第二章 金属切削机床设计

机械制造装备设计目录第一章机械制造及装备设计方法第二章金属切削机床设计第三章典型部件设计第七章机械加工生产线总体设计第五章机床夹具设计第四章工业机器人设计第六章物流系统设计第二章金属切削机床设计第一节概述第二节金属切削机床设计的基本理论第三节金属切削机床总体设计第四节主传动系设计第五节进给传动系设计第六节机床控制系统设计2.1.1机床设计应满足的基本要求1.机床的工艺范围：机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，包括加工作业功能（能干什么）和加工作业空间（尺寸范围）。a)通用机床具有较宽的工艺范围，在同一台机床上可以满足较多的加工需要，适用于单件小批生产。b)专用机床是为特定零件的特定工序而设计的，自动化程度和生产率都较高，但它的加工范围很窄。c)数控机床则既有较宽的工艺范围，又能满足零件较高精度的要求，并可实现自动化加工。2.1概述2.1.1机床设计应满足的基本要求工艺范围之加工作业空间（尺寸参数）机床名称主参数第2主参数普通车床车身上工件最大回转直径工件最大长度摇臂钻床最大钻孔直径最大跨距坐标镗床工作台工作面宽度工作台工作面长度外圆磨床最大磨削直径最大磨削长度2.1.1机床设计应满足的基本要求2.机床的柔性：适应加工对象变化的能力。3.与物流系统的可接近性：机床与物流系统之间进行物流（工件、刀具、切屑等）流动的方便程度。4.机床的刚度：加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。

主轴箱温升引起的综合变形2.1.2机床模块化设计方法选配具有不同性能的，可以互换选用的模块数控车床模块化方案关键：模块接合部设计模块快速配置和更换2.2金属切削机床设计的基本理论（一）机床的运动学原理工件的加工，就是通过刀具相对工件的运动来完成的。机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置。金属切削机床的基本功能是提供切削加工所必须的运动和动力。其基本工作原理是：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，并达到其精度要求。2.2金属切削机床设计的基本理论机器零件常用表面工件表面的形成方法及机床运动12a)平面12b)圆柱面12c)平面12d)圆锥面1母线2导线任何一个表面都可以看做是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线称为发生线，前者为母线，后者为导线。几何表面的形成原理

工件表面（发生线）的形成方法1．轨迹法2．成形法3．相切法4．范成法(展成法)机床的运动（刀具、工件相对运动）发生线（母线、导线）工件表面以上方法中，发生线都是怎样形成的？各对应哪种切削刃类型（点、线、面）？典型机床加工过程中的发生线形成方法1fnn1...fn1n21a)c)b)fd)e)a)点刃车刀车外圆柱面b)宽刃车刀车外圆柱面c)砂轮磨外圆柱面

d)圆柱铣刀加工短圆柱面e)滚齿加工加工表面的形成方法是母线和导线形成方法的组合机床运动分类按运动的性质分：

直线运动

回转运动按运动的功能分： ◆成形运动

非成形运动按运动之间的关系分：

独立运动

复合运动机床运动功能描述方法笛卡尔直角坐标系机床坐标系是指用于确定机床的运动方向和移动距离的坐标系。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C1、坐标系

卧式数控车床1）车床坐标系机床运动功能描述方法1、坐标系当Z轴水平时，沿主轴向工件看，X轴的正方向指向右边。2）铣、钻、镗床坐标系

卧式升降台数控铣床机床运动功能描述方法机床运动功能式主运动是区别不同类型机床的关键运动功能式表示机床的运动个数、形式、功能及排列顺序，是描述机床运动功能最简洁的表达方式规定：p——主运动f——进给运动a——非成形运动运动对象运动形式运动功能W——工件T——刀具X,Y,Z——直线运动A,B,C——回转运动机床运动原理图(b)回转运动(a)直线运动

机床运动原理图除了描述机床的运动轴个数、形式及排列顺序外，还标识了两个末端执行器和各个运动轴的空间相对位置主轴、工件、刀具等采用“仿形”画法运动原理图的主要符号：典型机床的运动原理图机床传动原理图若将动力源与执行件、各执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原理图传动原理图的主要符号：合成机构定比传动变速传动合成机构将形成母线的工件旋转运动与附加的工件旋转运动合成为一个运动运动功能分配设计运动功能分配解决的是哪些运动由刀具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成把直线进给运动分配给工件把直线运动分配给砂轮运动功能分配设计是确定基础支承件设在何处，即“接地”的位置，用符号“.”表示不同的运动分配方式：外圆磨床的运动功能式：不同的运动分配方式对应不同的结构布局形式2.2金属切削机床设计的基本理论（二）精度1、几何精度——机床在空载条件下，在不运动或运动速度较低时机床主要独立部件的形状（直线度、平面度）、相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度）、旋转（径向圆跳动、周期性轴向窜动、端面圆跳动）和相对运动位移精确程度。

