机械制造装备设计第22讲

第二章 金属切削机床设计第二章第二章 金属切削机床设计金属切削机床设计 第一节第一节 概述概述第二节第二节 金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论第三节第三节 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计返回主返回主页页退出退出上一页上一页下一页下一页第二章 金属切削机床设计2.1 2.1 概述概述一、机床设计应满足的基本要求一、机床设计应满足的基本要求二、机床设计方法二、机床设计方法三、机床设计步骤三、机床设计步骤上一页上一页下一页下一页退出退出返回主返回主页页返回本章返回本章第二章 金属切削机床设计（一）工艺范围（一）工艺范围 （二）柔性（二）柔性（三）与物流系统的可亲性（三）与物流系统的可亲性 （四）刚度（四）刚度（五）精度（五）精度 （六）噪声（六）噪声（七）生产率和自动化（七）生产率和自动化 （八）成本（八）成本（九）生产周期（九）生产周期 （十）可靠性（十）可靠性（十一）造型与色彩（十一）造型与色彩 （十二）设计方法（十二）设计方法退出退出返回本节返回本节机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求返回主页返回主页下一页下一页第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节机床设计方法机床设计方法返回主页返回主页下一页下一页 （一）（一）机床设计机床设计正在向着“以系统为主的机床设计”方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流的可亲性等等。（二）机床设计方法是（二）机床设计方法是根据其设计类型而定。通用机床采用系列化设计方法。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变形设计类型。有些类型，如组合机床属组合设计类型。（三）（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。分析式设计或创成式设计。第二章 金属切削机床设计 （二）总体设计（二）总体设计退出退出返回本节返回本节机床设计内容及步骤机床设计内容及步骤返回主页返回主页进入下一节进入下一节 （三）（三） 结构设计结构设计 （一）确定结构原理方案（一）确定结构原理方案（六）（六） 定型设计定型设计（五）机床整机综合评价（五）机床整机综合评价 （四）工艺设计（四）工艺设计 创新设计方法创新设计方法模块化设计方法模块化设计方法虚拟样机虚拟样机实物样机实物样机 第二章 金属切削机床设计2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论（一）（一）上一页上一页下一页下一页退出退出返回主返回主页页机床的运动学原理机床的运动学原理机床运动学是研究、分析和实现机床期望机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置的加工功能所需要的运动功能配置返回本章返回本章第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页金属切削机床的基本功能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：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。工件表面的形成方法工件表面的形成方法机床运动功能方案设计机床运动功能方案设计2.2.2 机床的运动功能设计机床的运动功能设计几何表面的形成原理图示几何表面的形成原理图示12a) 平面平面12b) 圆柱面圆柱面12c) 平面平面12d) 圆锥面圆锥面1母线母线2导线导线发生线的形成图示发生线的形成图示1fnn1.fn1n21a)c)b)fn1n2fd)e)a)点刃车刀车外圆柱面点刃车刀车外圆柱面 b)宽刃车刀车外圆柱面宽刃车刀车外圆柱面 c)砂轮磨外圆柱面砂轮磨外圆柱面 d)盘铣刀铣外圆柱面盘铣刀铣外圆柱面 e)滚齿加工滚齿加工第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页几何表面的形成原理图示几何表面的形成原理图示发生线的形成图示发生线的形成图示发生线的形成：发生线的形成：1）轨迹法（描述法）轨迹法（描述法） 2）成型法（仿形法）成型法（仿形法） 3）相切法（旋切法）相切法（旋切法） 4）范成法（滚切法）范成法（滚切法） 机床坐标系的规定机床坐标系的规定u标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。u为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。 u例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。 2.3.2 机床运动功能方案设计机床运动功能方案设计 机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。+ Z+ Y+ Z+ C+ X+ Y+ B+ X+ A+ A 、 + B或+ C+ X 、 + Y 或 + Z机床的坐标轴与运动方向机床的坐标轴与运动方向机床各坐标轴及其正方向的确定原则是： (1) 先确定Z轴。