机床概论课件

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金属切削机床设计

教师：牛宗伟博士

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E-mail:办公室:机械交通实验楼601室2

平时成绩占60%，期末考试成绩占40%。平时成绩评定：根据平时课堂表现，作业表现，小组讨论表现，综合设计作业评定。①出勤情况占20%。②课堂互动表现占20%，主要根据课堂回答问题和参与讨论情况评定。③结课论文占20%。④课后作业和随堂测验占40%。目录第一章机械制造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一节概述一、机械制造生产模式的演变二、制造业的作用及现状三、机械制造装备的发展趋势一、机械制造生产模式的演变互动问题（一）为什么机床产业在国民经济中占据重要地位？机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平.机床工业的战略地位国际军事竞争的战略物资

高档数控机床对我国禁运:2000年10月14日,美国参议院通过控制高技术机床出口法案,美国商务部把数控机床列为对我出口的20类敏感物资;

日本通产省禁止东芝公司龙门五面体加工中心、安田公司高精度数控机床、森精机公司精密机床、五轴联动数控机床出口到中国。

国际军事竞争的战略物资----数控机床

现代飞机大量复杂曲面铝合金零件加工去除率80%以上，需要多轴联动、高速、高效龙门加工中心，带A、B轴五轴加工中心等数控机床。航空发动机零件精度高、形状复杂，大部分采用高强度、高温合金，需要高精度、大扭矩高刚度、多轴联动数控机床进行加工。

J11J10飞豹歼击机心脏涡扇发动机，数控机床是保障高新技术产业发展的载体

航天工业发展要大批高精度、特种加工数控机床

国际军事竞争的战略物资运载火箭发动机燃烧室、机匣、机罩、进气堆、尾锥及火箭机体等制造需要高性能、专用数控机床。军事工业的支撑数控机床国家综合能力的象征我国新研发的核动力潜艇需求大型5轴联动数控机床确保潜艇低噪声潜航舰船的螺旋桨－须五轴联动支撑

国际军事竞争的战略物资

兵器工业武器需要各种规格数控机床，其中特殊合金钢材料加工，需要大扭矩、高刚度、大功率、高效率数控机床。

国家综合竞争力的重要标志和体现

发电机

我国百万级核电机组、超超临界火电机组、燃气-蒸汽循环机组、大功率风力机组，发电设备大型转子、定子、叶片等需要重型、超重型数控机床、五轴联动加工中心。

发电机

2002年我国装机6.22亿千瓦，2010年装机达8.5亿千瓦，2020年装机13亿千瓦，大型铸锻件需要重型和超重型数控机床、五轴联动加工中心、3.6万吨垂直挤压机。三、机械制造装备的发展趋势1、向高效、高速、高精度方向发展2、多功能复合化、柔性自动化的产品成为主流3、实施绿色制造与可持续制造发展战略4、智能制造技术和智能化装备有了新的发展互动问题（二）什么是互联网+？什么是工业4.0？通俗来说，“互联网+”就是“互联网+各个传统行业”，但这并不是简单的两者相加，而是利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。它代表一种新的社会形态，即充分发挥互联网在社会资源配置中的优化和集成作用，将互联网的创新成果深度融合于经济、社会各领域之中，提升全社会的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态。主要特征互联网+有六大特征：一是跨界融合。+就是跨界，就是变革，就是开放，就是重塑融合。敢于跨界了，创新的基础就更坚实；融合协同了，群体智能才会实现，从研发到产业化的路径才会更垂直。融合本身也指代身份的融合，客户消费转化为投资，伙伴参与创新，等等，不一而足。二是创新驱动。中国粗放的资源驱动型增长方式早就难以为继，必须转变到创新驱动发展这条正确的道路上来。这正是互联网的特质，用所谓的互联网思维来求变、自我革命，也更能发挥创新的力量。五是开放生态。关于互联网+，生态是非常重要的特征，而生态的本身就是开放的。我们推进互联网+，其中一个重要的方向就是要把过去制约创新的环节化解掉，把孤岛式创新连接起来，让研发由人性决定的市场驱动，让创业并努力者有机会实现价值。六是连接一切。连接是有层次的，可连接性是有差异的，连接的价值是相差很大的，但是连接一切是互联网+的目标。互联网+在制造业中的应用