下图所示的机床具有哪些几何误差？（21项原始几何运动误差）2.2金属切削机床设计的基本理论2、运动精度——机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度（又可称为几何运动精度）。如高速回转主轴的回转精度，工作台运动的位置及方向精度。3、传动精度——机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。影响机械传动因素的主要因素是传动系统的设计、传动元件的制造和装配精度。4、定位精度——机床的定位部件运动到达规定位置的精度。重复定位精度——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。5、工件精度——加工规定的试件，用试件的加工精度标识机床的工作精度。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，称之为精度保持性。2.2金属切削机床设计的基本理论（三）刚度机床刚度是指机床受载时抵抗变形的能力，通常用下式表示：作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动干扰力等，按照载荷的性质不同，可以分为静载荷和动载荷。机床刚度相应地分为静刚度及动刚度。机床由众多的构件（零部件）和柔性接合部组成，接合部的物理参数对机床的整机性能影响非常大，整机刚度的50%取决于接合部刚度。在载荷作用下各部件及接合部都要产生变形，这些变形直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移。这个位移的大小代表了机床的整体刚度。2.2金属切削机床设计的基本理论（四）振动机床抗振能力是指机床在交变载荷作用下抵抗振动的能力。1、受迫振动——振源可能来自于内部，如高速回转零件的不平衡，也可能来自于机床之外。2、自激振动——发生在刀具和工件之间的一种相对振动。自激振动与切削用量、切削力有关。又被称为切削稳定性。影响机床振动的主要原因：1）机床的刚度（材料、截面形状、尺寸、肋板分布、接触表面的预紧力、表面粗糙度、加工方法、几何尺寸）2）机床的阻尼特性（构建材料的内阻尼，接合部的阻尼）3）机床系统固有频率（材料、结构）2.2金属切削机床设计的基本理论（五）热变形(a)问题说明加工要求：在1600mm直径范围内均布26000个直径为32mm的孔，要求对工件中心孔位置度在0.05mm以内加工条件：高速高精度的数控龙门机床，重复定位精度在0.008mm以内加工结果：工件实测误差常常在0.20mm以上(b)原因分析机床在大空调厂房中，早、中、晚温度变化梯度较大，机床从冷却到全热态过程中，机床的坐标系原点存在漂移；钢件材料的热线张系数和铝材料相差较大(c)解决方案稳定机床工作的环境温度，搭建了二次恒温空调间，在加工前数小时预热后不停机连续加工到完成，工件实测误差控制到0.05mm以内机床热变形及其补偿技术的研究1)温度控制技术立柱滑台底座

基础部件温度控制

关键部件温度控制

热平衡结构设计技术1)温度控制技术中空丝杆冷却技术已得到应用机床热变形及其补偿技术的研究

基础部件温度控制

关键部件温度控制

热平衡结构设计技术2)实时热补偿技术4.3机床热变形及其补偿技术的研究

机床温度及热变形测量点优化技术补偿模型技术软件误差补偿技术机床热变形及其补偿技术的研究数学模型曲线2)实时热补偿技术

机床温度及热变形测量点优化技术补偿模型技术软件误差补偿技术机床热变形及其补偿技术的研究2)实时热补偿技术

机床温度及热变形测量点优化技术补偿模型技术软件误差补偿技术已在部分机型应用机床热变形及其补偿技术的研究2.2金属切削机床设计的基本理论（五）热变形（如何预防、控制热变形）温升——机床在工作时受到内部热源（如电动机、液压系统、机械摩擦副、切削热）和外部热源（如环境问题、周围热源辐射等）的影响，使机床的温度高于环境温度。热变形——机床各部位的温升不同，不同材料的热膨胀系数不同，导致机床床身、主轴和刀架等构件产生变形。温度场——在热平衡状态下，机床各部件的温度是不同的，热源处最高，远离热源处或散热较好处较低，这就形成了温度场几个概念热变形预防与控制（1）均衡热对称结构设计。如对称的双立柱，龙门布局等。（2）机床主体均匀温度场的控制。如主轴、丝杠、立柱、床身的冷却。（3）热误差补偿。（4）加工环境温度场均匀性控制。2.2金属切削机床设计的基本理论（六）噪声（物体振动是声音产生的来源）（七）低速运动平稳性（摩擦产生的自激振动现象，“爬行”）进给传动的力学模型如何防止爬行？减少静、动摩擦系数之差；提高传动机构的刚性；降低移动件的质量机床系列型谱的制定

型式最大工件直径/mm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2503204005006308001000注：——基型，——变型2.3金属切削机床总体设计机床总体结构方案设计结构布局设计表面成形方法机床运动的分配

工件的尺寸、质量和形状

工件的技术要求

生产规模和生产率

其它

2.4主传动系设计一、主传动系设计应满足的基本要求二、主传动系分类和传动方式三、分级变速主传动系四、无级变速主传动系五、数控机床主传动系设计特点

2.4.1主传动系设计应满足的基本要求满足机床使用性能要求。机床的末端执行件(如主轴)应有足够的转速范围和变速级数。机床的动力源和传动机构应能够输出和传递足够的功率和转矩，并有较高的传动效率。机床的传动结构，特别是末端执行件必须有足够的精度、刚度、抗振性能和较小的热变形。应该合理地满足机床的自动化程度和生产率的要求。机床的操作和控制要灵活，安全可靠，噪声小，维修方便。机床的制造要方便，成本要低。

