机床总体设计

机械制造装备设计

机械制造装备设计2014.08.2011章金属切削机床的总体设计0绪论《机械制造装备设计》是机械设计制造及其自动化专业（机制方向）的一门重要的、涉及面宽、实践性很强的专业课程。课程教学的目的和任务是通过各教学环节使学生初步掌握机械制造装备设计的分析和计算方法，具有进行机械制造装备结构设计的基础知识和能力。学生在系统学完本课程后可以初步具备进行机械制造装备设计的能力。1本课程的性质、目的及任务2014.08.2021章金属切削机床的总体设计2课程教学的基本要求1.了解机械制造装备设计研究的对象和任务、机械制造装备设计的基本要求及设计机械制造装备的方法和步骤。2.理解总体方案设计的依据、工艺分析、机械制造装备总体布局、机械制造装备主要技术参数的确定。3.掌握金属切削机床设计的基本理论和知识，初步掌握主传动设计、了解进给传动设计。理解机床主要部件的设计，了解组合机床设计。4.掌握专用刀具的设计方法，并且具有一定的设计成形车刀、拉刀和和其它刀具的能力和分析生产中与刀具有关的技术问题的能力，5.掌握工件的装夹、专用夹具的设计方法，并且具有一定的设计钻床夹具、车床夹具、镗床夹具以及其它机床夹具的能力和分析生产中与夹具有关的技术问题的能力，从而提高学生的综合水平。2014.08.2031章金属切削机床的总体设计3教材和教学参考书教材：李庆余，孟广耀.机械制造装备设计（第2版）.机械工业出版社.2009.3参考书：戴曙.金属切削机床[M].北京：机械工业出版社.2005王启平.机床夹具设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988韩秋实.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，20052014.08.2041章金属切削机床的总体设计机床的基本要求机床的总布局机床设计的步骤第1章金属切削机床的总体设计机床主要技术参数的确定机床的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决定性作用。2014.08.2051章金属切削机床的总体设计包括：可加工零件的类型、材料和尺寸范围；机床可以完成的工序种类；1.1机床的基本要求1、工艺范围机床适应不同生产要求的能力。单件或小批量生产的通用机床，工艺范围广。数控机床的工艺范围比传统的通用机床更宽大。加工中心不但工艺范围宽，而且调整方便，加工精度又高，适用于小批生产自动化。专用机床和专门化机床多应用于大量和大批量生产。例如，组合机床，因其是为某一特定的工艺要求服务的，为了提高生产率，采用工序分散方法，一台机床只负担几道甚至一道工序的加工。因此，合理地缩小机床工艺范围以简化机床结构、提高效率，保证质量、降低成本，是设计这一类机床的基本原则。1.1.1机床应具有的性能指标不同的生产模式对机床的工艺范围的要求不同。2014.08.2061章金属切削机床的总体设计是指被加工零件表面的形状、相互位置和尺寸的准确度，表面的粗糙度。主要的影响因素是机床的精度和刚度。机床的精度1.1.1机床应具有的性能指标2、加工精度决定于机床主要部件的几何形状和相互位置。几何精度传动精度运动精度定位精度机床工作部件和零件运动的均匀性与协调性，对内联传动链有重要意义。机床在以工作速度运转时主要零部件的几何位置精度。机床主要部件在运动终点所达到实际位置的精度；2014.08.2071章金属切削机床的总体设计要提高机床的生产率，应缩短工作时间，其中包括切削加工时间、辅助时间以及准备和结束时间。为了缩短切削加工时间可以采用先进刀具，提高切削速度、进给速度、加大背吃刀量等方法。1.1.1机床应具有的性能指标为了提高生产率还要注意缩短辅助时间，例如，空行程采用快速移动，采用不停车测量等方法。3、生产率和自动化生产率：机床在单位时间内加工合格工件的数量。自动化大批量生产自动化自动化单机（组合机床、数控机床）组成生产流水线。单件小批量生产自动化采用柔性制造系统，工厂自动化。2014.08.2081章金属切削机床的总体设计指机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力。（1）机床在规定时间内发生失效的难易程度；（2）可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。1.1.1机床应具有的性能指标4、可靠性包括两方面：衡量机床可靠性指标：平均无故障工作时间、有效度。如：

