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2020年9月25日星期五5时44分10秒,1,第三章 金属切削机床设计 第一节 概 述 金属切削机床 基础装备,科学技术的发展,对机床提出了新的要求,给机床设计和制造提供了新手段,2020年9月25日星期五5时44分10秒,2,一、机床设计应满足的基本要求 （一）工艺范围（加工功能） 加工方法 工件类型 加工表面形状、尺寸等 （二）柔性 指其适应加工对象变化的能力 空间上的柔性 功能柔性（多品种小批量） 时间上的柔性 结构柔性（新的机床功能）,工艺范围,2020年9月25日星期五5时44分10秒,3,（三）与物流系统的可亲性（accessibility） 静态刚度 （四）刚度 动态刚度 热态刚度,2020年9月25日星期五5时44分10秒,4,（五）精度 几何精度 空载条件下的精度 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 加工精度 （六）噪声,2020年9月25日星期五5时44分10秒,5,（七）生产率和自动化 （八）成本 （九）生产周期 （十）可靠性 （十一）造型与色彩,2020年9月25日星期五5时44分10秒,6,计算机辅助设计（CAD） 计算机辅助工程（CAE）,二、机床设计方法,计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑,的广泛应用,2020年9月25日星期五5时44分10秒,7,人工绘图 计算机绘图 传统的经验设计 现代设计 定性设计 定量设计 静态和线性分析 向动态和非线性分析 可行性设计 最佳设计,2020年9月25日星期五5时44分10秒,8,FMS的发展,数控技术的发展与应用，改变了机床的传动结构,“以机床为主的系统”设计,“以系统为主的机床设计”,2020年9月25日星期五5时44分10秒,9,通用机床,系列化设计方法,基型产品,其它产品,创新设计,变型设计,组合机床,组合设计类型,2020年9月25日星期五5时44分10秒,10,三、机床设计步骤,设计任务,机床主要技术指标设计,机床总体方案设计,总体方案设计,总体方案综合评价与选择,总体方案的设计修改（优化）,详细设计,机床整机综合评价,满足设计要求？,结束,N,Y,2020年9月25日星期五5时44分10秒,11,1主要技术指标设计,工艺范围 生产率 性能指标 主要参数 驱动方式 成本及生产周期,（一）总体设计,材料,质量,形状及尺寸,2020年9月25日星期五5时44分10秒,12,传动方式,传动原理图,传动系统图,尺寸参数,运动参数,动力参数,2总体方案设计,运动功能设计 基本参数设计 传动系统设计 总体结构布局设计 控制系统设计,个数,形式,功能,排列顺序,运动功能分配,总体布局结构形式,总体结构方案图,控制方式及控制原理,控制系统图,2020年9月25日星期五5时44分10秒,13,3总体方案综合评价与选择 4总体方案的设计修改或优化,2020年9月25日星期五5时44分10秒,14,（二）详细设计 （1）技术设计 包括确定结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。 （2）施工设计 包括零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。 （三）机床整机综合评价,2020年9月25日星期五5时44分10秒,15,第二节 金属切削机床设计的基本理论 一、精度 具有精度、保持精度,机床精度,几何精度,传动精度,运动精度,定位精度,精度保持性,普通精度级、精密级和高精度级,工作精度,空载精度,2020年9月25日星期五5时44分10秒,16,1几何精度 几何精度是指机床空载条件下，在不运动或低速运动时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,17,2运动精度 运动精度是指机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度。如高速回转主轴的回转精度。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,18,3传动精度 传动精度是指机床传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,19,4定位精度 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,20,5工作精度 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度,2020年9月25日星期五5时44分10秒,21,6精度保持性 在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度,2020年9月25日星期五5时44分10秒,22,二、刚度 （一）概述 机床刚度指机床系统抵抗变形的能力，通常用下式表示 KF/y 式中K机床刚度（Nm）； F 作用在机床上的载荷（N） y 在载荷作用下，机床或主要零、部件的变形,2020年9月25日星期五5时44分10秒,23,静载荷 静刚度 动载荷 动刚度,（二）整机刚度 整机在静载荷作用下抵抗变形的综合能力,各部件的刚度,结合部的刚度,优化,2020年9月25日星期五5时44分10秒,24,三、抗振性 交变载荷作用下，抵抗变形的能力。 （一）受迫振动 （二）自激振动（切削稳定性） （三）振动影响因素,（1）机床的刚度 （2）机床的阻尼特性 （3）机床系统固有频率,2020年9月25日星期五5时44分10秒,25,四、热变形 （一）概述 机床在工作时受到内部热源和外部热源的影响，使机床各部分温度发生变化。因不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形，使加工工件产生误差。最大可占全部误差的70左右。 热源：内部（电机、液压系统、摩擦、切削热等） 外部（环境温度、热辐射等） （二）热平衡的温度场,2020年9月25日星期五5时44分10秒,26,五、噪声 （一）概述 （二）噪声的度量指标 1客观度量 20lg p/p0 2噪声的主观度量,2020年9月25日星期五5时44分10秒,27,（三）机床噪声 1）机械噪声 2）液压噪声 3）电磁噪声 4）空气动力噪声,2020年9月25日星期五5时44分10秒,28,六、低速运动平稳性 （一）爬行现象和机理 （二）爬行的度量 （1）爬行量 用机床部件位移时间曲线表示 （2）速度波动量 用机床部件速度时间曲线表示 （3）爬行的临界速度 Vc=Ff/(2km)0.5 （三）消除爬行的措施,2020年9月25日星期五5时44分10秒,29,进给传动的力学模型,2020年9月25日星期五5时44分10秒,30,1）减小静、动摩擦系数之差； 2）提高传动机构的刚度； 3）提高阻尼比和降低移动件质量。,滚动摩擦 卸荷导轨、静压导轨 减摩材料 润滑,2020年9月25日星期五5时44分10秒,31,一、机床系列型谱的制定 国家根据机床的生产和使用情况，在调查研究的基础上，规定了每一种通用机床的主规格（主要参数）称为主参数系列，中型卧式车床的主参数是床身上工件最大回转直径，其系列为 250，320，400，500，630，800，1000 七种规格,第三节 金属切削机床总体设计,2020年9月25日星期五5时44分10秒,32,系列,表3-1 中型卧式车床的简略系列型谱表, 基型，变型,主参数系列,纵向,横向,型谱,2020年9月25日星期五5时44分10秒,33,二、机床的运动功能设计 （一）机床的工作原理 基本功能：是提供切削加工所必须的运动和动力。 基本工作原理：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，达到其精度要求。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,34,（二）工件表面的形成方法 1几何表面的形成原理 任何一个表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,35,2020年9月25日星期五5时44分10秒,36,2发生线的形成 工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。 （1）轨迹法（描述法） （2）成型法（仿形法） （3）相切法（旋切法） （4）范成法（滚切法）,2020年9月25日星期五5时44分10秒,37,1,n,需要刀具和工件之间有一个相对运动,轨迹法,f,2020年9月25日星期五5时44分10秒,38,1,n,不需要刀具和工件之间的相对运动,成型法,n,1,2020年9月25日星期五5时44分10秒,39,1,n,相切法,刀具和工件之间需要两个相对运动。,n2,n1,n2,n1,f,1,f,1,2,3,2020年9月25日星期五5时44分10秒,40,刀具和工件之间需要一个相对运动（范成运动）,范成法,1,2,f,n1,n2,2020年9月25日星期五5时44分10秒,41,3加工表面的形成方法 母线形成方法和导线形成方法的组合。 形成加工表面所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,42,表面成形运动,非表面成形运动,（三）运动分类,主运动,进给运动（纵、横、斜向）,1按运动的功能分类,切入运动,分度运动,辅助运动,控制运动,接近,退刀,返回,2020年9月25日星期五5时44分10秒,43,2按运动的关系分类,（1）独立运动 （2）复合运动,2020年9月25日星期五5时44分10秒,44,分析工艺范围；确定加工方法,（四）机床运动功能方案设计,1工艺分析,机床总体坐标系：直角坐标系,2选取坐标系,X，Y，Z,沿轴的直线运动及运动量,A，B，C,绕X，Y，Z轴的回转运动,绕X，Y，Z轴的回转运动量,2020年9月25日星期五5时44分10秒,45,l）局部坐标系固定在运动部件上； 2）运动方向与机床坐标系轴线平行时，取各局部坐标系与机床坐标系方向一致；也可以取运动方向为Zi 轴； 3）当有斜置式运动时，可混合选取 。,局部坐标系的选取,2020年9月25日星期五5时44分10秒,46,运动功能式表示机床的运动个数、形式、功能（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标p，f，a表示）及排列顺序。 