以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴，若有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴，Z坐标则平行于该主轴轴线。若没有主轴，则规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。如立式铣床，主轴箱的上、下或主轴本身的上、下即可定为Z轴，且是向上为正；若主轴不能上下动作，则工作台的上、下便为Z轴，此时工作台向下运动的方向定为正向。机床的坐标轴与运动方向机床的坐标轴与运动方向 (2) 再确定X轴。X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。在工件旋转的机床(如车床、外圆磨床)上，X轴的运动方向是径向的，与横向导轨平行。刀具离开工件旋转中心的方向是正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平(如卧式铣床、镗床)，则沿刀具主轴后端向工件方向看，右手平伸出方向为X轴正向，若Z轴为垂直(如立式铣、镗床，钻床)，则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出方向为X轴正向。机床的坐标轴与运动方向机床的坐标轴与运动方向 (3) 最后确定Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。机床坐标系示例(a) 卧式车床；(b) 立式铣床YZZXXZXXZXZXZY(a)(b)机床的坐标轴与运动方向机床的坐标轴与运动方向c车床坐标系车床坐标系+X+X铣床坐标系铣床坐标系镗铣床坐标系镗铣床坐标系 上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。但在实际机床加工时，有很多都是刀具相对不动，而工件相对于刀具移动实现进给运动的情况。此时，应在各轴字母后加上“”表示工件运动坐标系。按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X = X +Y = Y +Z = Z +A = A +B =B +C=C 此外，如果在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其他轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R，如图所示。绕X、Y轴的 辅助回转轴用D、E等表示，与机床基准坐标系坐标方向不平行的斜置运动轴坐标系用加“”表示，如沿斜置坐标系的Z轴运动用 Z 表示。多轴机床坐标系示例(a) 卧式镗铣床；(b) 六轴加工中心+ XB+ X + W+ Z+ Y+ YB+ ZC+ X+ WYZWXBXZWBYXC(a)(b)机床的坐标轴与运动方向机床的坐标轴与运动方向第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页运动功能图形符号运动功能图形符号a)回转运动回转运动b)直线运动直线运动ZfBaYaCpCfW/CfYaZfBaCp/T机床运动功能式与机床运动原理图机床运动功能式与机床运动原理图运动功能分配设计运动功能分配设计 确定运动功能式中确定运动功能式中“接地接地”的位置，用符号的位置，用符号“”表示表示运动功能式左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完运动功能式左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成，称为运动分配式。成，称为运动分配式。传动原理图传动原理图 为了便于研究机床的传动原理为了便于研究机床的传动原理, , 用一些简明的符号把用一些简明的符号把动力源、执行件之间的传动联系表示出来的示意图。动力源、执行件之间的传动联系表示出来的示意图。 并不表达实际传动机构的种类和数量。机床运动功能分配与机床传动原理图机床运动功能分配与机床传动原理图 第二章 金属切削机床设计2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论（二）（二）（三）（三）（四）（四）上一页上一页下一页下一页退出退出返回主返回主页页（五）（五）（六）（六）3、1、6、5、2、4、精度精度运动精度运动精度传动精度传动精度定位精度定位精度工作精度工作精度几何精度几何精度精度保持性精度保持性刚度刚度抗振性抗振性热变形热变形噪声噪声返回本章返回本章第二章 金属切削机床设计2.3 2.3 金属切削机床总体设计金属切削机床总体设计 一、机床系列型谱的制定一、机床系列型谱的制定二、机床的运动功能设置二、机床的运动功能设置三、机床总体结构方案设计三、机床总体结构方案设计上一页上一页下一页下一页退出退出返回主返回主页页四、机床主要参数的设计四、机床主要参数的设计返回本章返回本章第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节2.3.1 机床系列型谱的制定机床系列型谱的制定返回主页返回主页下一页下一页中型卧式机床的简略系列型谱表中型卧式机床的简略系列型谱表 型式型式最大最大工件直径工件直径/mm万万 能能式式马马鞍鞍式式提提高高精精度度无无丝丝杠杠式式卡卡盘盘式式球球面面加加工工端端面面车车床床2503204005006308001000注：注： 基型，基型， 变型变型1.工艺分析工艺分析2.选取坐标系选取坐标系2.写出机床运动功能式写出机床运动功能式4.