工螺纹）等差数列（螺纹车床）（刨床、插床等棘轮机构进给机床）3．变速形式与驱动方式选择无级变速变速形式有级变速有级变速+无级变速电动机驱动独立驱动方式驱动方式集中驱动方式液压驱动联合驱动方式（三）动力参数电动机的功率或扭矩1、主电动机功率的确定P主=P切+P空+P辅式中P切——切削功率（有效功率）（kW）；P空——空载功率（kW）；P辅——摩擦损耗功率（kW）。（1）切削功率（2）空载功率（3）摩擦损耗功率则主电机功率的估算：2．进给驱动电动机功率的确定机床进给运动驱动源可分成如下几种情况：1）进给运动与主运动合用一个电动机，如卧式车床、钻床等。进给运动消耗的功率远小于主传动2）进给运动中工作进给与快速进给合用一个电动机时，由于快速进给所需功率远大于工作进给的功率，且二者不同时工作，所以不必单独考虑工作进给所需功率。3）进给运动采用单独电动机驱动，则需要确定进给运动所需功率（或扭矩）。3．快速运动电动机功率的确定快速运动电动机启动时消耗的功率最大，要同时克服移动件的惯性力和摩擦力P快=P惯+P摩表3-5机床部件空行程速度和功率机床类型主参数/mm移动部件速度m/min功率/kW卧式车床床身上最大回转直径400630~80010002000溜板箱溜板箱溜板箱溜板箱3~543~430.25~0.51.11.54立式车床最大车削直径单柱1250~1600双柱2000~31505000~10000横梁横梁横梁0.440.350.3~0.372.27.517摇臂钻床最大钻孔直径25~3540~5075~100125摇臂摇臂摇臂摇臂1.280.9~1.40.61.00.81.1~2.237.5表3-5机床部件空行程速度和功率（续）卧式镗床主轴直径63~7585~110126200主轴箱和工作台主轴箱和工作台主轴箱和工作台主轴箱和工作台3~543~430.25~0.51.11.54升降台铣床工作台面宽度200250320400工作台和升降台工作台和升降台工作台和升降台工作台和升降台2.4~2.82.5~2.92.32.3~2.80.60.6~1.71.5~2.22.2~3龙门铣床工作台面宽度800~1000横梁工作台0.652.0~3.25.54龙门刨床最大刨削宽度1000~12501250~16002000~2500横梁横梁横梁0.570.57~0.90.42~0.63.03~5.57.5~10