“互联网+工业”即传统制造业企业采用移动互联网、云计算、大数据、物联网等信息通信技术,改造原有产品及研发生产方式，与“工业互联网”、“工业4.0”的内涵一致。“移动互联网+工业”。借助移动互联网技术，传统制造厂商可以在汽车、家电、配饰等工业产品上增加网络软硬件模块，实现用户远程操控、数据自动采集分析等功能，极大地改善了工业产品的使用体验。“物联网+工业”。运用物联网技术，工业企业可以将机器等生产设施接入互联网，构建网络化物理设备系统（CPS），进而使各生产设备能够自动交换信息、触发动作和实施控制。物联网技术有助于加快生产制造实时数据信息的感知、传送和分析，加快生产资源的优化配置。“网络众包+工业”。在互联网的帮助下，企业通过自建或借助现有的“众包”平台，可以发布研发创意需求，广泛收集客户和外部人员的想法与智慧，大大扩展了创意来源。工业和信息化部信息中心搭建了“创客中国”创新创业服务平台，链接创客的创新能力与工业企业的创新需求，为企业开展网络众包提供了可靠的第三方平台。工业4.0工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。德国所谓的工业四代(Industry4.0)是指利用物联信息系统(Cyber—PhysicalSystem简称CPS)将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。工业4.0已经进入中德合作新时代，中德双方签署的《中德合作行动纲要》中，有关工业4.0合作的内容共有4条，第一条就明确提出工业生产的数字化就是“工业4.0”对于未来中德经济发展具有重大意义。双方认为，两国政府应为企业参与该进程提供政策支持。

“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)相结合的手段，将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分为三大主题：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者；三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。第二节机械制造装备的主要功能一般的功能要求；柔性化；精密化；自动化；机电一体化；节材；符合工业工程要求；符合绿色工程要求一、一般的功能要求1．加工精度方面的要求

加工精度是指加工后零件对理想尺寸、形状和位置的符合程度，一般包括尺寸精度、表面形状精度、相互位置精度和表面粗糙度等。满足加工精度方面的要求应是机械制造装备最基本的要求。影响机械制造装备加工精度的因素很多，与机械制造装备本身有关的因素有其几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速运动平稳性等。2．强度、刚度和抗振性方面的要求

为了提高加工效率，切削速度越来越高，切削力越来越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件的尺寸和重量，成为“傻、大、黑、粗”的产品。应利用新技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结构进行改进设计，在不增加或少增加重量的前提下，使装备的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。3．可靠性和加工稳定性方面的要求

机械制造装备在使用过程中，受到切削热、摩擦热、环境热等的影响，会产生热变形，影响加工性能的稳定性。对于自动化程度较高的机械制造装备，加工稳定性方面的要求尤为重要。提高加工稳定性的措施是减少发热量，散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。温升变形误差4．使用寿命方面的要求

机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很高的机械制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面综合考虑。从设计角度，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等。5．技术经济方面的要求

投入机械制造装备上的费用将分摊到产品成本中去。如产品产量很大，分摊到每个产品的费用较少。反之，产品的产量较少，甚至是单件，过大地在机械制造装备上投资，将大幅度地提高产品的成本，削弱产品的市场竞争力。因此不应盲目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投入，而应该进行仔细的技术经济分析，确定机械制造装备设计和选购方面的指导方针。二、柔性化

柔性化即产品结构柔性化和功能柔性化。

产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的、具有不同功能的新产品。

功能柔性化是指只需进行少量的调整或修改软件，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。这类加工装备投资极大，研制周期长，使用维护涉及的技术难度大，应通过认真的技术经济分析认为有利可图时才可考虑采用。

