第一章金属切削机床的总体设计

1、第一章第一章 金属切削机床的金属切削机床的 总体设计总体设计 概述概述机床总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技机床总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技术性能和经济指标起着关键作用。术性能和经济指标起着关键作用。机床总体设计机床总体设计是根据是根据设计要求设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床的设计，通过调查研究，检索资料，掌握机床的设计依据依据；然后进行经济分析，拟定出性能先进，经济性好；然后进行经济分析，拟定出性能先进，经济性好的的工艺方案工艺方案，必要时画出加工示意图；并在此基础上确，必要时画出加工示意图；并在此基础上确定机床的定机床的总体布局总体布局，画出，画出机床联系尺寸图

2、机床联系尺寸图；确定所设计；确定所设计机床的机床的主要技术参数主要技术参数。金属切削机床的性能直接影响到零件的加工精度、生产效率和生产成本。因此机床应具有良好的良好的技术性能技术性能，满足使用要求使用要求；同时要造型美观，色彩协调，有良好的人机关系人机关系；在此基础上，机床应尽量经济实用，质优价廉质优价廉。其具体体现在如下几个方面： 第一节第一节 机床设计的基本要求机床设计的基本要求1工艺范围工艺范围指机床上完成的加工方法，适应的工件类型、可加指机床上完成的加工方法，适应的工件类型、可加工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等，主要反映工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等，主要反映机床的机床的

3、功能功能。根据工艺范围分为：根据工艺范围分为：通用通用机床、机床、专门专门化机床和化机床和专用专用机床三大类。机床三大类。机床的功能越多，适应的范围就越广，但结构越复机床的功能越多，适应的范围就越广，但结构越复杂。结构设计中，要考虑的因素越多，其技术难度越大。杂。结构设计中，要考虑的因素越多，其技术难度越大。数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更广。广。满足不同批量生产要求的机床，其设计的思路有所满足不同批量生产要求的机床，其设计的思路有所不同。不同。一性能指标一性能指标2精度精度 保证被加工零件达到的保证被加工零件达到的尺寸精度尺寸精度和和表

4、面粗糙度表面粗糙度要求，要求，并能在机床并能在机床长期使用中得以保持长期使用中得以保持。加工精度和表面粗糙度取决于机床、刀具、夹具、加工精度和表面粗糙度取决于机床、刀具、夹具、切削条件和操作者等方面的因素。切削条件和操作者等方面的因素。机床本身必须具备的精度称为机床精度。机床本身必须具备的精度称为机床精度。机床按精度分为：普通精度级、精密级（机床按精度分为：普通精度级、精密级（M）、高）、高精度级（精度级（G）。）。国家对各种类型机床的三种等级精度，规定了相关国家对各种类型机床的三种等级精度，规定了相关精度标准。若以普通精度级允许误差单位为精度标准。若以普通精度级允许误差单位为1，三种等级，三

5、种等级精度的比例大致为：精度的比例大致为：1：0.4：0.25。机床的精度指标包括：机床的精度指标包括：（1）几何精度）几何精度指最终影响指最终影响机床工作精度机床工作精度的主的主要零部件及其相互间要零部件及其相互间的尺寸精度、形状精度和位置精度。的尺寸精度、形状精度和位置精度。如主轴前端内孔的如主轴前端内孔的尺寸和形状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的尺寸和形状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的平行度和垂直度等。平行度和垂直度等。几何精度是机床在空载条件下，在静止或低速状态几何精度是机床在空载条件下，在静止或低速状态中测量。主要反映机床的中测量。主要反映机床的制造装配质量制造装配质量

6、是否达到设计时是否达到设计时制定的标准制定的标准是机床的基本指标，常用几何精度作为是机床的基本指标，常用几何精度作为制造机床的精度检验。制造机床的精度检验。（2）运动精度）运动精度指机床主要零部件在工作速度下，无负载运行时的指机床主要零部件在工作速度下，无负载运行时的精度。如主轴的回转精度，直线运动的均匀性等。与零精度。如主轴的回转精度，直线运动的均匀性等。与零部件的设计、制造和装配质量有关。部件的设计、制造和装配质量有关。（3）传动精度）传动精度指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性。反映了传动链设计合理性，制造和装配质量。性。反映了传动链设计

7、合理性，制造和装配质量。（4）定位精度）定位精度指机床执行件到达位置的准确程度。直接影响了指机床执行件到达位置的准确程度。直接影响了加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动精度、刚度，控制系统的动态特性和测量系统的精度精度、刚度，控制系统的动态特性和测量系统的精度有关。有关。（5）重复定位精度）重复定位精度指机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复指机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复定位时，位置的一致程度。定位时，位置的一致程度。 （6）工作精度）工作精度(动态精度动态精度)对规定的试件，用规定的条件加工所达到的精度。对规定的试件，

8、用规定的条件加工所达到的精度。是机床精度的综合反映，包括机床的是机床精度的综合反映，包括机床的刚度、抗振性刚度、抗振性及热稳定性及热稳定性等。等。 指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能力。力。在载荷的作用下，刀具与工件的相对位置发生改变，在载荷的作用下，刀具与工件的相对位置发生改变，影响加工精度。机床的影响加工精度。机床的静刚度是动刚度的基础静刚度是动刚度的基础。 影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部的薄弱环部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部