画出机床运动原理图画出机床运动原理图(例：滚齿机）例：滚齿机）5.绘制机床传动原理绘制机床传动原理图图第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页运动功能图形符号运动功能图形符号a)回转运动回转运动b)直线运动直线运动ZfBaYaCpCfW/CfYaZfBaCp/T2.3.2 机床运动功能设置机床运动功能设置 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页（一）运动功能分配设计（一）运动功能分配设计（二）结构布局设计：（二）结构布局设计：立式、卧式、斜置式2.3.3 机床总体结构方案设计机床总体结构方案设计 （三）机床总体结构的概略形状与尺寸设计（三）机床总体结构的概略形状与尺寸设计设计的主要依据是：设计的主要依据是：机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果，机床动力参数及加工空间尺寸参数，以及机床整机的刚度及精度分配。评价的主要因素有：评价的主要因素有：1）性能 2）制造成本 3）制造周期 4）生产率 5）与物流的可亲性 6）外观造型 7）机床总体结构方案设计修改与确定 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页（一）主参数和尺寸参数（一）主参数和尺寸参数2.3.4 机床主要参数的设计机床主要参数的设计 机床的主要技术参数包括机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。机床主参数机床主参数: :代表机床规格大小既反映机床最大工作能力的一种参数，有些机床还规定有第二主参数。l机床尺寸参数的确定，主要是确定影响机床加工性能的一些尺寸。其中包括机床的主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数。第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页下一页下一页（二）运动参数（二）运动参数 运动参数：运动参数：机床执行件如主轴、工作安装部件（工作台、刀架）的运动速度。主运动参数主运动参数：(1) 最低（nmin）和最高（nmax)转速的确定(2)主轴转速数列呈等比级数规律分布，转数范围内 的转数相对均匀损失率为： A= (n-nj)/n产生的最大转速相对损失为：A=(nj+1-nj)/ nj+1=1 - nj/nj+1 1000vnd四、公比的选用四、公比的选用 当确定了最高与最低转速以后，就应选取公比当确定了最高与最低转速以后，就应选取公比。从使用性能。从使用性能方面考虑，公比最好选得小一些，以便减少相对转速损失。但公比方面考虑，公比最好选得小一些，以便减少相对转速损失。但公比越小，级数就越多，将使机床的结构复杂。越小，级数就越多，将使机床的结构复杂。对于一般生产率要求较高的普通机床，减少相对转速损失是主要对于一般生产率要求较高的普通机床，减少相对转速损失是主要的，所以公比取得较小，如的，所以公比取得较小，如=1.26 或或1.41等。等。有些小型机床希望简化构造，公比有些小型机床希望简化构造，公比可取得大些，如可取得大些，如1.58或或=2等。等。对于自动机床，减少相对转速损失率的要求更高，常取对于自动机床，减少相对转速损失率的要求更高，常取1.12 或或1.26。由于自动机床都是用于成批或大量生产，变速时间分摊到每一工由于自动机床都是用于成批或大量生产，变速时间分摊到每一工件，与加工时间相比是很小的，因此采用交换齿轮变速，既满足了件，与加工时间相比是很小的，因此采用交换齿轮变速，既满足了相对转速损失小的要求又简化了构造。相对转速损失小的要求又简化了构造。 第二章 金属切削机床设计退出退出返回本节返回本节返回主页返回主页进入下一节进入下一节2.3.4 机床主要参数的设计机床主要参数的设计 （三）动力参数（三）动力参数 （1）主电动机功率的确定 （2）进给驱动电动机功率的确定 （3）快速运动电动机功率的确定金属切削机床实例课外资料金属切削机床实例课外资料一、一、主运动功率的确定主运动功率的确定u机床主运动的功率，包括机床主运动的功率，包括切削功率切削功率、空转功率损失空转功率损失和和附加附加机械摩擦损失机械摩擦损失三部分。三部分。切削功率的确定：进行切削加工时，要消耗切削功率切削功率的确定：进行切削加工时，要消耗切削功率P切。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。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。切削条件来确定。附加机械摩擦损失功率的确定：机床在切削时，齿轮、轴附加机械摩擦损失功率的确定：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空多空多出来的那部分功率损耗，称为附加机械摩擦损失功率出来的那部分功率损耗，称为附加机械摩擦损失功率P机。切机。切削功率越大，这部分损失也越大。削功率越大，这部分损失也越大。综上所述，主电动机功率（综上所述，主电动机功率（kw）为：）为： 式中式中l、2、3 主运动链中各传动副的机械效率。主运动链中各传动副的机械效率。pppppp切切主空空机机1 2 3机)11kwPPPPP）（机切切机切机辅主运动电机功率的计算：主运动电机功率的计算：)kwPPPP（主运动电动机功率为床切空机切主)kwKPP（为主运动电动机额定功率主额定返回主页返回主页