第2章 金属切削机床设计

1、机械制造装备设计机械制造装备设计第第2 2章章 金属切削机床设计金属切削机床设计22.12.22.32.4 概述概述金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计 主传动系设计主传动系设计 进给传动系设计进给传动系设计 本章分四个小节：本章分四个小节：3 2.1 概述概述 金属机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器。 目前，中国的机械制造技术的发展战略特别是冷加工技术的发展将沿着三条主线进行：v机械制造工艺方法进一步完善与开拓。v加工技术向高度精度方向发展，使“精密工程和”“纳米技术”逐步走向实用化和生产化。v加工技术向自动化方向发展，继续沿着NCCNCFMSCIMS的台阶向上攀登。4 2.

2、1 概述概述（a）车铣复合加工中心 （b）高速立式加工中心 （c）大型双主轴立式龙门加工中心5 2.1 概述概述机床产品的分类机床产品的分类 机床是机械制造的基础机械，是制造机器的机器，被称为“工作母机”。机床品种规格繁多，按加工方法和所用刀具主要分为 ： v 车床 车床主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面、圆锥面及成形回转表面）和回转体的端面，有些还可加工螺纹面，主运动通常是由工件的旋转运动实现的，进给运动则由刀具的直线移动来完成。数据管理6 2.1 概述概述数据管理 C06140车床 加宽型C5116E车床 7 2.1 概述概述v 磨床 磨床是用磨具和磨料（如砂轮、砂带、油石、研磨剂等）对

3、工件的表面进行磨削加工的一种机床，广泛用于零件的精加工，尤其是淬硬零件、高硬度特殊材料及非金属材料的加工。 8 2.1 概述概述v 钻床 钻床是孔加工机床，是用钻头在工件上加工孔的机床。钻床通常用于加工尺寸较小，精度要求不太高的孔，可完成钻孔、扩孔、铰孔以及攻螺纹等工作。 9 2.1 概述概述v 铣床 铣床是用铣刀进行切削加工的机床，可加工平面、沟槽、多齿零件上的齿槽、螺旋形表面及各种曲面，用途广泛。 10 2.1 概述概述v 镗床 镗床是主要用镗刀在工件上加工孔的机床，工艺范围较广，通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔 11 2.1 概述概述v 刨床 刨床主要用于刨削各种平面和沟槽。 12

4、 2.1 概述概述v 插床 插床主要用于加工工件的内表面，有时还可加工成形内外表面，主运动是滑枕带动插刀沿垂直方向所作的直线往复运动。 13 2.1 概述概述v 齿轮加工机床 在金属切削中，齿轮加工机床是用于加工齿轮轮齿的机床。 14 2.1 概述概述机床产品设计要求机床产品设计要求 机械产品的性能，80%取决于设计阶段，因此必须高度重视设计方法和手段的应用。对于机床产品的设计，需要满足以下几个要求：v 性能设计要求 （1）工艺范围； （2）生产率和自动化程度； （3）加工精度和表面粗糙度； （4）可靠性 （5）机床的机械效率和寿命 （6）噪声v 经济效益v 人机关系数据管理15 2.1 概述

5、概述 机床产品设计的方法机床产品设计的方法 机床设计经历了由静态分析到动态分析，由定性分析到定量分析，由线性分析向非线性分析，由安全设计向优化设计，由手动设计向自动化发展的过程。v 理论分析计算和试验研究相结合的设计方法v 分析计算法 （1）集中参数法 （2）有限元法 （3）优化设计 （4）可靠性设计数据管理16 2.1 概述概述 机床的设计步骤机床的设计步骤 设计机床的步骤在实践中虽有细节上的差别，但归纳起来大体上可分为以下4个阶段。v 调查研究v 总体方案设计 总体方案设计所包含的内容包括：工艺分析、主要技术参数、机床总体布局、传动系统、电气系统、液压系统、主要部件的结构草图、试验结果及技

6、术经济分析报告等。v 工作图设计v 试制鉴定数据管理17 机床系列型谱的制订机床系列型谱的制订 机床的型号是机床产品的代号，用以表明机床的类型、通用特性、结构特性以及主要技术参数等 GB/T153751994金属切削机床型号编制方法规定，我国金属切削机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成。 （） 分类代号 类代号 （） 通用特性及结构特性代号 组代号 系代号 主参数或设计顺序号 （） 主轴数或第二主参数 （）重大改进顺序号 （/） 其他特性代号 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计18 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计v 机床的类别代号 我国的机床分为