9、的薄弱环节对整机的刚度影响极大。节对整机的刚度影响极大。 刚度刚度抗振能力抗振能力 指抵抗受迫振动和自激振动的能力。指抵抗受迫振动和自激振动的能力。 振动影响加工质量、降低刀具耐用度，生产率振动影响加工质量、降低刀具耐用度，生产率降低，加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的降低，加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的措施如下：措施如下：n提高机床的刚度；提高机床的刚度；n提高固有频率；提高固有频率；n改善阻尼性能；改善阻尼性能；n改善运动件的动平衡状况。改善运动件的动平衡状况。噪声噪声 金属切削机床噪声测量标准规定：金属切削机床噪声测量标准规定：普通精度机床噪声不大于普通精度机床噪声不大于85

10、dB（A）；）；精密机床噪声不大于精密机床噪声不大于75dB（A）。）。 机床的噪声来源主要有：机械噪声、液压气动噪声、机床的噪声来源主要有：机械噪声、液压气动噪声、电磁噪声和空气动力噪声。电磁噪声和空气动力噪声。 热变形热变形由于外部热源、内部热源的影响，使机床发生变由于外部热源、内部热源的影响，使机床发生变化，加以各种材料的热膨胀系数不同，变形各异，导化，加以各种材料的热膨胀系数不同，变形各异，导致机床变形，破坏机床的几何精度，加速运动件磨损。致机床变形，破坏机床的几何精度，加速运动件磨损。热变形不仅影响加工精度，也改变了相对运动副热变形不仅影响加工精度，也改变了相对运动副的间隙、润滑状态

11、。的间隙、润滑状态。（7）精度保持性）精度保持性指机床的工作中长期保持其原始精指机床的工作中长期保持其原始精度的能力。度的能力。一般以机床关键零部件（如主轴、一般以机床关键零部件（如主轴、导轨等）的首次大修期所决定。导轨等）的首次大修期所决定。主要取决于机床关键零部件的耐磨主要取决于机床关键零部件的耐磨性、内应力引起的永久变形程度和机床性、内应力引起的永久变形程度和机床使用的保养。使用的保养。小结：小结：1、几何精度、运动精度都是在空载下测得的，只、几何精度、运动精度都是在空载下测得的，只在一定程度上反映了机床的加工精度在一定程度上反映了机床的加工精度2、动态精度才能全面反映机床的加工精度。一

12、般、动态精度才能全面反映机床的加工精度。一般制造厂主要是通过加工出来的零件精度来对机床的动制造厂主要是通过加工出来的零件精度来对机床的动态精度做出评价。态精度做出评价。3机床的生产率机床的生产率 指机床在单位时间内所能加工的零件数量。即：指机床在单位时间内所能加工的零件数量。即： nttttQ/11321式中式中 t单个零件的平均加工时间；单个零件的平均加工时间； t1单个工件的切削加工时间；单个工件的切削加工时间； t2单个工件加工过程的辅助时间；单个工件加工过程的辅助时间； t3加工一批零件的准备和终结时间；加工一批零件的准备和终结时间； n一批零件的数量。一批零件的数量。对于机床方面，影

13、响生产率的有机床的布局、刚度、对于机床方面，影响生产率的有机床的布局、刚度、功率、运动参数和自动化程度等。功率、运动参数和自动化程度等。 4. 4. 传动效率传动效率用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可用下式表示：用下式表示： =P/Pm（PmP0）/ Pm =1P0/ Pm式中式中 机床传动效率；机床传动效率； P P机床输出功率；机床输出功率； P Pm m电动机输出功率；电动机输出功率； P P0 0机床空载功率。机床空载功率。对于普通机床，主轴最高转速时的机床空载功率不对于普通机床，主轴最高转速时的机床空载功率不应超过主电动机功率的三

14、分之一。应超过主电动机功率的三分之一。 机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。 5人机关系人机关系造型与色彩；造型与色彩；操作省力、方便、安全；操作省力、方便、安全；保养、维护容易。保养、维护容易。6.6.可靠性可靠性7.7.标准化标准化8.8.噪音噪音 9成本低成本低机床的成本由以下部分构成：机床的成本由以下部分构成：n设备的购买成本；设备的购买成本；n使用中的安装、动力消耗、操作、维修等成本；使用中的安装、动力消耗、操作、维修等成本；n报废成本。报废成本。 在设计时，应

15、使机床的金属消耗量小，结构工艺性在设计时，应使机床的金属消耗量小，结构工艺性好。机床的金属消耗量好。机床的金属消耗量M的指标为：的指标为： M=G/N式中式中 G机床重量；机床重量； N机床主传动功率。机床主传动功率。机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。 总体设计、技术设计、零件设计、样机试制、实验鉴定n一、总体设计n1、设计依据n2、工艺分析n3、总体布局n4、确定主要的技术参数 第二节第二节 机床设计步骤机床设计步骤 n1、设计依据：n分析工件n了解机床的使用要求n制造条件n新技术应用成果n类似机床n国际、国内技术水平n2、工艺分析3