左边写工件，用W表示；右边写刀具，用T表示，中间写运动，按运动顺序排列，并用“”分开。,3写出机床运动功能式,2020年9月25日星期五5时44分10秒,47,车床的运动功能式 WCp，Zf，XfT 三轴升降台式铣床的运动式 WXf，Yf，Zf，Cp/T,2020年9月25日星期五5时44分10秒,48,4画出机床运动功能图,2020年9月25日星期五5时44分10秒,49,车床,三轴升降台铣床,2020年9月25日星期五5时44分10秒,50,龙门刨床,2020年9月25日星期五5时44分10秒,51,外圆磨床,摇臂钻床,2020年9月25日星期五5时44分10秒,52,坐标镗床,2020年9月25日星期五5时44分10秒,53,2020年9月25日星期五5时44分10秒,54,5、 绘制机床传动原理图 传动原理图表示动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系,合成机构,传动比可变的变速传动,传动比不变的传动,2020年9月25日星期五5时44分10秒,55,车床传动原理图,滚齿机传动原理图,2020年9月25日星期五5时44分10秒,56,并联运动和串联运动,特点：精度高、刚度高、运动部件质量小、速度高,并联运动,虚拟串联运动,2020年9月25日星期五5时44分10秒,57,六个运动并联,三个运动并联,2020年9月25日星期五5时44分10秒,58,运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用“”符号表示。“”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“”接地符号后，可称为运动分配式。,三、机床总体结构方案设计,（一）运动功能分配设计,2020年9月25日星期五5时44分10秒,59,铣床的运动功能式 WXf，Zf，Yf，Cp/T，其运动分配式有： 1）W Xf，Zf，Yf，CpT； 2）WXf Zf，Yf，CpT； 3）WXf，Zf Yf，CpT； 4）WXf，Zf，Yf CpT。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,60,（二）结构布局设计 机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等； 其中基础支承件的形式又有底座式，立柱式，龙门式等； 基础支承件的结构又有一体式和分离式等等。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,61,2020年9月25日星期五5时44分10秒,62,（三）机床总体结构的概略形状与尺寸设计,1）首先确定末端执行件的概略形状与尺寸。 2）设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸。 3）根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程尺寸，确定下一个功能部件的概略形状与尺寸； 4）重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,63,5）若要进行机床结构模块设计、则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。 6）初步进行造型与色彩设计。 7）机床总体结构方案的综合评价。 8）机床总体结构方案设计修改与确定 。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,64,2020年9月25日星期五5时44分10秒,65,四、机床主要参数的设计,（一）主参数和尺寸参数 主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数，为了更完整地表示出机床的工作能力和 工作范围，有些机床还规定有第二主参数。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,66,通用机床主参数：国家标准，选用 专用机床的主参数：以零件或被加工面的尺寸参数来代表。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,67,尺寸参数：机床的主要结构尺寸参数 通常包括： 1）与被加工零件有关的尺寸 2）标准化工具或夹具的安装面尺寸,2020年9月25日星期五5时44分10秒,68,（二）运动参数 运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台、刀架）的运动速度。 1主运动参数 主运动为回转运动的机床主轴转速； 主运动为直线运动的机床如插、刨机床，主运动参数是插刀或刨刀每分钟往复次数（次分）。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,69,专用机床和组合机床：通常主轴只须一种固定转速 n=1000v/d 式中 n主轴转速（rmin）； v切削速度（mmin）； d工件或刀具直径（mm）。 通用机床：主轴具有多转速。 