7、12大类，如有分类则在其类别代号前加数字表示 。数据管理表表2.1 机床类代号和分类代号机床类代号和分类代号类别车床钻床镗床磨床齿轮加工机床螺纹加工机床铣床刨插床拉床电加工机床锯床其他机床代号CZTM2M3MYSXBLDGQ读音车钻镗 磨二磨三磨牙丝铣刨拉电割其他19 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计v 机床的通用特性代号 当某类型机床除有普通式外，还具有表2.2所列的通用特性时，则在类代号之后用大写的汉语拼音予以表示。数据管理通用通用特性特性高精高精度度精密精密自动自动半自半自动动数控数控加工加工中心中心（自（自动换动换刀）刀）仿形仿形轻型轻型加重加重型型简式简式或经或经济型

8、济型柔性柔性加工加工单元单元数显数显高速高速代号代号GMZBKHFQCJRXS读音读音高高密密自自半半控控换换仿仿轻轻重重简简柔柔显显速速表表2.2 机床通用特性代号机床通用特性代号20 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计数据管理v 结构特性代号 结构特性代号为了区别主参数相同而结构不同的机床，在型号中用汉语拼音字母区分。 v 机床的组别、系别代号 同类机床因用途、性能、结构相近或有派生而分为若干组。 v 机床的主参数、设计顺序号和第二参数v 机床的重大改进序号v 其他特性代号21 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计 机床运动原理方案设计与分析机床运动原理方案设计与

9、分析v 运动分类 在切削加工中，为了得到具有一定几何形状、一定精度和表面质量的工件，使刀具和工件间按一定的规律完成一系列的运动。这些运动按其功用可以分为表面成形运动和辅助运动两种大类 （1 1） 表面成形运动表面成形运动 直接参与切削过程，使之在工件上形成一定几何形状表面的刀具和工件间的相对运动称为表面成形运动。22 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计 根据切削过程中所起的作用不同，表面成形运动可分为主运动和进给运动两类。 主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，促使刀具接近工件而实现切削的运动。 进给运动是由机床或人力提供的保证切削连续进行的刀具与工件之间的运动。 （2 2） 辅

10、助运动辅助运动 除表面成形运动外的所有运动都是辅助运动，其功用为实现机床加工过程中所必需的各种辅助动作。数据管理23 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计v 运动的分配 运动的合理分配是很重要的，应由各方面因素来决定: （1 1） 简化机床的传动和结构简化机床的传动和结构 在其他条件相同的情况下，运动部件的质量越小，所需的电动机功率和传动尺寸也越小。因此，从简化传动件的角度来看，应把运动分配给质量小的执行件。 （2 2） 提高加工精度提高加工精度 （3 3） 缩小机床占地面积缩小机床占地面积数据管理24 机床传动原理方案设计机床传动原理方案设计 机床的传动必须具备执行件、运动源、传

11、递件v 机床的传动链 机床的传动链分为外联系传动链和内联系传动链 外联系传动链外联系传动链指联系动源和机床执行件，使执行件得指联系动源和机床执行件，使执行件得到运动，并能改变运动的速度和方向，但不要求运动源和到运动，并能改变运动的速度和方向，但不要求运动源和执行件之间有严格的传动比关系。执行件之间有严格的传动比关系。 内联系传动链内联系传动链指联系复合运动之内的各个分解部分，指联系复合运动之内的各个分解部分，传动链所联系的执行件相互之间的相对速度（及相对位移传动链所联系的执行件相互之间的相对速度（及相对位移量）有严格的要求，用来保证运动轨迹。量）有严格的要求，用来保证运动轨迹。 2.2 金属切

12、削机床总体设计金属切削机床总体设计25 机床的总体结构方案设计机床的总体结构方案设计v 结构布局设计 机床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数据管理 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计26v 机床总体结构的概略形状与尺寸设计 该阶段主要是进行功能（运动或支承）部件的概略形状和尺寸设计。 设计的主要依据：机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果，机床动力参数及加工空间尺寸参数，以及机床整机的刚度及精度分配。 设计中在兼顾成本的同时应尽可能选择商品化的功能部