16、 3、 机床总体布局机床总体布局 u定义：定义：不同类型的的机床，总体方案设计的不同类型的的机床，总体方案设计的侧重点有所不同。侧重点有所不同。对于专用机床，侧重于工件分析和工对于专用机床，侧重于工件分析和工艺分析；艺分析；对于通用机床，侧重于同类型机床的对于通用机床，侧重于同类型机床的调查、分析、改型和科技成果的应用，以调查、分析、改型和科技成果的应用，以及机床品种的系列化、零部件的通用化和及机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。标准化。u基本要求：基本要求：u一般步骤一般步骤4、确定主要技术参数n尺寸参数n运动参数n动力参数n二、技术设计n三、零件设计与资料编写n四、样机试制和鉴定u

17、几何运动设计几何运动设计 u 总体结构方案设计总体结构方案设计 u型谱制定型谱制定 第三节第三节 机床的总体布局机床的总体布局 一、型谱制定一、型谱制定 我国对金属切削机床分为我国对金属切削机床分为1111大类，每类机床又分别大类，每类机床又分别分为分为1010组、组、 每组分为每组分为1010系。系。 首先对用途最广、需求量最大的某类组机床，将其首先对用途最广、需求量最大的某类组机床，将其主参数规格化，作为该类组机床的主参数规格化，作为该类组机床的“基形系列基形系列”。在此基础上，根据各类用户的需要，派生出若干变在此基础上，根据各类用户的需要，派生出若干变形系列，形成形系列，形成“变形系列变

18、形系列”，并将各种机床精度等级化。，并将各种机床精度等级化。型谱制定即完成某类种机床的型谱制定即完成某类种机床的“基形系列基形系列”、“变变形系列形系列”及其精度等级化的工作。及其精度等级化的工作。在系列型谱中的产品有一定的相似性。在系列型谱中的产品有一定的相似性。 一、型谱制定一、型谱制定 产品系列化的设计目的是：产品系列化的设计目的是：1科学地规划产品的种类与规格，最大范围经济地科学地规划产品的种类与规格，最大范围经济地满足社会需求；满足社会需求；2基型和变型的大部分零部件可通用化，不同规格基型和变型的大部分零部件可通用化，不同规格产品的同类零部件相似，便于组织设计和生产、缩短制产品的同类

19、零部件相似，便于组织设计和生产、缩短制造周期；造周期；3易于提高可靠性，方便维修和配件供应，降低制易于提高可靠性，方便维修和配件供应，降低制造和使用成本。造和使用成本。国家对各类通用机床的主参数已有国家标准。国家对各类通用机床的主参数已有国家标准。 二、几何运动设计二、几何运动设计 1几何表面的形成几何表面的形成1）组成零件结构的基本形状表面组成零件结构的基本形状表面基本形状表面有：基本形状表面有：平面、圆柱面、平面、圆柱面、圆锥面、各种成形面圆锥面、各种成形面（螺旋面、渐开线表（螺旋面、渐开线表面、回转曲面等）。面、回转曲面等）。 二、几何运动设计二、几何运动设计 2 2）成形表面的发生线）

20、成形表面的发生线 任何一种线性表面，由一根母线沿着导线运动而形成。任何一种线性表面，由一根母线沿着导线运动而形成。平面：由一直线（平面：由一直线（母线）沿着另一根直线母线）沿着另一根直线（导线）运动形成。（导线）运动形成。圆柱、圆锥面：是圆柱、圆锥面：是由一根直线（母线）沿由一根直线（母线）沿着一个圆（导线）运动着一个圆（导线）运动形成；形成；普通螺纹的螺旋面普通螺纹的螺旋面：由：由“V“形线（母线）形线（母线）沿螺旋线（导线）运动沿螺旋线（导线）运动形成；形成；直齿圆柱齿轮的渐直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面：渐开线开线齿廓表面：渐开线（母线）沿直线（导线（母线）沿直线（导线）运动形成。）运动形

21、成。 二、几何运动设计二、几何运动设计 1几何表面的形成几何表面的形成2 2）成形表面的发生线）成形表面的发生线 形成表面的母线和导线统称为发生线。形成表面的母线和导线统称为发生线。形成表面的母线形成表面的母线和导线可以互换的表和导线可以互换的表面，称为可逆表面。面，称为可逆表面。母线和导线不可母线和导线不可互换表面称为不可逆互换表面称为不可逆表面。表面。一般说来，可逆一般说来，可逆表面可采用的加工方表面可采用的加工方法多于不可逆表面。法多于不可逆表面。 二、几何运动设计二、几何运动设计 2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动1 1）轨迹法）轨迹法理论上将切削刃与工件视为点接触，切

22、削刃沿着发理论上将切削刃与工件视为点接触，切削刃沿着发生线作轨迹运动。生线作轨迹运动。采用轨迹法形成一条发生线，需要一个独立的运动采用轨迹法形成一条发生线，需要一个独立的运动。 二、几何运动设计二、几何运动设计 2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动2 2）成形法）成形法 切削刃为与发生线完全吻合的切削线。切削刃为与发生线完全吻合的切削线。 不需任何运动，可获得所需发生线。不需任何运动，可获得所需发生线。发生线的形状完全取决于切削刃的形状。发生线的形状完全取决于切削刃的形状。 二、几何运动设计二、几何运动设计 2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动3 3）相切法）相切法

