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机床总体设计 机床设计内容 概述机床总体设计主传动系设计进给传动系设计主轴部件设计进给传动部件设计支承件设计导轨设计 2 63 第一节概述 金属切削机床 是机械制造的基础装备 现代金属切削机床 凝聚了当代科技的成果 集精密机械制造技术 计算机技术 自动控制技术 光电子技术和管理技术于一身 机床也象一般机电装备一样 要完成一定的功能作业 如形成加工对象的一定表面形状 但与一般机电装备具有显著不同的方面 对作业有极高的质量要求 即必须保证加工对象的精度和表面质量 3 63 第一节概述 机床设计 大量的采用数字化设计方法和手段 发展趋势 从传统的经验设计方法向定量设计与实验研究相结合由静态设计向动态设计由几何实体设计 静态分析向动态仿真 由可行性设计向最佳化设计方向发展 4 63 第一节概述 一 机床设计的基本要求 二 机床设计步骤 5 63 一 机床设计的基本要求 1 工艺范围 指机床上完成的加工方法 适应的工件类型 可加工表面形状 尺寸范围 材料及毛坯种类等 主要反映机床的加工功能 根据工艺范围分为 通用机床 专门化机床和专用机床三大类 机床的功能越多 适应的范围就越广 结构越复杂 要考虑的因素越多 技术难度就越大 数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更广 满足不同批量生产要求的机床 其设计的思路有所不同 6 63 一 机床设计的基本要求 2 精度 保证被加工零件达到的尺寸精度和表面粗糙度要求 并能在机床长期使用中得以保持 加工精度和表面粗糙度取决于机床 刀具 夹具 切削条件和操作者等方面的因素 机床本身必须具备的精度称为机床精度 机床按精度分为 普通精度级 精密级 M 高精度级 G 国家对各种类型机床的三种等级精度 规定了相关精度标准 若以普通精度级允许误差单位为1 三种等级精度的比例大致为 1 0 4 0 25 7 63 一 机床设计的基本要求 2 精度 机床的精度指标包括 1 几何精度指最终影响机床工作精度的主要零部件及其相互间的尺寸精度 形状精度和位置精度 如主轴前端内孔的尺寸和形状精度 导轨的直线度 主轴与其它部件间的平行度和垂直度等 几何精度是机床在空载条件下 在静止或低速状态中测量 主要反映机床的制造装配质量是否达到设计时制定的标准 8 63 一 机床设计的基本要求 2 精度 2 运动精度指机床主要零部件在工作速度下 无负载运行时的精度 如主轴的回转精度 直线运动的均匀性等 与零部件的设计 制造和装配质量有关 3 传动精度指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性 反映了传动链设计合理性 制造和装配质量 9 63 一 机床设计的基本要求 2 精度 4 定位精度指机床执行件到达指定位置的准确程度 直接影响了加工零件的尺寸精度 形状精度和位置精度 与传动精度 刚度 控制系统的动态特性和测量系统的精度有关 5 重复定位精度指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 6 工作精度对规定的试件 用规定的条件加工所达到的精度 是机床精度的综合反映 包括机床的刚度 抗振性及热稳定性等 10 63 一 机床设计的基本要求 2 精度 7 精度保持性指机床在工作中长期保持其原始精度的能力 一般以机床关键零部件 如主轴 导轨等 的首次大修期来决定 主要取决于机床关键零部件的耐磨性 内应力引起的永久变形程度和机床使用的保养 11 63 一 机床设计的基本要求 3 机床的生产率 指机床在单位时间内所能加工的零件数量 即 式中t 单个零件的平均加工时间 t1 单个工件的切削加工时间 t2 单个工件加工过程的辅助时间 t3 加工一批零件的准备和终结时间 n 一批零件的数量 对于机床方面 影响生产率的有机床的布局 刚度 功率 运动参数和自动化程度等 12 63 一 机床设计的基本要求 4 机床的性能 机床在加工过程的静态力 动态力 温度变化 将引起机床的变形 振动 噪声等 机床的性能就指抵抗上述现象的能力 