13、件，以提高性能、缩短制造周期。 数据管理 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计27 机床主要参数的设计机床主要参数的设计 机床主要技术参数包括尺寸参数、运动参数和动力参数。v 尺寸参数 由于机床是根据特定零件而设计的，故尺寸参数用来表示机床加工范围的大小，是特定的。v 运动参数 运动参数是指机床的主运动和辅助运动的执行件的运动速度、位移、轨迹等，如主轴、工作台、刀架等执行件的运动速度。数据管理 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计28 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计 （1 1） 主运动参数主运动参数 对于主运动是回转运动的机床，它的主运动参数是主轴转速

14、。对于切削加工的机床而言，运动参数要根据切削速度来决定： n转速，单位r/min； v切削速度，单位为m/min； d加工工件的直径，单位为mm。 对于主运动是直线运动的机床，主运动参数是刀具的每分钟往复次数（次/min）。 数据管理29 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计 最低转速和最高转速的确定：最低转速和最高转速的确定：应根据工艺要求，再与同类型机床相比较，同时考虑技术发展，然后经分析研究后确定最低转速和最高转速的值。最高转速和最低转速的比值成为机床的转速范围 在确定了最高转速和最低转速之后，如果采用分级变速，则必须将转速分级。 30 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机

15、床总体设计 当主轴转速数列按等比级数排列时，相邻转速的比值称为公比，其关系为 如数列中只有一个共比值时，各级转速应为数据管理31 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计转速范围为 两边取对数可得出下式 当主轴转速数列采用等比级数排列时，在设计时选择齿轮的传动比、齿数就较为简单方便。数据管理32 2.2 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计数据管理 （2 2） 辅助运动参数辅助运动参数 辅助运动的运动参数，其数列也同样存在着等比级数排列、等差级数排列、无规律变化的排列三种。 v 动力参数 动力参数包括电机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定扭矩等。各传动的参数（如轴或丝

16、杠的直径，齿轮、蜗轮的模数等）都是根据动力参数设计计算的。 33 概述概述 机床主传动系一般应满足以下要求：满足机床的使用性能；满足机床传递动力；满足机床工作性能；满足产品设计经济性能；调整维修方便，结构简单、合理，便于加工和装配。 主传动系分类和传动方式主传动系分类和传动方式v 主传动系分类 （1）按驱动主传动的电动机类型）按驱动主传动的电动机类型 （2）按传动装置类型）按传动装置类型 （3）按变速的连续性）按变速的连续性数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计34v 主传动系的传动方式（1） 集中传动方式集中传动方式 主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内，称为集中传动方式。

17、 通用机床中多数机床的主变速传动系都采用这种方式。 数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计35（2） 分离传动方式分离传动方式 主传动系中的大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，成为分离传动方式。 数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计36 分级变速主传动系的设计分级变速主传动系的设计 分级变速主传动系设计的内容和步骤如下： （1）根据已确定的主变速传动系的运动参数，拟定结构式、转速图； （2）合理分配各变速组中各传动副的传动比，确定齿轮齿数和带轮直径等； （3）绘制主变速传动系图。数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计37v

18、转速图 （1）转速图的概念）转速图的概念 转速图表示传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值和传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。 （2）转速图的组成）转速图的组成 转速点转速点 传动轴线传动轴线 转速线转速线 传动线传动线数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计38 （3）转速图的基本规律）转速图的基本规律 变速系统的变速级数是各变速组传动副数的乘积机床的总变速范围是各变速范围的乘积。 变速的基本规律是： 变速系统是以基本组为基础，再通过扩大组（可以有第一扩大组、第二扩大组）把转速范围加以扩大。若要求变速系统是一个连续的等比数列，则基本组的级比等于 ，级比

19、指数 ；扩大组的级比 ，级比指数 应等于该扩大组前面的基本组传动副数和各扩大组传动副数的乘积。 2.3 主传动系设计主传动系设计jx10Xjx39v 结构式 设计分级变速主传动系时，为了便于分析和比较不同传动设计方案，常使用结构式形式 式中，式中，12表示主轴的转速级数为表示主轴的转速级数为12级，级，3、2、2分别表分别表示按传动顺序排列各变速组的传动副数，即该变速传动系示按传动顺序排列各变速组的传动副数，即该变速传动系由由a、b、c三个变速组组成，其中，三个变速组组成，其中，a变速组的传动副数为变速组的传动副数为3，b变速组的传动副数为变速组的传动副数为2，c变速组的传动副数为变速组的传动