23、 刀具作旋转运动，刀具运动轨迹的包络线形成发生线。刀具作旋转运动，刀具运动轨迹的包络线形成发生线。形成一条发生线需要两个独立运动。形成一条发生线需要两个独立运动。两两个运动之间没有内在的运动联系。个运动之间没有内在的运动联系。 注意：刀注意：刀具回转中具回转中心的运动心的运动轨迹与发轨迹与发生线（生线（A2A2）一般不）一般不相同。相同。 二、几何运动设计二、几何运动设计 2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动4 4）范成法（又称展成法）范成法（又称展成法） 切削刃是发生线共轭的切削线，刀具与工件作相对运切削刃是发生线共轭的切削线，刀具与工件作相对运动时所形成的包络线，即所需的发生

24、线。动时所形成的包络线，即所需的发生线。范 成 法范 成 法需要需要2 2个运动个运动，两个运动，两个运动之间必须保之间必须保持严格运动持严格运动关系，不能关系，不能独立，共同独立，共同组成一个复组成一个复合的运动。合的运动。 二、几何运动设计二、几何运动设计 3 3机床运动的分类机床运动的分类1 1）表面成形运动）表面成形运动 直接形成被加工零件表面的运动，称之为表面成形直接形成被加工零件表面的运动，称之为表面成形运动（简称成形运动）。运动（简称成形运动）。（1 1）主运动）主运动 切除工件上的被切削层，使之转变为切屑的主要运动。切除工件上的被切削层，使之转变为切屑的主要运动。主运动的转速高

25、，消耗的功率大。主运动的转速高，消耗的功率大。运动形式有：运动形式有：（1）旋转运动。单位：）旋转运动。单位：r/min。如车床主轴、磨床的砂。如车床主轴、磨床的砂轮主轴、钻床和镗主轴；轮主轴、钻床和镗主轴；（2）往复直线运动。单位：往复行程次数）往复直线运动。单位：往复行程次数/min。如牛。如牛头刨床的滑枕、龙门刨床的工作台。头刨床的滑枕、龙门刨床的工作台。 二、几何运动设计二、几何运动设计 （2 2）进给运动）进给运动 不断把被切削层投入切削，逐渐切出整个工件表面运不断把被切削层投入切削，逐渐切出整个工件表面运动。进给运动的速度较低，消耗的功率也较小。动。进给运动的速度较低，消耗的功率也

26、较小。 运动形式有：运动形式有：直线进给运动直线进给运动A连续进给运动。单位：连续进给运动。单位：mm/min(铣床、钻床铣床、钻床)； mm/r（车床）。（车床）。B间歇进给运动。单位：间歇进给运动。单位：mm/往复一次往复一次(刨床、插床刨床、插床, 纵磨削外圆时的砂轮架进给纵磨削外圆时的砂轮架进给)C往复进给运动。单位：往复进给运动。单位：mm/min(磨床工作台）。磨床工作台）。圆周进给运动圆周进给运动。单位：。单位：mm/min（外圆磨削工件（外圆磨削工件 旋转、插齿加工的圆周进给）。旋转、插齿加工的圆周进给）。 二、几何运动设计二、几何运动设计 如车外圆，也可以刀具如车外圆，也可以

27、刀具不动，工件作旋转、直线运不动，工件作旋转、直线运动；或刀具作旋转运动，工动；或刀具作旋转运动，工件作直线运动；或工件不动件作直线运动；或工件不动，刀具作旋转和直线运动。，刀具作旋转和直线运动。任何一种机床，必定有主运动，进给运动可能有一个或任何一种机床，必定有主运动，进给运动可能有一个或几个，也可能没有。如拉床只有主运动。几个，也可能没有。如拉床只有主运动。 相同的成形表面，表面成形运动在刀具和工件之间的分相同的成形表面，表面成形运动在刀具和工件之间的分配可不相同配可不相同 。 二、几何运动设计二、几何运动设计 3 3机床运动的分类机床运动的分类3 3）辅助运动）辅助运动 （1 1） 切入

28、运动切入运动刀具切入工件一定深度，以保证工件达到要求的尺刀具切入工件一定深度，以保证工件达到要求的尺寸。寸。（2 2）分度运动）分度运动如：铣齿轮的分度；多工位工作台、刀架转位或移如：铣齿轮的分度；多工位工作台、刀架转位或移位。位。（3 3）调位运动）调位运动加工开始前调整机床有关部件位置，保证刀具和工加工开始前调整机床有关部件位置，保证刀具和工件之间的正确相对位置。加工开始前调整机床有关部件件之间的正确相对位置。加工开始前调整机床有关部件的位置，保证刀具和工件之间的正确相对位置。的位置，保证刀具和工件之间的正确相对位置。 二、几何运动设计二、几何运动设计 3 3机床运动的分类机床运动的分类2

