第一章金属切削机床的总体设计1

第一章金属切削机床的总体设计机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟定出性能先进，经济性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的主要技术参数。第一页，共67页。第一页，共67页。第一章金属切削机床的总体设计一、机床的基本要求二、机床的设计步骤三、机床的总体布局四、机床主要技术参数的确定第二页，共67页。第二页，共67页。一、机床应具有的性能指标1、工艺范围指机床适应不同生产要求的能力。包括可加工的零件类型、形状和尺寸范围，能完成的工序种类等。2、加工精度指被加工工件表面的形状、位置、尺寸的准确度、表面的粗糙程度。第一节机床的基本要求第三页，共67页。第三页，共67页。机床的精度分为三级：普通精度机床；精密机床；高精度机床。(公差值比约为1:0.4:0.25)3、生产率和自动化生产率指机床在单位时间内所能加工的工件数量。自动化程度越高，生产率越高。4、可靠性机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力。1.1机床的基本要求第四页，共67页。第四页，共67页。1.1机床的基本要求二、人机关系

机床除具有一定的技术性能指标外，还应有良好的人机关系。即：机床要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。第五页，共67页。第五页，共67页。1.1机床的基本要求机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误的接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。

机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。另外，应降低噪声，减少噪音污染。第六页，共67页。第六页，共67页。第二节金属切削机床的设计步骤

机床设计大致包括四个阶段：

一、总体设计二、技术设计三、零件设计四、样机试制和鉴定第七页，共67页。第七页，共67页。1.2金属切削机床的设计步骤一、总体设计1．掌握机床的设计依据，包括技术信息、实验研究成果、新技术的应用成果。2．工艺分析，优化加工方案。必要时画出加工示意图。

3．总体布局，确定机床刀具和工件的相对运动，确定定各部件的相互位置。第八页，共67页。第八页，共67页。另外，画出传动原理图，主要部件结构草图，液压系统原理图，电气控制电路图，操纵控制系统原理图。画出机床联系尺寸图——机床原始总图。总体设计阶段应采用可靠性设计原理，进行预防故障设计。利用概率设计，将所设计零件的失效概率限制在允许的很小范围内，以满足可靠性定量的要求。4．确定主要的技术参数，主要参数包括尺寸参数、运动参数和动力参数。1.2金属切削机床的设计步骤第九页，共67页。第九页，共67页。总体设计的六条原则：①采用成熟的经验或经分析试验验证了的方案；②结构简单，零部件数量少；③多用标准化、通用化零部件；④重视维修性，便于检修、调整、拆换；⑤重视关键零件的可靠性和材料选择；⑥充分运用故障分析成果，及时反馈，尽早改进。1.2金属切削机床的设计步骤第十页，共67页。第十页，共67页。1.2金属切削机床的设计步骤二、技术设计画出传动系统图，绘制部件装配图，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，最终完成总装配图绘制三、零件设计及资料编写四、样机试制和鉴定样机试制；空车试运转；随后进行工业性试验，在额定载荷下进行试工作，并写出工业性试验报告。

第十一页，共67页。第十一页，共67页。1.3机床的总体布局第三节机床的总体布局一、分配机床的运动二、选择传动形式和支承形式三、安排操作部位四、提高动刚性的措施五、造型设计第十二页，共67页。第十二页，共67页。1.3机床的总体布局一、分配机床的运动机床运动的分配应掌握四个原则：1、将运动分配给质量小的零部件。运动件质量小，惯性小，需要的驱动力就小，传动机构体积小；制造成本低。

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的刚度。4、运动的分配应视工件形状而定。第十三页，共67页。第十三页，共67页。1.3机床的总体布局二、选择传动形式和支承形式机床的主传动按驱动电动机类型分为交流电动机驱动和直流电动机驱动；交流电动机驱动又分为单速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。

机床传动形式有机械传动，液压传动等。第十四页，共67页。第十四页，共67页。1.3机床的总体布局机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠，广泛用于通用机床中，尤其是中小机床中。但是有相对转速损失，工作中不能变速。改进形式：变频调速-多楔带-齿轮传动组合液压传动换向冲击性小，传动平稳，易于实现直线运动，适用于刨床、拉床等机床主运动中，但传动比精度低。第十五页，共67页。第十五页，共67页。支承形式是指支承件的形状。卧式支承：支承件高度方向尺寸小于长度方向尺寸1.3机床的总体布局