CK3263B转塔数控机床平均无故障工作时间为20小时，有效度0.95；CA6140车床平均无故障工作时间为5000小时，有效度0.95，大修周期为10年：M1040无心磨床平均无故障工作时间为120小时，有效度0.99；2014.08.2091章金属切削机床的总体设计1.1.2人机关系机床设计师应十分重视人机关系问题，它已发展成为一门重要的科学分支——人机学或称宜人学(Ergonomics)。使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。如:机床应操纵方便、省力、容易掌握、不易发生操作错误和故障。2014.08.20101章金属切削机床的总体设计1.2机床的设计步骤绘制传动系统图，部件装配图；绘制电气系统安装接线图，液压系统和控制操作系统装配图。修改完善机床联系尺寸图，绘制总装配图及部件装配图1.2.2技术设计1.2.1总体设计工艺分析、总体布局和确定主要技术参数。1.2.3零件设计及资料编写1.2.4样机试制和鉴定绘制机床的全部零件图。整理编写零件明细表，设计说明书，制定机床的检验方法和标准，使用说明书等有关技术文件。2014.08.20111章金属切削机床的总体设计1.2.1总体设计研究市场和用户对所设计机床的要求，然后检索有关资料。其中包括技术信息、预测、试验研究成果、发展趋向、新技术应用以及相应的结构图样资料等。1、掌握机床的设计依据2．工艺分析将获得的资料进行工艺分析，拟定出几个加工方案，进行经济效果预测对比，从中找出性能优良、经济实用的工艺方案。3、总体布局按照确定的工艺方案，进行机床总体布局。4、确定主要技术参数尺寸参数、运动参数和动力参数。2014.08.20121章金属切削机床的总体设计1.3机床的总体布局机床总布局的任务，是解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系，并使机床具有一个协调完美的造型。工艺分析和工件的形状、尺寸和重量，在很大程度上左右着机床的布局型式。工艺要求决定了机床所需的运动。每个运动均由相应的执行部件来完成，通过传动解决各部件间的相对运动关系。机床的布局受多方因素的影响，例如机床的性能、操作、观察与调整，数控机床的控制、排屑和防护，加工中心的刀库与机械手都对机床的布局产生一定的影响。机床总布局的设计是带有全局性的一个重要问题，它对机床的部件设计、制造和使用都有较大影响。2014.08.20131章金属切削机床的总体设计1.3.1分配机床的运动应掌握4个原则：1、将运动分配给质量小的零件。2、运动分配应有利于提高工件的加工精度3、运动分配应有利于提高运动部件刚度4、运动分配应视工件形状而定运动件质量小，惯性小，需要的驱动力就小，传动体积小；一般来说制造成本就低。如：万能升降台铣床、龙门铣床、大型镗铣中心运动部件不同，加工精度不同。如：钻床与深孔钻床运动应分配给刚度高的部件。如：小型外圆磨床，大型外圆磨床2014.08.20141章金属切削机床的总体设计1.3.2选择传动形式和支承型式机床的主传动按驱动电动机类型分为：交流电动机驱动、直流电动机驱动。交流电动机驱动：单速电动机、双速及变频调速机床传动的形式有：机械传动、液压传动等。机床进给运动的传动多采用：机械传动或液压无级传动。1、机床的传动形式2、机床形式指主运动执行件的状态。如：卧式机床的主轴或运动方向是水平的。3、支承形式指支承件的形状。如：车床CA6140为卧式；铣床X6132A为立式。卧式支承，H<L；立式支承H>L。2014.08.20151章金属切削机床的总体设计1.3.3安排操作部位1、机床各部件相对位置的安排（1）操作者与工件有适当的相对位置。（2）操作者与操作手柄等控制元件有适当位置；（3）操作件之间有合理的距离；（4）按钮的颜色应根据功能进行合理区分。2、工件的安装高度应充分考虑人体的高度卧式机床，主轴高度900～1200mm；立式大型机床，工作台面高度700mm左右；中小型立式支承的机床，工件安装高度950～1050mm.3、操作手柄应集中设置在操作者正常活动范围内操作者站立不动，手臂正常活动范围1200mm4、仪表盘、信号灯、指示灯等应在操作者正常视距内最佳视距560mm2014.08.20161章金属切削机床的总体设计1.3.4提高机床加工精度的措施1、提高抗振性能抗振性：指机床工作部件在交变载荷下抵抗变形的能力，包括抵抗受迫振动和自激振动的能力。2、减小热变形机床工作时受到外部热源和内部热源的影响，导致机床各部分不同的温升，使机床产生热变形。据统计机床热变形导致加工误差最大值约占全部误差的70%。措施：隔离热源；改善环境温度；强制冷却；采用热源相对对称结构；改善排屑状态等。3、降低噪声齿轮振动影响传动的平稳性，是机床主要的噪声源。措施：（自学）措施：（自学）2014.08.20171章金属切削机床的总体设计1.3.5造型设计机床的造型必须与功能相适应，功能决定造型，造型表现功能。机床造型总的原则：经济实用，美观大方。外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比例协调。部件的形体目前流行小圆角过渡的棱柱体造型。长宽（或高）的比例要适当，常用的比值黄金分割比率、均方根比率、整数比率、机床的主色调是绿色。实践证明：绿色有助于提高劳动生产率；紫色和蓝色则会降低劳动生产率。机床的色彩应适应不同的使用环境。2014.08.20181章金属切削机床的总体设计1、主参数代表机床规格的大小，是最重要的尺寸参数对各种类型机床，GB/T15375—94标准统一规定了主参数的内容。工件回转的机床，主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示；工件移动的机床，主参数是工作台面的最大宽度；主运动为直线运动的机床，主参数是主运动最大的位移1.4机床主要参数的确定1.4.1尺寸参数是指影响机床加工性能的一些尺寸。拉床的主参数是额定拉力等。专用机床的主参数，以与通用机床相对应的主参数表示。