1 传动效率用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力 可用下式表示 P Pm Pm P0 Pm 1 P0 Pm 式中 机床传动效率 P 机床输出功率 Pm 电动机输出功率 P0 机床空载功率 13 63 一 机床设计的基本要求 4 机床的性能 1 传动效率 机床功率损失引起摩擦热 造成运动副的磨损和机床的热变形 对于普通机床 主轴最高转速时的机床空载功率不应超过主电动机功率的三分之一 机床的传动效率与传动链的长短 传动速度 摩擦阻力大小 传动件的动平衡等因素有关 14 63 一 机床设计的基本要求 4 机床的性能 2 刚度 指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能力 在载荷的作用下 刀具与工件的相对位置发生改变 影响加工精度 机床的静刚度是动刚度的基础 影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度 部件间的连接刚度和接触面的接触刚度 局部的薄弱环节对整机的刚度影响极大 15 63 一 机床设计的基本要求 4 机床的性能 3 抗振能力 指抵抗受迫振动和自激振动的能力 振动影响加工质量 降低刀具耐用度 生产率降低 加剧机床磨损 引起噪声 提高抗振能力的措施如下 提高机床的刚度 提高固有频率 改善阻尼性能 改善运动件的动平衡状况 16 63 一 机床设计的基本要求 4 机床的性能 4 噪声 金属切削机床噪声测量标准规定 普通精度机床噪声不大于85dB A 精密机床噪声不大于75dB A 机床的噪声来源主要有 机械噪声 液压气动噪声 电磁噪声和空气动力噪声 5 热变形热变形不仅影响加工精度 也改变了相对运动副的间隙 润滑状态 6 可靠性 17 63 一 机床设计的基本要求 5 自动化程度 6 宜人性 造型与色彩 操作省力 方便 保养 维护容易 18 63 一 机床设计的基本要求 7 成本 机床的成本由以下部分构成 设备的购买成本 使用中的安装 动力消耗 操作 维修等成本 报废成本 在设计时 应使机床的金属消耗量小 结构工艺性好 机床的金属消耗量M的指标为 M G N 式中G 机床重量 N 机床主传动功率 机床的结构工艺性包括制造 装配和维修的工艺性 19 63 第一节概述 一 机床设计的基本要求 二 机床设计步骤 20 63 二 机床设计步骤 1 确定结构原理方案 1 用途 工艺范围 加工对象的类型 批量等 2 生产率 3 性能指标 5 驱动方式 指选择电动机或液压驱动方式 6 结构原理 7 成本及制造周期 4 主要参数 指机床的加工空间和主参数 21 63 二 机床设计步骤 2 总体设计 1 运动功能设计主要有机床所需运动的数量 形式 功能等 2 基本参数设计包括尺寸参数 运动参数和动力参数 4 传动系统方案设计如传动方式 传动原理图 传动系统图等 5 控制系统方案设计包括控制方式 控制原理和控制总体方案 3 总体结构布局设计包括运动功能分配 总体布局和总体结构方案 6 总体方案论证 确定和修改 22 63 二 机床设计步骤 3 详细技术设计 1 技术设计包括结构方案 设计计算 装配图设计 2 施工设计包括零件图设计和计算 编制技术文档等 对机床的功能 性能 工艺性 经济性等进行评价 4 机床整机综合评价 23 63 第二节机床总体设计 不同类型的的机床 总体方案设计的侧重点有所不同 对于专用机床 侧重于工件分析和工艺分析 对于通用机床 侧重于同类型机床的调查 分析 改型和科技成果的应用 以及机床品种的系列化 零部件的通用化和标准化 24 63 第二节机床总体设计 一 型谱制定 二 几何运动设计 三 总体结构方案设计 一 型谱制定 25 63 一 型谱制定 我国对金属切削机床分为11大类 每类机床又分别分为10组 每组分为10系 首先对用途最广 需求量最大的某类组机床 将其主参数规格化 作为该类组机床的 基形系列 在此基础上 根据各类用户的需要 派生出若干变形系列 形成 变形系列 并将各种机床精度等级化 型谱制定即完成某类种机床的 基形系列 变形系列 及其精度等级化的工作 