20、副数为2。结。结构式中的下标构式中的下标1、3、6，分别表示各变速组的级比指数。，分别表示各变速组的级比指数。 2.3 主传动系设计主传动系设计6312231240 变速组的级比是指主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动线的比值，用 表示。级比中的指数 值称为级比指数，它相当于由上述相邻传动线与从动轴交点之间相距的格数。 设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组称为基本组。基本组的级比指数用 表示，即 。 后面变速组因起变速扩大作用，所以统称为扩大组。 2.3 主传动系设计主传动系设计iXiX0X10X41 第一扩大组的级比指数 一般等于基本组的传动副数 ，即

21、。 第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数 等于基本的传动副数和第一扩大组传动动副数的乘积，即 。 结构式简单、直观，能清楚地显示出变速传动系中主轴转速级数 ，各变速组的传动顺序，传动副数 和各变速组的级比指数 ，其一般表达式为 2.3 主传动系设计主传动系设计1X0P01PX 2X102PPX icbaXiXcXbXaPPPPZ)()()()(ZiPiX42v 主变速传动系设计的一般原则 （1）传动副前多后少原则）传动副前多后少原则 主变速传动系从电动机到主轴，通常为降速传动，接近电动机的传动件转速较高，传递的转矩较小，尺寸小一些；反之，靠近主轴的传动件转速较低，

22、传递的转矩较大，尺寸就较大。 （2）传动顺序与扩大顺序相一致的原则）传动顺序与扩大顺序相一致的原则 在设计主变速传动系时，尽可能做到变速组的传动顺序与扩大顺序相一致。数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计43 （3）转速图中传动比的分配）转速图中传动比的分配 依据上述主变速传动系设计原则设计出的转速图，可有多种方案，根据实际需要进行传动比的分配后，就可以确定出所需要的一种转速图。 数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计44v 具有多速电动机的主变速传动系设计 采用多速异步电动机和其他方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便，并可以在运转中变速，适用于半自动、自动机床及普通机床。

23、机床上常用双速或三速电动机，其同步转速为 （750/1500）r/min、 （1500/3000）r/min、 （750/1500/3000）r/min， 电动机的变速范围为24级比为2。 2.3 主传动系设计主传动系设计45v 具有交换齿轮的变速传动系 对于成批生产用的机床，加工中一般不需要变速或仅在较小范围内变速；但换一批工件加工，有可能需要变换成别的转速或在一定的转速范围内进行加工。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其他变速方式组合应用。 （1）采用公比齿轮的变速传动系）采用公比齿轮的变速传动系 在变速传动系中，即是前一变速组的从动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，称为公用

24、齿轮数据管理 2.3 主传动系设计主传动系设计46 （2）扩大传动系变速范围）扩大传动系变速范围 主变速传动系最后一个扩大组的变速范围为 设主变速传动总变速级数为 ，通常最后扩大组的变速级数 ，则最后扩大组的变速范围为 。 由于极限传动比限制，某些变速范围不能满足通用机床的要求。 一些通用性较高的车床和镗床的变速范围一般在140200之间，甚至超过200。可用下述方法来扩大变速范围：增加变速组；采用背轮机构；采用双公比传动；分支传动。 2.3 主传动系设计主传动系设计jjPPPPPjR1210Z2jP2/ zjR47v 齿轮齿数的确定 （1）确定齿轮齿数的方法）确定齿轮齿数的方法 从下列条件中

25、选区较大值： （a）、最小齿轮的齿数要尽可能小。要注意最小齿轮不产生根切现象以及主传动具有较好的运动平稳性。 （b）、受齿轮结构限制的最小齿数的各齿轮，尤其是最小齿轮，应能可靠地安装在轴上或进行套装。 （c）、两轴间最小中心距应取得适当。 2.3 主传动系设计主传动系设计48 （2）查表法确定变速组齿轮齿数）查表法确定变速组齿轮齿数 按照常用的传动比的适用齿数表查出齿轮齿数。 2.3 主传动系设计主传动系设计49v 计算转速 （1）机床的功率转矩特性）机床的功率转矩特性 不同类型机床主轴计算转速的选取是不同的，对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围很宽，计算转速可取的高些。对于精密机床、滚齿