2014.08.20191章金属切削机床的总体设计第二主参数是主参数的补充。第二主参数是为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，在主参数后面标出另一参数值、称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度和最大加工模数等如车床的第二主参数是最大工件长度；铣床和龙门刨床是工作台工作面长度；摇臂钻床是最大跨距等。1.4.1尺寸参数2014.08.20201章金属切削机床的总体设计运动参数指机床执行件(如主轴、工作台、刀架)运动的速度。主运动为往复直线运动时，主运动参数是刀具或工件的每分钟往复次数(次／min)，如刨床、插床等。转速与切削速度的关系主运动为旋转运动时，机床的主运动参数是主轴转速(r/min)对于通用机床，必须确定主轴的变速范围，最高与最低转速，无级或有级变速。对于专用机床，根据特定工序实际使用的切削速度和工件(或刀具)的直径确定主轴转速。1.4.2运动参数2014.08.20211章金属切削机床的总体设计1、最低转速和最高转速的确定（变速范围Rn）1.4.2运动参数切削速度与刀具材料、工件材料有关。选择vmin和vmax时，是根据机床上几种典型加工情况来考虑的。车床vmax----硬质合金刀具半精车钢件时的速度车床vmin---高速钢刀具车螺纹时的速度Dmin、Dmax---vmax时经常加工工件直径d值的较小值、较大值。例如，φ400mm的中型车床用硬质合金车刀半精车钢料时合理的最高切削速度vmax取200m／min，这时加工轴类工件最小直径dmin取50mm(主要考虑工件变形)。精加工丝杠螺纹的合理切削速度，一般取vmin=1.5m／min，加工丝杠最大直径dmax取400mm。2014.08.20221章金属切削机床的总体设计1.4.2运动参数机床的主轴转速绝大多数是采用等比数列。以表示公比，则转速数列为：2、主轴转速的合理排列变速范围为主轴转速采用等比数列的原因：设计简单，使用方便，最大相对转速损失率相等。（1）设计简单可分解成几个等比数列的乘积，使传动设计简化。2014.08.20231章金属切削机床的总体设计1.4.2运动参数例Z=24，则该数列可分解为4个等比数列变速组串联，使机床主轴获得24种等比数列装速。abcd数列的项数：