中型卧式车床简略系列型谱中 以普通卧式车床为基型 派生出马鞍式等车床 基型和变型都有主参数系列 在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性 26 63 第二节机床总体设计 一 型谱制定 二 几何运动设计 三 总体结构方案设计 27 63 二 几何运动设计 1 几何表面的形成 1 组成零件结构的基本形状表面 基本形状表面有 平面 圆柱面 圆锥面 各种成形面 螺旋面 渐开线表面 回转曲面等 28 63 二 几何运动设计 1 几何表面的形成 2 成形表面的发生线 任何一种线性表面 由一根母线沿着导线运动而形成 平面 由一直线 母线 沿着另一根直线 导线 运动形成 圆柱 圆锥面 是由一根直线 母线 沿着一个圆 导线 运动形成 普通螺纹的螺旋面 由 V 形线 母线 沿螺旋线 导线 运动形成 直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面 渐开线 母线 沿直线 导线 运动形成 29 63 二 几何运动设计 2 形成发生线的方法与运动 1 轨迹法 理论上将切削刃与工件视为点接触 切削刃沿着发生线作轨迹运动 采用轨迹法形成一条发生线 需要一个独立的运动 30 63 二 几何运动设计 2 形成发生线的方法与运动 2 成形法 切削刃为与发生线完全吻合的切削线 不需任何运动 可获得所需发生线 发生线的形状完全取决于切削刃的形状 31 63 二 几何运动设计 2 形成发生线的方法与运动 3 相切法 刀具作旋转运动 刀具运动轨迹的包络线形成发生线 形成一条发生线需要两个独立运动 两个运动之间没有内在的运动联系 注意 刀具回转中心的运动轨迹与发生线 A2 一般不相同 32 63 二 几何运动设计 2 形成发生线的方法与运动 4 范成法 又称展成法 切削刃是发生线共轭的切削线 刀具与工件作相对运动时所形成的包络线 即所需的发生线 范成法需要2个运动 两个运动之间必须保持严格运动关系 不能独立 共同组成一个复合的运动 33 63 二 几何运动设计 3 机床运动的分类 1 表面成形运动 直接形成被加工零件表面的运动 称之为表面成形运动 简称成形运动 1 主运动 切除工件上的被切削层 使之转变为切屑的主要运动 主运动的转速高 消耗的功率大 运动形式有 1 旋转运动 单位 r min 如车床主轴 磨床的砂轮主轴 钻床和镗主轴 2 往复直线运动 单位 往复行程次数 min 如牛头刨床的滑枕 龙门刨床的工作台 34 63 二 几何运动设计 3 机床运动的分类 1 表面成形运动 2 进给运动 不断把被切削层投入切削 逐渐切出整个工件表面运动 进给运动的速度较低 消耗的功率也较小 运动形式有 直线进给运动A 连续进给运动 单位 mm min 铣床 钻床 mm r 车床 B 间歇进给运动 单位 mm 往复一次 刨床 插床 纵磨削外圆时的砂轮架进给 C 往复进给运动 单位 mm min 磨床工作台 D 圆周进给运动 单位 mm min 外圆磨削工件旋转 插齿加工的圆周进给 35 63 二 几何运动设计 3 机床运动的分类 1 表面成形运动 如车外圆 也可以刀具不动 工件作旋转 直线运动 或刀具作旋转运动 工件作直线运动 或工件不动 刀具作旋转和直线运动 任何一种机床 必定有主运动 进给运动可能有一个或几个 也可能没有 如拉床只有主运动 相同的成形表面 表面成形运动在刀具和工件之间的分配可不相同 36 63 二 几何运动设计 3 机床运动的分类 2 辅助运动 1 切入运动刀具切入工件一定深度 以保证工件达到要求的尺寸 2 分度运动如 铣齿轮的分度 多工位工作台 刀架转位或移位 3 调位运动加工开始前调整机床有关部件位置 保证刀具和工件之间的正确相对位置 加工开始前调整机床有关部件的位置 保证刀具和工件之间的正确相对位置 37 63 二 几何运动设计 4 运动功能方案设计 3 运动分配 2 有利于提高加工精度 对于一般钻孔加工 主运动和进给运动均由刀具完成 钻深孔时 为了提高加工孔的位置精度 由工件作旋转主运动 38 63 二 几何运动设计 4 运动功能方案设计 3 运动分配 4 保证机床刚度 