26、机，由于应用范围较窄，调速范围小，计算转速可取的低一些。 （2）变速传动系中传动件计算转速的确定）变速传动系中传动件计算转速的确定 变速传动系中的传动件包括轴和齿轮，它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。 2.3 主传动系设计主传动系设计50 无级变速主传动系无级变速主传动系v 无级变速装置的分类 无级变速是是指在一定范围内转速（或速度）能连续地变换的特点，从而获取最有利的切削速度。 机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。 2.3 主传动系设计主传动系设计51 （1）变速电机）变速电机 机床上常用的变速电动机有直流复激电动机和交流变频

27、电动机，在额定转速以上为恒功率变速通常调速范围仅23；额定转速以下为恒转矩变速调速范围很大，可达30甚至更大。 2.3 主传动系设计主传动系设计52 （2）机械无级变速装置）机械无级变速装置 机械无级变速装置有Koop型、行星锥轮型、分离锥轮钢环型、宽带型等多种结构，他们都是利用摩擦力来传递转矩，通过连续的地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。 2.3 主传动系设计主传动系设计 53 （3）液压无级变速装置）液压无级变速装置 液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液压油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较大，变速方便，传动平稳，运动换向时冲击小，易于实现直线运动和自动化。

28、2.3 主传动系设计主传动系设计 54v 无级变速主传动系设计原则 （1）尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置。 （2）无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调速范围，往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。 2.3 主传动系设计主传动系设计55 概述概述v 进给传动系统的特点 2.4 进给传动系设计进给传动系设计进给运动的速度比较低，进给力也比较小，所需功率也小。 进给运动数目较多，如卧式镗床。 进给运动为恒扭矩传动，进给传动系统的负荷与主传动不一样。56v 进给传

29、动系统的计算转速 （1）具有快速运动的进给系统。传动件的计算转速是取最大快速运动时的转速。 （2）大型机床。传动件的计算转速是取最大进给速度时的转速。 （3）中型机床。进给运动系统传动件的计算转速取最大切削抗力下工作时所有的最大进给速度，一般为机床最大进给速度的1/2，1/3。 2.4 进给传动系设计进给传动系设计57v 进给传动系统的组成 进给传动系统包括：运动源、变速系统、换向机构、运动分配机构、安全机构、直线运动机构和手动操作机构等。 进给运动与主运动共用运动源时，进给运动一般以主轴为始端进给量表示为mm/r。如车床，钻床，镗床。 进给运动有单独的运动源时，进给运动则以电动机为始端。进给

30、量表示为mm/min，如铣床。 2.4 进给传动系设计进给传动系设计58 机械进给传动系统的设计特点机械进给传动系统的设计特点v 进给系统设计中必须要注意的基本要求 （1）保证实现规定的进给量 （2）能传递要求的扭矩 （3）有足够的静刚度和动刚度 （4）保证要求的进给传动精度 （5）低速、微量进给系统要保证运动的平稳性和灵敏度 （6）结构紧凑、便于操纵，容易维护，加工及装配工艺性好 2.4 进给传动系设计进给传动系设计59v 进给运动传动变速机构的类型 （1）机械传动机构 机械传动机构包括直线运动机构和变速机构。变速机构可分为滑移齿轮、交换齿轮和棘轮机构等 （2）液压传动装置 液压传动工作平稳

31、，在工作过程中能无极变速，便于实现自动化，能很方便地实现频繁往复运动 （3）步进传动装置 伺服系统的驱动可采用功率步进电机、电液步进电机等。 2.4 进给传动系设计进给传动系设计60v 进给运动传动系统的设计原则 等差数进给传动，设计时以满足工艺需求为目的 随机数列进给传动系统，如齿轮加工机床的分齿运动链等，采用交换齿轮机构。 等比数列进给传动的设计原则为根据运动的特点与基本要求，结合主传动系统设计的方法，按转速图的拟定进行。 2.4 进给传动系设计进给传动系设计61 电气伺服进给系统电气伺服进给系统v 电气伺服进给系统的分类 电气伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，其作用是接受来自数控装置发出的进给信号，经变换和放大驱动工作台按规定的速度和距离移动。 电气伺服进给系统按有误检测和反馈装置分为开环、闭环和半闭环系统。 2.4 进给传动系设计进给传动系设计62v 电气伺服进给系统驱动部件 电气伺服进给系统由伺服驱动部件和机械传动部件组成。 伺服驱动部件如步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等； 机械传动部件如齿轮、滚珠丝