Pa、Pb、Pc

、Pd数列的级比：数列的级比指数：

1、3、6、12结构式2014.08.20241章金属切削机床的总体设计加工某一工件所需的最有利的切削速度为v，相应的转速为n，通常情况最有利的转速n介于两个相邻转速nj和nj+1之间，即选用较低的转速nj，这时转速的损失为(n-nj)，如用相对转速损失表示，则1.4.2运动参数（2）使用方便，最大相对转速损失率相等。等比数列转速通式最大的相对转速损失是当所需的最有利的转速n趋近于nj+1时，即2014.08.20251章金属切削机床的总体设计从上式可以看到，最大相对转速损失是取决于两相邻转速之比，在其他条件(加工直径、进给、背吃刀量)不变的情况下，相对转速的损失就反映了生产率的损失。对于通用机床，可以认为每个转速的使用机会均等，同时，应使任意相邻两转速间最大相对转速损失相等，即1.4.2运动参数2014.08.20261章金属切削机床的总体设计（1）机床转速是从小到大递增的，所以规定标准公比，并且规定相对速度损失的最大值Amax不大于50％，则相应不大于2，所以3、标准公比原则1.4.2运动参数（2）为了方便记忆，简化机床设计和使用，规定了几个标准值，这些数值是选取2或10的某次方根。

这些公比的特性如下：1)公比是2的某次方根，其数列每隔若干项增加或缩小2倍。2)公比是10的某次方根，其数列每隔若干项增大或缩小10倍。2014.08.20271章金属切削机床的总体设计从使用性能考虑，选取公比最好小一些，以便减少相对速度损失，但小一些，级数z增多，会使机床的结构复杂化。公比选取的一般原则如下：①用于大批大量生产的自动化与半自动化机床，，要小些，选取1.12或1.25。②大型机床加工大尺寸工件，应小些，取1.12、1.25。③中型通用机床，公比平常选取1.25或1.41。④小型机床，公比平常取l.58或1.78。4、公比选用原则1.4.2运动参数2014.08.20281章金属切削机床的总体设计1.4.2运动参数2014.08.20291章金属切削机床的总体设计动力参数包括电动机的功率，液压缸的牵引力，液压马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。各传动件的参数(轴或丝杠的直径、齿轮与蜗轮的模数等)都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数定得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。这里将主要讨论电动机功率的确定。

1.4.3动力参数1、主传动功率的确定机床主运动的功率，包括切削功率、空转功率损失和附加机械摩擦损失三部分。2014.08.20301章金属切削机床的总体设计进行切削加工时，要消耗切削功率P切。它与刀具材料、工件材料和所选用的切削用量的大小有关。如果是专用机床，则工作条件比较固定，也就是刀具与工件的材料和切削用量的变化范围较小。这时计算值也比较接近实际情况。若是普通机床，则刀具与工件的材料和切削用量的变化都相当大。通常，可根据机床检验时所要求的重负荷切削条件来确定。设计机床时，当主传动的结构方案尚未确定前，用下面的公式估算主电动机功率P主(单位为kW)对于通用机床，；对于直线运动的通用机床，(结构简单的取大值，复杂的取小值)。1.4.3动力参数2014.08.20311章金属切削机床的总体设计当主传动的结构方案确定后，可用下面的公式估算主电动机功率P主(kW)机床主运动空转时，要消耗电动机的一部分功率，这部分消耗称为空转功率损失，用P空(kW)表示。机床的空转功率损失只随主轴和其他各轴转速的变化而改变。引起空转损失的主要因素是：各传动件在空载运转时的摩擦损耗，传动件的搅油和克服空气阻力的功率损耗。它与有无载荷以及载荷大小无关，而随传动件转速的增加而增大。传动件愈多，转速愈高，胶带和轴承的预紧力越大，装配的质量越差，则空载功率越大。——主传动链机械效率，等于主传动链中各传动副的机械效率的乘积。1.4.3动力参数2014.08.20321章金属切削机床的总体设计中型机床主传动链的空转功率损失可用下列的试验公式进行估算：式中da——主运动链中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径。