29、 2）辅助运动）辅助运动 （4 4） 其它各种空行程运动其它各种空行程运动如切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动；如切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动；开车、开车、 停车、变速、变向等控制运动；停车、变速、变向等控制运动；装卸、夹紧、松开工件的运动等。装卸、夹紧、松开工件的运动等。辅助运动虽然并不参与表面成形过程，但对机床整辅助运动虽然并不参与表面成形过程，但对机床整个加工过程却是不可缺少的，同时对机床的生产率和加个加工过程却是不可缺少的，同时对机床的生产率和加工精度往往也有重大影响。工精度往往也有重大影响。 二、几何运动设计二、几何运动设计 3 3机床运动的分类机床运动的分类4 4）运

30、动的性质）运动的性质 （1 1）简单成形运动（简称简单运动）简单成形运动（简称简单运动） 指一个独立的成形运动，是由单个的旋转运动或直指一个独立的成形运动，是由单个的旋转运动或直线运动构成。线运动构成。 用尖头刀车削圆柱用尖头刀车削圆柱表面，需要表面，需要B1、A2两个两个简单运动；简单运动； 磨削外圆，砂轮磨削外圆，砂轮和工件的旋转运动和工件的旋转运动B1、B2，工件的直线运，工件的直线运动动A3为为3个简单运动。个简单运动。 简单运动采用外简单运动采用外联系传动链。联系传动链。 二、几何运动设计二、几何运动设计 3 3机床运动的分类机床运动的分类4 4）运动的性质）运动的性质 （2 2）复

31、合成形运动（简称复合运动）复合成形运动（简称复合运动） 车削螺纹。需要车削螺纹。需要工件的等速旋转工件的等速旋转B11和和刀具的等速直线运动刀具的等速直线运动A12按一定的速比关系按一定的速比关系形成。即工件转形成。即工件转1转，转，刀具对应移动的距离刀具对应移动的距离为螺纹的导程。为螺纹的导程。B11和和A12运动单元组成复合运动单元组成复合运动。运动。指一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转指一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成。运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成。 二、几何运动设计二、几何运动设计 4运动分配运动分配

32、 （1）一般把运动分配给重量小的）一般把运动分配给重量小的执行件。执行件。 取决于工件、刀具的重量、尺寸、取决于工件、刀具的重量、尺寸、工艺方法的特点等。工艺方法的特点等。 二、几何运动设计二、几何运动设计 1、运动分配运动分配 相同的运动方式，有不同的运动分配方案。如车相同的运动方式，有不同的运动分配方案。如车外圆，通常为工件作旋转运动，刀具作直线运动。外圆，通常为工件作旋转运动，刀具作直线运动。但还可以有刀具作旋转运动，工件作直线运动的方但还可以有刀具作旋转运动，工件作直线运动的方案；或刀具作旋转运动又作直线运动的方案。考虑案；或刀具作旋转运动又作直线运动的方案。考虑的主要因素：的主要因素

33、：（1）简化机床的传动和结构）简化机床的传动和结构例例1：毛坯为棒料的自动车床，工件作旋转主运动；：毛坯为棒料的自动车床，工件作旋转主运动； 毛坯为卷料的自动车床，车刀旋转为主运动。毛坯为卷料的自动车床，车刀旋转为主运动。大型管螺纹加车工，也采取套车的方法。大型管螺纹加车工，也采取套车的方法。例例2：对于加工特大型工件的龙门式机床，工件：对于加工特大型工件的龙门式机床，工件 固定，由龙门架完成进给运动。固定，由龙门架完成进给运动。 二、几何运动设计二、几何运动设计 （2）有利于提高加工精度）有利于提高加工精度对于一般钻孔加工，主运动和进给运动均由刀具完对于一般钻孔加工，主运动和进给运动均由刀具

34、完成。钻深孔时，为了提高加工孔的位置精度，由工件作成。钻深孔时，为了提高加工孔的位置精度，由工件作旋转主运动。旋转主运动。 二、几何运动设计二、几何运动设计 （3）缩小占地面积）缩小占地面积 中小型外圆磨床，因工件长度较小，为简化机床结中小型外圆磨床，因工件长度较小，为简化机床结构，多由工件作往复进给运动；而大型外圆磨床为了缩构，多由工件作往复进给运动；而大型外圆磨床为了缩小占地面积，多采用砂轮架作给向往复进给运动。小占地面积，多采用砂轮架作给向往复进给运动。（4）视工件形状定）视工件形状定例如：箱体上的孔例如：箱体上的孔刀旋转刀旋转镗。镗。 回转件的孔回转件的孔车车 二、几何运动设计二、几何

35、运动设计 （5）保证机床刚度）保证机床刚度 立式铣削加工，为了减小机床的重量和体积，一般立式铣削加工，为了减小机床的重量和体积，一般中小型中小型 铣床，为工作台升降进给运动，但刚度不好；数铣床，为工作台升降进给运动，但刚度不好；数控铣床、立式加工中心和大型立式铣床，采取床身固定，控铣床、立式加工中心和大型立式铣床，采取床身固定，改由刀具作垂直进给运动。改由刀具作垂直进给运动。 二、几何运动设计二、几何运动设计 5传动形式和支撑方式传动形式和支撑方式1）传动形式）传动形式机床传动原理图确定了各传动链的基本传动方案。机床传动原理图确定了各传动链的基本传动方案。数控机床可以不设计传动原理图。数控机床