2.4.2主传动系分类和传动方式主传动系分类

（1）按驱动主传动的电机类型：交流电动机驱动、直流电动机驱动（2）按传动装置类型：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合

（3）按变速的连续性：分级变速传动、无级变速传动。分级变速传动与无级变速传动的优缺点分级变速传动传递功率较大，变速范围广，传动比准确，工作可靠。缺点是有速度损失，不能在运转中变速。

无级变速能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于加工大断面时保持恒定的切削速度，以提高生产小和加工质量。

2.4.3分级变速主传动系的设计主要概念1.传动轴、齿数、转速n2.公比3.转速分级、转速级数4.传动副5.传动比u6.变速组7.变速范围8.级比、级比指数9.基本组、第一扩大组、第二扩大组

2.4.3分级变速主传动系的设计例：XA6132A型铣床的转速图转速范围30~1500r/min公比

1.26主轴转速级数Z=18电动机转速n0=1440r/min。转速图

2.4.3分级变速主传动系的设计传动轴的数目各轴转速级数转速值变速组的数目变速组的传动副传动路线传动比数值转速级数公比级比、级比指数变速范围转速图表达的信息

2.4.3分级变速主传动系的设计“三线一点”

1）传动轴线（竖直细线）

2）转速线（水平细线）3）传动线（粗线）

4）转速点（圆点）

2.4.3分级变速主传动系的设计传动系图转速图

2.4.3分级变速主传动系的设计结构式表达方法传动副数级比指数三个主要参数：Z——主轴转速级数Pj——各变速组传动副数Xj——各变速组级比系数一般表达式：

2.4.3分级变速主传动系变速组的变速范围：

变速组的变速范围中的指数等于该变速组的级比指数与其传动副数减1的乘积

2.4.3分级变速主传动系（三）主变速传动系设计的一般原则⑴变速组的传动副数目应“前多后少”；靠近电动机转速高、转矩小、尺寸小。更多传动件在高速范围内工作，有利于减少外形尺寸⑵变速组的传动线应“前密后疏”（传动顺序与扩大顺序相一致）⑶变速组的降速应“前慢后快”；中间轴转速不宜超过电动机转速

前面的慢些，后面的降速快些，以减少传动件尺寸；

中间轴转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声

2.4.3分级变速主传动系

卧式车床主变速传动系，因为I轴上装有双向摩擦片式离合器，轴向尺寸较长，为使结构紧凑，第一变速组采用双联齿轮。主变速传动系设计原需灵活应用

2.4.3分级变速主传动系转速图拟定示例

已知：主轴转速范围n=30~1500r/min，主轴转速级数Z=18，公比=1.26，电动机转速n0=1440r/min。请拟定转速图

2.4.3分级变速主传动系（四）主变速传动系的几种特殊设计

1、具有多速电动机的主变速传动系

采用多速异步电机和其它方式联合使用，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。

2.4.3分级变速主传动系传动系的公比？哪个变速组是基本组？（四）主变速传动系的几种特殊设计

2、具有交换齿轮的变速传动系优点：交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。交换齿轮可用较少的齿轮，得到多级转速，变速箱结构大大简化。缺点：更换交换齿轮较费时费力。2.4.3分级变速主传动系（四）主变速传动系的几种特殊设计

3、采用公用齿轮既是前一变速组的从动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，称为公用齿轮。采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。2.4.3分级变速主传动系公用齿轮扩大传动系变速范围的方法312326212-61、增加变速组12=31·23·2624=31·23·26·212上面的结构式合理吗？重复的转速级数结构式：2、采用背轮机构采用背轮机构的变速范围：对应的转速图：扩大传动系变速范围的方法3、采用双公比的传动系在常规变速传动系基础上，通过改变基本组的级比指数演变来的扩大传动系变速范围的方法扩大传动系变速范围的方法4、采用分支传动（六）齿轮齿数的确定基本要求：

1）齿数和不应过大；

2）齿数和不应过小；①最小齿轮不产生根切，

②保证强度；

③传动平稳性；

3）符合传动比要求；4）三联滑移齿轮，保证滑移时外圆不相碰（齿数差）2.4.3分级变速主传动系2.4.3分级变速主传动系主动齿轮的齿数（七）计算转速2.4.3分级变速主传动系计算转速：

传动件在传递全部功率时的最低转速。PTTPnminnmaxncn左图中哪条线代表功率变化情况，哪条线代表转矩变化情况？计算转速（七）计算转速2.4.3分级变速主传动系

主轴计算转速计算转速各传动轴计算转速

齿轮计算转速（1首先计算）（2从后向前计算）（3计算齿轮的计算转速）

轴的计算转速

能满足传递功率要求的最低转速齿轮的计算转速各变速组最小齿轮的计算转速（一）无级变速装置的分类

变速电动机

机械无级变速

液压无级变速装置（二）无级变速主传动系设计原则

选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置

为扩大变速范围，无级变速装置和机械分级变速箱一起使用2.4.4无级变速主传