立式铣削加工 为了减小机床的重量和体积 一般中小型立式铣床 为工作台升降进给运动 但刚度不好 数控铣床 立式加工中心和大型立式铣床 采取床身固定 改由刀具作垂直进给运动 39 63 二 几何运动设计 4 运动功能方案设计 4 绘制机床传动原理图 机床传动原理图确定了各传动链的基本传动方案 数控机床可以不设计传动原理图 40 63 二 几何运动设计 4 运动功能方案设计 5 新型并联运动机床 1 并联原理 两个并行运动的直线移动副1 2 可替代图b 的串联运动副1 2 直线移动副1 2只受拉或压力 而串联运动副1 受扭矩 2 受拉压和弯矩 用直线移动副1 2 模拟串联运动副1 2 的直线移动和转动 故称为并联运动 又称为虚拟轴运动 41 63 二 几何运动设计 4 运动功能方案设计 5 新型并联运动原理 2 并联运动机床的特点 构件只受拉或压力作用 其结构体积小 运动部件质量小 整机多为封闭结构 刚度高 运动速度快 精度高 机床结构简单 算法复杂 对控制系统要求高 右上图分别为3运动并联和6运动并联原理的示意图 42 63 第二节机床总体设计 一 型谱制定 二 几何运动设计 三 总体结构方案设计 43 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 1 典型的布局方式 1 一字形 形 结构 基础支承件为床身 或床身底座的组合 即卧式机床 2 柱形 形 结构 主要支承件件为床身与立柱 或底座与立柱组合 即立式机床 44 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 1 典型的布局方式 3 倒T形 形 结构 主要支承件为床身与立柱的组合 为复合式机床 4 槽形 形 结构 支承件为床身 或底座 立柱 横臂组合 为单臂式机床 45 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 1 典型的布局方式 5 框形 形 结构 支承件由床身 横梁和双立柱组合 形成封闭的框形结构 为龙门式机床 46 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 2 影响机床总体布局的主要因素 1 工件的特征要求 工件的形状 尺寸和重量对机床的总体布局有重要影响 例如在车床中 中小型车床采取卧式布局 直径较大但重量不大的盘形或环形工件 采用落地式布局 重量较重的盘类或短套类工件 采用立式车床布局 其中工件直径D 1600mm的车床为单立柱布局 工件直径D 2000mm的车床为双立柱布局 立式车床占地面积小 但不适用于轴向尺寸较大的工件加工 否则重心较高 容易振动 不便操作 47 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 2 影响机床总体布局的主要因素 2 机床性能要求 为了提高加工精度 在总体布局上采取缩短传动链 改善受力状况 提高刚度 减少振动和热变形的影响 如丝杠车床 取消进给箱 用挂轮调整车螺纹进给传动要求 丝杠处于两导轨之间 减少传动的扭矩 为了提高刚度 数控车床采取倾斜床身的布局 龙门刨床 龙门铣床和坐标镗床采取封闭的框架结构 为了减少对主轴回转精度的影响 精密车床主运动采取分离式传动结构 48 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 2 影响机床总体布局的主要因素 3 生产批量的要求 单件小批生产采用单刀加工 对于成批生产的车床 用转塔刀架或多刀半自动结构 大批量生产的车床 采用多主轴自动机床的布局 49 63 三 总体结构方案设计 1 结构布局方案 2 影响机床总体布局的主要因素 4 宜人性要求 普通车床卧式布局 便于操作和观察 钻床为立式布局 也是为了便于操作和观察 数控车床为倾斜床身布局 既方便操作 也便于排屑 大型或重型机床采用落地式布局或将基础件落入到地坑中 便于装卸工件和操作 50 63 三 总体结构方案设计 2 总体结构草图设计 总体结构草图又称机床的联系尺寸图 表示了机床的基本布局方案 主要部件的轮廓尺寸 