特点：重心低，刚度大，是中小型机床的首选支承形式第十六页，共67页。第十六页，共67页。立式支承：支承件高度方向尺寸大于长度方向尺寸，

又称为柱式支承，简称为立柱。1.3机床的总体布局特点：占地面积小，刚度较卧式差，机床的操作位置比较灵活。龙门框架支承，是单臂支承的改进形式,又称为双柱式支承，适用于立式大型机床。第十七页，共67页。第十七页，共67页。1.3机床的总体布局三、安排造作部位机床总体设计,在考虑达到技术性能指标的同时，必须注意机床操作者的生理和心理特征，充分发挥人和机床的各自特点，达到人机最佳综合功效。

机床各部件相对位置的安排，应保证：①操作者和工件有适当的相对位置，有足够的活动空间，以便于工件的装卸、刀具的安装调试、加工情况的观察和工件检验；第十八页，共67页。第十八页，共67页。1.3机床的总体布局②操作者与操作手柄等控制元件的适当位置，有足够的操作空间，达到操作准确、省力、方便；③操作件应按GB4141选用，操作件之间有合理的距离；④功能不同的按钮应有不同的颜色，且这些颜色应和人的视觉习惯一致、符合人的心理生理特征。防止误操作。第十九页，共67页。第十九页，共67页。1.3机床的总体布局四、提高动刚度的措施1、抗振性能的提高机床的抗振性是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。习惯上称前者为抗振性，后者为切削稳定性。自激振动，可通过增大工作部件的阻尼比外，还可调整切削用量来避免，使切削稳定。机床外部振源，最可靠有效的方法就是隔离振源。第二十页，共67页。第二十页，共67页。1.3机床的总体布局无法隔离的振源，应采用下列措施：①选择合理的传动形式，尽量减短传动链，减少传动件个数，既减少振动源的数量；②提高传动链各传动轴组件，尤其是主轴组件的刚度，提高其固有角频率；③大传动件应作动平衡或设置阻尼机构；④箱体外表面涂刷高阻尼涂层，增加阻尼比；⑤提高各部件结合面的表面精度，增强局部刚度。第二十一页，共67页。第二十一页，共67页。1.3机床的总体布局2、减小热变形减少热变形最简单最有效的方法是隔离热源。不能分离的热源，应采用以下措施：①产生热量较大的热源，进行强制冷却。②热源相对结构对称，热变形后中心位置不变。③改善排屑状态。数控车床将床身倾斜与主轴后上方，使切屑在自重作用下落入下面小车中或切屑输送机上，切屑不与床身和导轨副接触，避免了切屑携带的切削热传给导轨床身，减少了热变形。

第二十二页，共67页。第二十二页，共67页。1.3机床的总体布局3、降低噪声机床主要的噪声源是齿轮振动，减少齿轮噪音的措施有：①缩短传动链，减少传动件的个数；②采用小模数、硬齿面齿轮，降低传动件的线速度；③提高齿轮的精度；④采用增加齿数、减小压力角或圆柱螺旋齿轮，增加齿轮啮合的重合度，机床齿轮的重合度应不小于1.3；⑤提高传动件的阻尼比；增加支承组件的刚度。第二十三页，共67页。第二十三页，共67页。1.3机床的总体布局五、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。机床的造型设计是在保证人机关系的基础上，应用艺术规律和造型美学法则加以精炼和塑造，得到恰到好处的造型。机床造型总的原则是经济实用，美观大方。良好的外观造型应从机床造型设计和色彩两方面去评价。第二十四页，共67页。第二十四页，共67页。1.3机床的总体布局外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比例协调。部件的形体目前多流行小圆角过渡的棱柱体造型,长、宽（或高）的比率要适当，常用的比值为：黄金分割比率、均方根比率、整数比率等；各部件的形体比率相互协调,做到衔接紧密、转换自然，组合而成的外形轮廓的几何线型要大体一致，达到线型风格的协调统一；整体造型应使人感到稳定而不笨重，轻巧且安定。

第二十五页，共67页。第二十五页，共67页。1.3机床的总体布局色彩可配合造型使机床达到人的审美要求。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，蓝色和紫色则降低劳动生产率。国内外各种机床多采用绿色，它给人以贴近自然，适宜、舒畅的感觉，同时也是一种耐油污的隐蔽色。机床色彩应适应不同的使用环境，热带地区使用的机床宜采用冷色，如乳白色、奶黄色，使人产生清凉、心情平静的感觉；寒冷地区应采用暖色，如桔黄色、桔红色等，以增强人们的温暖感。

第二十六页，共67页。第二十六页，共67页。第四节机床主要技术参数的确定一、尺寸参数二、运动参数三、动力参数第二十七页，共67页。第二十七页，共67页。1.4主要技术参数的确定一、尺寸参数