要实现机械制造装备的柔性化不一定非要采用柔性制造单元或系统。专用机床也可设计成具有一定的柔性。其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。调整方法如采用备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化和部分动作实现数控化等。二、柔性化三、精密化随着市场竞争的国际化，对产品技术性能的要求越来越苛刻，制造精度的要求越来越高。为提高产品的质量，许多工厂还不断地压缩工件制造的公差带，机械制造装备的精密化成为普遍发展的趋势，从微米级发展到亚微米级，乃至纳米级。采用误差补偿技术可提高机械制造装备自身的精度。误差补偿技术可以是机械式的，如采用的校正尺或校正凸轮等。较先进的是采用数字化技术，将误差的数学模型存人计算机。在加工时，算出将产生的综合误差，然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。精密数控车床及车削中心（源自装备制造业十二五规划）国内水平：定位精度0.015，重复定位精度0.0075，主轴径跳0.0008。国外可以达到定位精度≤0.003，重复定位精度≤0.0015，主轴径跳≤0.0002。目标：直径≤Φ500：定位精度0.003，重复定位精度0.0015，主轴径跳0.001；直径≥Φ500：定位精度0.005，重复定位精度0.0025，主轴径跳0.002。引起误差的因素有哪些？机械制造装备的热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺系统的弹性变形等。提高精度的措施？制造装备自身的精度+误差补偿（机械式、数字化技术）三、精密化四、自动化可以提高加工效率和劳动生产率，还可以提高产品质量的稳定性，改善劳动条件等。动化有全自动和半自动之分：全自动是指能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程；半自动则上下料需人工完成。凸轮控制是采用凸轮机构控制多个部件的运动，使之互相协调地工作，改变工作循环需更换或调整凸轮。程序控制指工作程序和定位尺寸可以根据不同的加工对象选择，但不能控制运动轨迹。程序控制可分为固定程序控制和可变程序控制。