n主——主轴转速(r／min)；

d主——主轴前后轴颈的平均值(m)；

---当主轴转速为n主时，传动链内除主轴外各传动轴的转速之和。如传动链内有不传递载荷但也随之作空运转的轴时，这些轴的转速也应计入(r／min)；

1.4.3动力参数2014.08.20331章金属切削机床的总体设计中型机床主传动链的空转功率损失可用下列的试验公式进行估算：式中k1——润滑油粘度影响的修正系数。用N46号机械油时，k1=1；用N32号机械油时，k1=0.9；用N15号机械油时，k1=0.75；

k2---系数。主轴用两支承的滚动轴承或滑动轴承，是k2=8.5；三支承滚动轴承，是k2=10。1.4.3动力参数2014.08.20341章金属切削机床的总体设计机床在切削时，齿轮、轴承等零件上的正压力加大了，功率的损耗也加大了。比P空多出来的那部分功率损耗，称为附加机械摩擦损失功率P机。切削功率越大，这部分损失也越大。综上所述，主电动机功率(kW)为：---主运动链中各传动副的机械效率。1.4.3动力参数2014.08.20351章金属切削机床的总体设计1.4.3动力参数2014.08.20361章金属切削机床的总体设计对同类型机床进行广泛调查和分析比较，并在同类型、同规格的机床上进行切削实验，实测出的各种切削条件下的功率值作为参考，再考虑了机床最大载荷的情况，同时要考虑采用先进切削方法必须放宽一定的裕量。表6-5是国产常用机床的主要运动参数和动力参数，可供参考。1.4.3动力参数2014.08.20371章金属切削机床的总体设计1.4.3动力参数2014.08.20381章金属切削机床的总体设计在进给运动与主运动共用一个电动机的普通机床上，如卧式车床和钻床，由于进给运动所消耗的功率与主运动相比是很小的，因此可以忽略进给所需的功率。在进给运动与空行程运动共用一个电动机的机床上，如升降台铣床，也不必单独考虑进给所需的功率，因为使升降台快速上升所需的空行程运动功率比进给运动的功率大得多。2、进给传动功率的确定1.4.3动力参数2014.08.20391章金属切削机床的总体设计进给运动采用单独的普通电动机的机床，如升降台铣床和龙门铣床，以及用液压缸驱动进给的机床，如仿形车床、多刀半自动车床和组合机床等，都需要确定进给运动所需的功率。通常用参考同类型机床和计算相结合的办法确定。注意比较传动链的长短和低效率传动副(丝杠螺母、蜗杆蜗轮)的数量。进给传动链的机械效率会低至0.15～0.20。1.4.3动力参数2014.08.20401章金属切削机床的总体设计进给功率Ps(kW)可根据进给牵引力FQ(N)，进给速度v(mm/min)和机械效率，由如下计算公式决定：1.4.3动力参数滑动导轨进给牵引力FQ(N)的估算公式如下：三角形或三角形与矩形综合导轨矩形导轨燕尾形导轨钻床主轴2014.08.20411章金属切削机床的总体设计图6-2导轨上的作用力式中G——移动部件的重力；FX、FY、FZ——切削力的三向分力。其中FZ沿导轨的纵向(N)，见图6-2；f'——当量摩擦系数；f——钻床主轴套筒上的摩擦系数；k——考虑颠覆力矩影响的系数；d——主轴直径(mm)；T——主轴上的转矩(N·m)在正常润滑条件下的铸铁一铸铁副导轨，k与f可取如下数值：三角形和矩形导轨，是k=1.1～1.15，f‘