36、可以不设计传动原理图。 二、几何运动设计二、几何运动设计 新型并联运动机床新型并联运动机床（1）并联原理）并联原理两个并行运动的直线移动副两个并行运动的直线移动副1、2，可替代图，可替代图b）的串）的串联运动副联运动副1、2。直线移动副直线移动副1、2只受拉或压力，而串联运动副只受拉或压力，而串联运动副1受受扭矩、扭矩、2受拉压和弯矩。受拉压和弯矩。用直线移动副用直线移动副1、2，模拟串联运动副，模拟串联运动副1、2的直线的直线移动和转动，故称为并联运动，又称为虚拟轴运动。移动和转动，故称为并联运动，又称为虚拟轴运动。 二、几何运动设计二、几何运动设计 4运动功能方案设计运动功能方案设计5）

37、新型并联运动原理新型并联运动原理（2）并联运动机床的特点）并联运动机床的特点 n构件只受拉或压力作用，其结构体积小，运动部件构件只受拉或压力作用，其结构体积小，运动部件质量小；质量小；n整机多为封闭结构，刚度高；整机多为封闭结构，刚度高；n运动速度快，精度高，机床结构简单；运动速度快，精度高，机床结构简单；n算法复杂，对控制系统要求高。算法复杂，对控制系统要求高。 图图7-7c、d）分别为）分别为3运动并联和运动并联和6运动并联原理的示运动并联原理的示意图。意图。 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案- -支撑形式支撑形式 1 1）典型的布局方式）典型的布局方式

38、（1）一字形（）一字形（“”形）结构：基础支承件为床身、形）结构：基础支承件为床身、或床身底座的组合。即卧式机床；或床身底座的组合。即卧式机床；（2）柱形（）柱形（“|”形）结构：主要支承件件为床身与形）结构：主要支承件件为床身与立柱、或底座与立柱组合。即立式机床；立柱、或底座与立柱组合。即立式机床； 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案 1 1）典型的布局方式）典型的布局方式（3）倒）倒T形（形（“”形形）结构：主要支承件为床身结构：主要支承件为床身与立柱的组合，为复合式机床或组合机床；与立柱的组合，为复合式机床或组合机床；（4）槽形（）槽形（“ ”形）结构：

39、支承件为床身（或底形）结构：支承件为床身（或底座）、立柱、横臂组合，为单臂式机床；座）、立柱、横臂组合，为单臂式机床； 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案 1 1）典型的布局方式）典型的布局方式（5）框形（）框形（“”形）结构：支承件由床身、横梁形）结构：支承件由床身、横梁和双立柱组合，形成封闭的框形结构，为龙门式机床。和双立柱组合，形成封闭的框形结构，为龙门式机床。2)操作件布置3)提高动刚度的措施4)造型设计 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案 5 5）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （1）工件的特

40、征要求）工件的特征要求工件的形状、尺寸和重量对机床的工件的形状、尺寸和重量对机床的总体布局有重要影响。例如在车床中：总体布局有重要影响。例如在车床中：n中小型车床采取卧式布局；中小型车床采取卧式布局；n直径较大但重量不大的盘形或环形工件，采用落地直径较大但重量不大的盘形或环形工件，采用落地式布局；式布局；n重量较重的盘类或短套类工件，采用立式车床布局。重量较重的盘类或短套类工件，采用立式车床布局。其中工件直径其中工件直径D1600mm的车床为单立柱布局；工件直的车床为单立柱布局；工件直径径D2000mm的车床为双立柱布局。的车床为双立柱布局。立式车床占地面积小，但不适用于轴向尺寸较大的立式车床

41、占地面积小，但不适用于轴向尺寸较大的工件加工，否则重心较高，容易振动，不便操作。工件加工，否则重心较高，容易振动，不便操作。 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案 5 5）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （2）机床性能要求）机床性能要求 为了提高加工精度，在总体布局上采取缩短传动链、为了提高加工精度，在总体布局上采取缩短传动链、改善受力状况、提高刚度、减少振动和热变形的影响。改善受力状况、提高刚度、减少振动和热变形的影响。如丝杠车床，取消进给箱，用挂轮调整车螺纹进给如丝杠车床，取消进给箱，用挂轮调整车螺纹进给传动要求，丝杠处于两导轨之间，

42、减少传动的扭矩；传动要求，丝杠处于两导轨之间，减少传动的扭矩；为了提高刚度，数控车床采取倾斜床身的布局；为了提高刚度，数控车床采取倾斜床身的布局；龙门刨床、龙门铣床和坐标镗床采取封闭的框架结龙门刨床、龙门铣床和坐标镗床采取封闭的框架结构；构；为了减少对主轴回转精度的影响，精密车床主运动为了减少对主轴回转精度的影响，精密车床主运动采取分离式传动结构。采取分离式传动结构。 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案 5 5）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （3）生产批量的要求）生产批量的要求 单件小批生产采用单刀加工；单件小批生产采用单刀加工；对于