部件间的相互位置和运动行程等 设计过程如下 1 根据主参数确定各执行件的外轮廓尺寸及相对初始位置 要注意装卸工件高度对其影响 2 确定各执行件的运动空间 或行程 3 确定与执行件相连接部分的轮廓尺寸 如按导向精度和刚度要求确定导轨的截面形状与轮廓尺寸 4 初步确定与执行件相关的支承件轮廓尺寸 51 63 三 总体结构方案设计 2 总体结构草图设计 5 确定其它支承件的轮廓尺寸 注意传动装置 电气系统 液压气动系统 冷却润滑 排屑 防护罩 操作 维护 搬运等的影响 6 进行目标评价及修改 如结构模块化 造型比例 总体刚度和精度 标准化程度等 并进行初步的色彩设计 7 完成联系尺寸图设计 划分部件及编号 8 进行总体结构方案的综合评价说明 52 63 四主要技术参数设计 一 主参数与尺寸参数 二 运动参数 三 动力参数 53 63 一 主参数与尺寸参数 1 主参数 通用机床按国家标准 专用机床以工件为参考 54 63 一 主参数与尺寸参数 2 尺寸参数 指机床及主要零部件的主要尺寸和相对位置参数 1 与被加工零件有关的尺寸如卧式车床刀架上最大加工直径 立式加工中心主轴到工作台面的最大距离等 2 标准化工具或夹具的安装尺寸如卧式车床主轴莫氏锥孔和前端外轮廓尺寸 液压油缸在主轴上的安装尺寸 加工中心工作台的 T 形槽数量与尺寸等 55 63 二 运动参数 1 主运动参数 当主运动为主轴转动时要确定 nmax 1000vmax dminnmin 1000vmin dmaxRn nmax nmin 式中vmax vmin 典型加工的切削速度 m min 由调查或统计资料确定 dmax dmin 与vmax vmin对应的常用经济加工直径 56 63 二 运动参数 1 主运动参数 通用机床常用的经济加工直径dmax dmin dmax KDdmin K2dmax 式中D 机床能加工的最大直径 mm K1 系数 卧式车床 K1 0 5 0 6 摇臂钻床 K1 1 0 K2 计算直径范围 通常取 K2 0 2 0 25 57 63 二 运动参数 2 进给运动参数 依据加工表面粗糙度和加工效率的要求 1 连续进给的计量单位 1 单刃刀具每转进给量 fr mm r 每分钟进给速度 F n fr mm min 式中n 主轴转速 r min 2 多刃刀具刀齿进给量 fz mm z r 每转进给量 fr z fz mm r 每分钟进给速度 F n fr z n fz mm min 58 63 二 运动参数 2 进给运动参数 1 等比数列 2 等差数列 3 无级进给量 3 最大最小进给量 考虑精细车和强力切削要求确定 frmin frmax 或fzmin fzmax 并求出 Fmin Fmax 2 进给参数的数列 59 63 三 动力参数 1 主运动电动机功率 P主 P切 P空 P附 式中P主 主运动电动机功率 kW P切 消耗于切削的功率 又称有效功率 kW P空 空载功率 kW P附 因载荷增加的附加功率 kW 1 P切的计算P切 Fz v切 60000 式中Fz 主切削力 N v切 切削速度 m min Fz v切的确定 专用机床依据特定工序 通用机床依据典型切削统计比较 60 63 三 动力参数 2 进给电动机功率 1 进给运动与主运动共用电动机 由于车床 钻床等进给运动消耗功率远远小于主运动消耗的功率 如 卧式车床 Pf 0 03 0 04 P主 钻床 Pf 0 04 0 05 P主 因此可以不计进给功率 铣床 Pf 0 15 0 2 P主 2 进给运动与快速运动共用电动机一般按快速运动选择电动机功率 61 63 三 动力参数 2 进给电动机功率 3 进给运动用单独电动机 P进 Qv进 60000 进 式中Q 进给牵引力 N v进 进给速度 m min 进 进给传动链机械效率 数控机床的进给功率用下式计算出其功率Pf P进 T进n 9550 进 式中T进 快速空载起动时电动机所需转矩 N m n进 进给电动机的转速 r min 进 进给传动链机械效率 62 63 三 动力参数 2 进给电动机功率 3 快速电动机功率的确定 快速运动电动机起动时消耗的功率最大 要克服惯性力和摩擦力 即 P快 P摩 P惯 63 63