数字控制除了可控制工作程序外，还可以控制运动轨迹，一般采用专门的数控装置。

适应控制能按事先给定的评价指标，在加工过程中根据实际工作条件(如材料硬度的变化，刀具磨损等)自动地改变加工系统的参数(如切削用量等)，使加工过程始终按照给定的评价指标进行。适应控制分约束适应控制、最佳适应控制和学习适应控制等。四、自动化五、机电一体化指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成的最佳技术系统。机电一体化系统和产品的结构通常是机械的，用传感器检测来自外界和机器内部运行状态的信息，由计算机进行处理，经控制系统由机械、液压、气动、电气、电子及它们的混合形式的执行系统进行操作，使系统能自动适应外界环境的变化，机器始终处于正常的工作状态系统功能强、质量好和故障率低、节能和节材、性能价格比高，具有足够的“结构柔性”的系统。六、符合工业工程要求工业工程是对由人、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和实施的一门学科。其目标是设计一个生产系统及其控制方法，在保证工人和最终用户健康和安全的条件下，以最低的成本生产出符合质量要求的产品。工业工程可以定量分析为主，研究整个大系统工作效率和成本的优化。产品设计符合工业工程的要求是指在产品开发阶段，充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳的工艺方案，选择最合理的制造设备，减少工时和材料的消耗；合理地进行机械制造装备的总体布局，优化操作步骤和方法，减少操作过程中工人的体力消耗；对市场和消费者进行调研，保证产品正确的质量标准，减少因质量标准订得过高造成不必要的超额工作量。六、符合工业工程要求七、符合绿色工程要求企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源来增加产出的错误做法，使经济发展更少地依赖地球上的有限资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。这就是所谓的绿色工程要求。按绿色工程要求设计的产品称绿色产品。绿色产品设计在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计要素，使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境的影响最小，资源效率最高。绿色产品设计考虑的内容很广泛，包括产品材料的选择应是无毒、无污染、易回收、可重用、易降解的；产品制造过程应充分考虑对环境的保护，资源回收，如废弃物的再生和处理，原材料的再循环，零部件的再利用等；产品的包装也应充分考虑选用资源丰富的包装材料，以及包装材料的回收利用及其对环境的影响等。原材料再循环的成本一般较高，应考虑经济上、结构上和工艺上的可行性。为了零部件的再利用，应通过改变材料、结构布局和零部件的连接方式等来实现产品拆卸的方便性和经济性。七、符合绿色工程要求互动问题（三）你知道的机械制造装备有哪些？第三节机械制造装备的分类一、加工装备二、工艺装备三、仓储输送装备四、辅助装备一、加工装备（一）金属切削机床（二）特种加工机床（电加工、超生加工、激光、电子束、离子束、水射流、快速成形）（三）锻压机床（锻造机、冲压机、挤压机、轧制机）互动问题（四）金属切削机床的定义是什么？金属切削机床（Metalcuttingmachinetools）是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机”（Machinetools），习惯上简称机床。二、工艺装备（一）刀具（二）模具（粉末冶金模具、塑料模具、压铸模具、冲压模具、锻造模具）（三）夹具（四）量具三、仓储输送装备1.仓储2.物料输送装置3.机床上下料装置四、辅助装备清洗装置排屑装置第四节机械制造装备设计的类型和设计方法一、创新设计二、变型设计三、模块化设计四、合理化工程一、创新设计（一）产品规划阶段（二）方案设计阶段（三）技术设计阶段（四）施工设计阶段（一）产品规划阶段1.需求分析2.调查研究3.预测4.可行性分析5.编制设计任务书（二）方案设计阶段1.对设计任务的抽象2.建立功能结构3.寻求原理解与求解方法4.初步设计方案的形成5.初步设计方案的评价与筛选（1）初步设计方案的初选（2）初步设计方案的具体化（3）对初步设计方案进行技术经济评价三）技术设计阶段1.确定结构原理方案2.总体设计（1）主要结构参数（2）总体布局（3）系统原理图（4）经济核算（5）其他3.结构设计（四）施工设计阶段1.零件图设计2.完善装配图3.商品化设计4.编制技术文档二、变型设计适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”。都是在原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保持不变.变型设计应在原有产品的基础上，按照一定的规律演变出各种不同的规格参数、布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能，形成一个产品系列。开展变型设计的依据是原有产品，它应属于技术成熟的“基型”产品。作为变型设计依据的原有产品，通常是采用创新设计方法完成的。(一)系列化设计的基本概念系列化设计方法是在设计的某一类产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型的产品为基型，以它为基础，设计出其它各种尺寸参数的产品，构成产品基型系列。在产品基型系列的基础上，派生出不同用途的变型产品，构成产品派生系列。编制反映基型系列和派生系列关系的产品系列型谱。系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化”“结构的典型化”即所谓的“四化”原则。系列化设计是产品设计合理化的一条途径，是提高产品质量、降低成本、开发变型产品的重要途径之一。(二)系列化设计的优缺点1)可以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2)系列产品是依据经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的，可以大大减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险，缩短产品的研制周期；3)产品有较高的结构相似性和零部件的通用性，可压缩工艺装备数量和种类，缩短产品的研制周期，降低生产成本；4)零备件的种类少，系列中的产品结构相似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量；5)为开展变型设计提供技术基础。系列化设计的缺点：为以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中选择所需的产品，选到的产品，一方面其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，另方面有些功能还可能冗余。（三）系列化设计的步骤1.主参数和主要性能指标的确定

系列化设计的第一步是确定产品的主参数和主要性能指标。2.参数分级3.制定系列型谱互动问题（一）什么是优先数系，采用优先数系有什么好处？优先数与优先数系是法国人charlesRenard在1877年首先提出的。当时载人升空的气球所使用的绳索尺寸由设计者随意规定，多达425种。雷诺根据单位长度不同直径绳索的重量级数来确定绳索的尺寸，按几何公比递增，每进5项使项值增大10倍，把绳索规格减少到17种。并在此基础上产生了优先数系的系列。后人为了纪念雷诺．格优先数系称为Rr数系。国家标准GB／T321—2005《优先数和优先数系》规定十进等比数列为优先数系，并规定了5个系列。分别用系列符号R5、R10、R20、R40和R80表示，称为Rr系列。其中前4个系列是常用的基本系列，而R80则作为补充系列，仅用于分组很细的特殊场合。协调简化统一数据传播路径依赖1435mm4英尺8英寸半1435mm4英尺8英寸半三、模块化设计组合设计又称模块化设计，是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”。组合产品是系列产品的进一步细化，组合产品中的模块也应按系列化设计的原理进行。

组合