43、成批生产的车床，用转塔刀架或多刀半自动结对于成批生产的车床，用转塔刀架或多刀半自动结构；构；大批量生产的车床，采用多主轴自动机床的布局。大批量生产的车床，采用多主轴自动机床的布局。 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 1结构布局方案结构布局方案 5 5）影响机床总体布局的主要因素）影响机床总体布局的主要因素 （4）宜人性要求）宜人性要求 普通车床卧式布局，便于操作和观察；普通车床卧式布局，便于操作和观察；钻床为立式布局，也是为了便于操作和观察；钻床为立式布局，也是为了便于操作和观察；数控车床为倾斜床身布局，既方便操作，也便于排数控车床为倾斜床身布局，既方便操作，也便于排屑；屑；大型或重型

44、机床采用落地式布局或将基础件落入到大型或重型机床采用落地式布局或将基础件落入到地坑中，便于装卸工件和操作。地坑中，便于装卸工件和操作。 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 2总体结构草图设计总体结构草图设计 总体结构草图又称总体结构草图又称机床的联系尺寸图机床的联系尺寸图。表示了机床。表示了机床的基本布局方案、主要部件的轮廓尺寸、部件间的相互的基本布局方案、主要部件的轮廓尺寸、部件间的相互位置和运动行程等。设计过程如下：位置和运动行程等。设计过程如下： （1）根据主参数确定各执行件的外轮廓尺寸及相对）根据主参数确定各执行件的外轮廓尺寸及相对初始位置，要注意装卸工件高度对其影响；初始位置，

45、要注意装卸工件高度对其影响；（2）确定各执行件的运动空间（或行程）；）确定各执行件的运动空间（或行程）；（3）确定与执行件相连接部分的轮廓尺寸。如按导）确定与执行件相连接部分的轮廓尺寸。如按导向精度和刚度要求确定导轨的截面形状与轮廓尺寸；向精度和刚度要求确定导轨的截面形状与轮廓尺寸；（4） 初步确定与执行件相关的支承件轮廓尺寸；初步确定与执行件相关的支承件轮廓尺寸； 三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计 2总体结构草图设计总体结构草图设计 （5）确定其它支承件的轮廓尺寸。注意传动装置、）确定其它支承件的轮廓尺寸。注意传动装置、电气系统、液压气动系统、冷却润滑、排屑、防护罩、电气系统、液压气

46、动系统、冷却润滑、排屑、防护罩、操作、维护、搬运等的影响；操作、维护、搬运等的影响；（6）进行目标评价及修改。如结构模块化、造型比）进行目标评价及修改。如结构模块化、造型比例、总体刚度和精度、标准化程度等。并进行初步的色例、总体刚度和精度、标准化程度等。并进行初步的色彩设计；彩设计；（7）完成联系尺寸图设计，划分部件及编号；）完成联系尺寸图设计，划分部件及编号；（8）进行总体结构方案的综合评价说明。）进行总体结构方案的综合评价说明。 第四节第四节 主要技术参数设计主要技术参数设计 主参数（主要规格）：表示机床的加工范围主参数（主要规格）：表示机床的加工范围 系列化设计系列化设计机床的主参数已规

47、定在机床的主参数已规定在GB/T15375-1994GB/T15375-1994机床主要技术参数包括：机床主要技术参数包括：主参数主参数与基本参数与基本参数 基本参数：尺寸参数、运动参数、动力参数基本参数：尺寸参数、运动参数、动力参数 （一）主参数（一）主参数 通用机床按国家标准；通用机床按国家标准；专用机床以工件为参考。专用机床以工件为参考。 （二）基本参数（二）基本参数 1尺寸参数尺寸参数 指机床及主要零部件的主要尺寸和相对位置参数。指机床及主要零部件的主要尺寸和相对位置参数。（1）与被加工零件有关的尺寸）与被加工零件有关的尺寸如卧式车床刀架上最大加工直径；立式加工中心主如卧式车床刀架上最

48、大加工直径；立式加工中心主轴到工作台面的最大距离等。轴到工作台面的最大距离等。（2）标准化工具或夹具的安装尺寸）标准化工具或夹具的安装尺寸如卧式车床主轴莫氏锥孔和前端外轮廓尺寸，液压如卧式车床主轴莫氏锥孔和前端外轮廓尺寸，液压油缸在主轴上的安装尺寸；加工中心工作台的油缸在主轴上的安装尺寸；加工中心工作台的“T”形槽形槽数量与尺寸等。数量与尺寸等。 2. 运动参数运动参数机床执行件的速度机床执行件的速度 1 1）主运动参数）主运动参数当主运动为主轴转速时要确定：当主运动为主轴转速时要确定： nmax=1000vmax/dmin nmin=1000vmin/dmax Rn= nmax / nmin

49、式中式中 vmax、vmin 典型加工的切削速度典型加工的切削速度（m/min）。 由调查或统计资料确定；由调查或统计资料确定； dmax、dmin与与nmax、nmin对应的常用经济加工直对应的常用经济加工直径。径。（二）运动参数（二）运动参数 1 1）主运动参数）主运动参数通用机床常用的经济加工直径通用机床常用的经济加工直径dmax、dmin： dmax=KD dmin =Rd dmax式中式中 D机床能加工的最大直径机床能加工的最大直径（mm）； K系数。卧式车床：系数。卧式车床：K =0.50.6； 摇臂钻床：摇臂钻床：K=1.0； Rd计算直径范围。通常取：计算直径范围。通常取：Rd