确定变速范围 设计时应考虑 确定变速方式（无级变速和有级变速 ） 确定有级变速的级数,2020年9月25日星期五5时44分10秒,70,（1）最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定,D机床能加工的最大直径（mm）； K系数； Rd计算直径范围。0.20.25,2020年9月25日星期五5时44分10秒,71,例：确定400mm卧式车床主轴的最高、最低转速。 （采用硬质合金车刀半精车小直径外圆时转速最高） （采用高速钢车刀精车合金钢材料的梯形螺纹时转速最低）,2020年9月25日星期五5时44分10秒,72,（2）主轴转速的合理排列 机床主轴转速是按等比级数排列，其公比用符号表示。则转速数列为:,转速呈等比级数排列的原因： 转速相对损失均匀； 设计简单方便。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,73,相对转速损失率： 最大损失率： 若： 则：,2020年9月25日星期五5时44分10秒,74, 因此，转速分配如下： 最大相对损失率 变速范围,2020年9月25日星期五5时44分10秒,75,（3）标准公比值和标准转速数列 标准公比的确定依据如下原则： 1 2 我国机床专业GC58-60规定了7个标准公比： 1.06, 1.12, 1.26, 1.41, 1.58, 1.78, 2 注：在设计其他机械时也常常采用这个标准； 当机械的变速级数过多时，往往采用两个以上公比。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,76,2020年9月25日星期五5时44分10秒,77,（4）公比的选用 对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复 杂，一般取1.26或1.41； 对于大批，大量生产用的专用机床，专门化机床及自动机 一般取1.12或1.26，因其生产率高，转速损失影响较大， 且又不经常变速，可用交换齿轮变速， 非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速 损失大些影响不大，故可取1.58、1.78甚至2。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,78,表3-3 标准数列,2020年9月25日星期五5时44分10秒,79,（5）变速范围Rn，公比和级数Z的关系 由等比级数规律可知,两边取对数,注意：a) 计算出的公比应该圆整为标准值; b) 级数应该圆整为整数。同时修正Rn,2020年9月25日星期五5时44分10秒,80,例：有一台机床，主轴共有12级转速，分别为：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400。公比为=1.41，则最大相对转速损失率为：,变速范围：,2020年9月25日星期五5时44分10秒,81,例：设计一台机床，nmin=12.5r/min，nmax=2000r/min， =1.26。查表确定各级转速。 查表3-3找到最低转速12.5 因为：1.26=1.064 所以：每隔3个数取一个数得到下面数列,12.5, 16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000,2020年9月25日星期五5时44分10秒,82,2进给量的确定 数控机床 无级变速 无级变速 普通机床 等比级数（加工外圆、端面） 有级变速 （普通车床加工螺纹） 等差数列 （螺纹车床） （刨床、插床等棘轮 机构进给机床）,2020年9月25日星期五5时44分10秒,83,3变速形式与驱动方式选择 无级变速 变速形式 有级变速 有级变速+无级变速 电动机驱动 独立驱动方式 驱动方式 集中驱动方式 液压驱动 联合驱动方式,2020年9月25日星期五5时44分10秒,84,（三）动力参数 电动机的功率或扭矩 1、主电动机功率的确定 P主=P切+P空+P辅 式中 P切切削功率（有效功率）（kW）； P空空载功率（kW）； P辅摩擦损耗功率（kW）。,（1）切削功率,2020年9月25日星期五5时44分10秒,85,（2）空载功率,（3）摩擦损耗功率,则,2020年9月25日星期五5时44分10秒,86,主电机功率的估算：,2020年9月25日星期五5时44分10秒,87,2进给驱动电动机功率的确定 机床进给运动驱动源可分成如下几种情况： 1）进给运动与主运动合用一个电动机，如卧式车床、 钻床等。进给运动消耗的功率远小于主传动 2）进给运动中工作进给与快速进给合用一个电动机 时，由于快速进给所需功率远大于工作进给的功 率，且二者不同时工作，所以不必单独考虑工作 进给所需功率。 3）进给运动采用单独电动机驱动，则需要确定进给 运动所需功率（或扭矩）。,2020年9月25日星期五5时44分10秒,88,3快速运动电动机功率的确定 快速运动电动机启动时消耗的功率最大， 要同时克服移动件的惯性力和摩擦力 P快= P惯+P摩,2020年9月25日星期五5时44分10秒,89,2020年9月25日星期五5时44分10秒,90,
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