机床的尺寸参数是指影响机床加工性能的一些尺寸。主参数代表机床的规格的大小，是最重要的尺寸参数。另外，机床尺寸参数还包括第二主参数和一些重要的尺寸。机床的主参数已规定在“GB/T15375—1994金属切削机床型号编制方法”中，每种机床的主参数按等比数列排列。第二十八页，共67页。第二十八页，共67页。1.4主要技术参数的确定

二、运动参数主运动为旋转运动的机床，主运动的运动参数为主轴转速。转速与切削速度的关系为：——工件或刀具直径（mm）。第二十九页，共67页。第二十九页，共67页。1.4主要技术参数的确定1．最低转速和最高转速的确定

按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直径，由主轴转速公式计算出最低转速、最高转速、变速范围。第三十页，共67页。第三十页，共67页。1.4主要技术参数的确定其中，或是实际使用情况下采用或时常用的经济加工直径，D是机床加工的最大直径(主参数)，k是系数(卧式车床k=0.5，摆臂钻床k=1)。第三十一页，共67页。第三十一页，共67页。1.4主轴转速2．主轴转速的合理排列机床的主轴转速绝大多数是按照等比数列排列的。原因是：设计简单；使用方便，最大相对转速损失率相等。(1)简化设计如果机床的主轴转速数列是等比的，公比为，且转速级数Z为非质数，则这个数列可分解成几个等比数列的乘积，使传动设计简化。第三十二页，共67页。第三十二页，共67页。1.4主轴转速结构式：第三十三页，共67页。第三十三页，共67页。1.4主轴转速(2)使用方便，最大相对转速损失率相等等比数列转速的转速通式为:则机床的切削速度与工件（或刀具）直径的关系为:

第三十四页，共67页。第三十四页，共67页。1.4主轴转速的对数值是对数值的一次函数，斜率为1，函数图像是与切削速度对数坐标轴成45o的斜线，取j=1~Z，可得到Z条平行间距相等的斜线。第三十五页，共67页。第三十五页，共67页。1.4转速选择图第三十六页，共67页。第三十六页，共67页。1.4主轴转速如果加工某一工件需要的最佳切削速度为，相应的转速为。一般情况下，不可能正好在某一转速线上，而是在两转速线与之间为保证刀具的使用寿命，应选择较低的转速，这时转速的损失为，相对转速损失率为第三十七页，共67页。第三十七页，共67页。1.4主轴转速最大相对转速损失率为趋近于时的A值，即最大相对转速损失率Amax只与公比有关，是恒定值；它影响机床的劳动生产率，特别是加工时间长的大型重型机床。因此是机床设计的重要指标之一。第三十八页，共67页。第三十八页，共67页。1.4标准公比原则公比大，最大相对转速损失率就大，对机床劳动生产率影响就大；我们规定：最大相对转速损失率Amax≤50%。

3.标准公比原则1）机床为满足不同工艺需求，需具有一系列等比数列转速,转速从到依次递增，即

第三十九页，共67页。第三十九页，共67页。1.4标准公比原则2）为方便记忆，要求转速nj经E1级变速后，转速值呈10倍的关系，即第四十页，共67页。第四十页，共67页。1.4标准公比原则3）为方便记忆，为适应双速电机驱动的需要，要求转速nj经E2级变速后，转速值呈2倍的关系，即第四十一页，共67页。第四十一页，共67页。1.4公比选用原则4．公比选用原则

中型机床，公比一般选取1.26或1.41；大型重型机床，加工时间长，公比应小一些，一般选取1.26、1.12或1.06；非自动化小型机床，加工时间小于辅助时间，转速损失对机床劳动效率影响不大，为使机床结构简单，公比可选大一些，可选择1.58、1.78,甚至2；专用机床原则上不变速，但为适应技术进步，可作适当性能储备，公比可选择1.12、1.26。

第四十二页，共67页。第四十二页，共67页。1.4动力参数三、动力参数

动力参数包括驱动机床的各种电动机功率或扭矩，液压马达和油缸的牵引力等。各传动件的结构参数都是根据动力参数设计的。1、主电动机功率的确定机床主运动的功率为:

第四十三页，共67页。第四十三页，共67页。1.4动力参数切削功率p切与刀具材料、工件材料和所选用的切削用量有关。专用机床的刀具、工件材料与切削用量都是不变的，计算较准确；通用机床，刀具与工件材料和切削用量变化大，可根据机床检验标准中规定的切削条件进行计算。第四十四页，共67页。第四十四页，共67页。1.4动力参数机床主运动的空转功率损失p空，与传动件的预紧程度及装配质量有关，是传动件摩擦、搅油等因素引起的，其大小随传动件转速的增大而增大。中型机床主传动空转功率损失可用下列经验公式进行计算：机床主轴转速n主，估算空载功率时，按主轴计算转速确。第四十五页，共67页。第四十五页，共67页。1.4动力参数da为主运动链中除主轴以外的所有传动轴的平均直径。主传动链的结构尺寸未确定时，按主运动电动机的功率估算：第四十六页，共67页。第四十六页，共67页。1.4动力参数当主轴转速为时，传动链内除主轴以外各传动轴的相应转速之和为；润滑油粘度影响系数,润滑油为N46时，润滑油为N32时，；

主轴轴承系数，两支承主轴；三支承主轴。

第四十七页，共67页。第四十七页，共67页。1.4动力参数机床切削工件时，齿轮、轴承等零件上的接触压力增大，无用功耗损增大。比多出的那部分功率，称为附加机械摩擦损失功率，切削功率越大，附加机械摩擦损失功率越大。主传动链机械效率，是主传动链中各传动副的机械效率的乘积。

第四十八页，共67页。第四十八页，共67页。1.4进给运动电动机功率的确定2.进给运动电动机功率的确定1)进给运动与主运动合用一台电动机时，可不单独计算进给功率，而是在确定主电动机功率时引入一个系数K，机床主电动机功率为：普通车床；自动车床；铣床、卧式镗床；齿轮机床；第四十九页，共67页。第四十九页，共67页。2）进给运动中工作进给与快速移动合用一台电动机时，快速电动机满载起动，且加速度大，所消耗的功率远大于工作进给功率，且工作进给与快速移动不同时进行。所以该电动机功率按快速移动功率选取。数控机床属于这类情况。1.4进给运动电动机功率的确定第五十页，共67页。第五十页，共67页。1.4进给运动电动机功率的确定3）进给运动单独使用一台电动机时，进给运动电动机功率按下式计算最大进给牵引力(N）；最大进给速度；进给传动系统机械效率。第五十一页，共67页。第五十一页，共67页。1.4进给运动电动机功率的确定进给牵引力Q等于进给方向上切削分力与摩擦力之和，进给牵引力Q的估算公式见下表:第五十二页，共67页。第五十二页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定3.快速移动电动机功率的确定⑴交流异步快速移动电动机功率的确定快速移动电动机满载起动，起动时间短、移动部件加速度大。在较短的时间内（0.5~1秒），使重力较大的移动部件达到所需的移动速度，即要克服移动部件和传动系统的惯性力，使其起动并迅速加速；又需克服移动部件因移动而产生的摩擦力。故起动时消耗的功率最大。

第五十三页，共67页。第五十三页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定克服摩擦力所需的功率是变化的，随移动速度的增大而增大，移动部件在起动过程中，是匀加速运动，平均速度是，但由于起动时间短，计算电动机起动功率时可按最大移动速度计算。当移动部件达到所需的移动速度后，移动部件变为恒速运动，电动机仅需克服移动部件的摩擦力就能维持其运动，即快速移动时所消耗的功率为克服摩擦力所需的功率。第五十四页，共67页。第五十四页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定克服惯性力所需功率，快速移动电机的功率应按起动时所需功率选取，即

快速移动传动链的机械效率；

电动机起动转矩与额定转矩之比为，异步电动机

第五十五页，共67页。第五十五页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定克服惯性力所需电动机轴上的转矩

为电动机转子自身转动惯量；为传动件、负载折算到电动机轴上的转动惯量；为电动机起动时转速加速过程的时间；异步电动机第五十六页，共67页。第五十六页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定根据动能守恒定律

分别是各旋转件转动惯量（）、角速度（

）；各移动部件的质量()、移动速度（）；

第五十七页，共67页。第五十七页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定空心圆柱形零件的转动惯量旋转零件的质量为（），零件的内径、外径、长度分别为。钢材密度

第五十八页，共67页。第五十八页，共67页。1.4快速移动电动机功率的确定如果快速移动部件垂直升降运动，则电动机要同时克服部件重力和摩擦力，则

如果移动部件是水平运动，则

其中，F为移动部件重心与升降丝杠不同轴而产生在导轨上的挤压力；当量摩擦系数为

。第五十九页，共67页。第五十九页，共67页。1.4伺服电动机选择

⑵伺服电动机选择

1）最大切削负载转矩不得超过伺服电动机的额定转矩

丝杠上的最大轴向载荷（最大轴向进给力与导轨摩擦力之和）；丝杠导程。第六十页，共67页。第六十页，共67页。1.4伺服电动机选择

2）电动机的转动惯量