50、 =0.20.25。（二）运动参数（二）运动参数 1 1主运动参数主运动参数例：确定例：确定400mm卧式车床主轴的最高、最低转速。卧式车床主轴的最高、最低转速。解：通用车床：解：通用车床：K =0.5 Rd =0.251最高转速最高转速通常用硬质合金刀具精车小直径钢材或有色金属。通常用硬质合金刀具精车小直径钢材或有色金属。（1）用碳化钛涂层硬质合金刀具精车小直径钢材）用碳化钛涂层硬质合金刀具精车小直径钢材 取取vmax =442 m/min dmax=KD=0.5400=200 mm dmin= Rd dmax=0.25200=50 mm nmax=1000vmax/dmin =100044

51、2/3.1450=2815 r/min（2）精车小直径有色金属）精车小直径有色金属 取取vmax =2000m/min nmax=1000vmax/dmin =10002000/3.1450=12739 r/min受三爪卡盘的转速限制，普通数控车床转速：受三爪卡盘的转速限制，普通数控车床转速： nmax=30004000 r/min。 2最低转速最低转速 用高速钢刀具粗车铸铁件或加工合金钢丝杠。用高速钢刀具粗车铸铁件或加工合金钢丝杠。（1）粗车铸铁件）粗车铸铁件 取取 vmin =15m/min nmin=1000vmin/dmax =100015/3.14200=24r/min（2） 加工合

52、金钢丝杠加工合金钢丝杠 400mm卧式车床加工丝杠的最大直径多为：卧式车床加工丝杠的最大直径多为： dmax=4050mm 取取 vmin =1.5m/min nmin=1000vmin/dmax =10001.5/3.1450=9.55r/min 然后根据变速系统可实现的变速范围、经济性等要然后根据变速系统可实现的变速范围、经济性等要求，总体平衡后确定其求，总体平衡后确定其nmax、nmin、Rn。最后求出主轴的。最后求出主轴的转速数列。转速数列。（二）运动参数（二）运动参数 2 2进给运动参数进给运动参数 依据加工表面粗糙度和加工效率的要求。依据加工表面粗糙度和加工效率的要求。 1）连续进

53、给的计量单位连续进给的计量单位（1）单刃刀具）单刃刀具每转进给量：每转进给量：fr（mm/r）每分钟进给速度：每分钟进给速度：F=nfr（mm/min）式中式中 n主轴转速主轴转速（r/min）。（2）多刃刀具）多刃刀具刀齿进给量：刀齿进给量：fz（mm/（zr）每转进给量：每转进给量：fr=zfz（mm/r）每分钟进给速度：每分钟进给速度：F =nfr= z nfz（mm/min）（二）运动参数（二）运动参数 2 2进给运动参数进给运动参数 （1）等比数列）等比数列（2）等差数列）等差数列（3）无级进给量）无级进给量2）最大最小进给量最大最小进给量考虑精细车和强力切削要求确定：考虑精细车和强

54、力切削要求确定： frmin、frmax；或fzmin、fzmax。并求出：并求出： Fmin、F max。 3.3.转速的合理排列转速的合理排列（三）动力参数（三）动力参数 1 1主运动电动机功率主运动电动机功率 P主= P切+ P空+ P附式中式中 P主主运动电动机功率主运动电动机功率（kW）； P切消耗于切削的功率，又称有效功率消耗于切削的功率，又称有效功率(kW)； P空空载功率（空载功率（kW）；）； P附因载荷增加的附加功率因载荷增加的附加功率（kW）。 （1）P切的计算的计算 P切=Fzv切/60000式中式中 Fz主切削力主切削力（N）； v切切削速度切削速度（m/min）。F

55、z、v切的确定：的确定： 专用机床依据特定工序；专用机床依据特定工序； 通用机床依据典型切削统计比较。通用机床依据典型切削统计比较。（三）动力参数（三）动力参数 1 1主运动电动机功率主运动电动机功率 P主= P切+ P空+ P附（2）P空的计算的计算指主运动空转时，传动件的摩擦、搅油、克服空气指主运动空转时，传动件的摩擦、搅油、克服空气阻力等消耗的功率。阻力等消耗的功率。与载荷无关，与传动件或轴承预紧程度、装配质量与载荷无关，与传动件或轴承预紧程度、装配质量有关，随传动件转速提高和传动件数量的增加而增大。有关，随传动件转速提高和传动件数量的增加而增大。 中型机床主传动链的空载功率估算公式：中型机床主传动链的空载功率估算公式： P空=Kd平均（ni+Cn主）/955000 其中： C= C1 d主/ d平均 式中式中 d平均所有传动轴轴颈的平均直径所有传动轴轴颈的平均直径（mm）； ni各传动轴的转速之和各传动轴的转速之和（r/min）； （三）动力参数（三）动力参数 1 1主运动电动机功率主运动电动机功率