金属切削机床设计教学课件PPT.ppt

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1、2.1 概述 2.2 金属切削机床设计的基本理论 2.3 金属切削机床总体设计 2.4 主传动系设计 2.5 进给传动系设计 2.6 机床控制系统设计,第二章 金属切削机床设计,2.1 概述,2.1.1 机床设计的基本要求 2.1.2 机床的设计方法 * 2.1.3 机床的设计步骤 2.1.4 机床的总体布局,2.1.1 机床设计的基本要求,1.工艺范围 2.柔性 3.与物流系统的可亲性 4.精度和刚度 5.生产率和自动化程度,6.机床的成本和生产周期 7.可靠性 8.造型与颜色 9.机床设计方法 10.环境保护,1.工艺范围,指机床适应不同生产要求的能力（加工功能）。包括：机床可完成的工序种

2、类，所加工零件的类型、材料和尺寸范围、毛坯种类、加工精度和表面粗燥度。 不同工艺范围对机床结构的影响： 如果机床的工艺范围过宽，将使机床的结构复杂，不能充分发挥机床各部件的性能； 如果机床的工艺范围较窄，可使机床结构简单，易于实现自动化，提高生产率。,1.工艺范围,不同的生产模式对工艺范围要求不同： 单件大量生产要求加工效率高、工艺范围窄，机床结构简单。如：组合机床。 单件小批量生产要求扩大机床功能，工艺范围广，机床结构复杂。如：通用车床。 多品种小批量生产要求机床运动和刀具多，加工精度高，工艺范围广。如：数控机床、加工中心。 通用机床都具有较宽的工艺范围；数控机床的工艺范围比传统通用机床更宽

3、，使其具有良好的柔性；专用机床和专门化机床则应合理地缩小工艺范围。,2.柔 性,机床的柔性，是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性和时间上的柔性。 所谓空间柔性也就是功能柔性。包括机床的通用性和同一时期的机床重构能力；例如：对加工控制软件进行调整或修改，适应多种零件的加工要求。 所谓时间上的柔性也就是结构柔性，指的是在不同时期，机床各部件重新组合，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。,3.与物流系统的可亲性,可亲性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度。 对于单机工作形式的普通机床，是由人进行物料交接的，要求机床的使用、操作、清理、维护方便

4、。 对于自动化柔性制造系统，机床与物流系统(如输送线)是自动进行物料交接的，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便。,4.精度和刚度,机床的精度分为几何精度和加工精度。 几何精度 指机床不运动或空载条件下机床本身的精度。反映机床主要零部件的几何形状精度、相对位置、相对运动轨迹精度。是评价机床质量的基本指标，取决于零部件的设计和制造装备精度。 加工精度 指加工后零件对理想尺寸、形状、位置的符合程度。影响加工精度的因素很多，与机床本身的几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速平稳性、动态刚度、热变形等有关。,5.生产率和自动化程度,生产率是指在单位时间内机床加工合格产品的数量。要提高生产率，必

5、须缩短单个零件的加工时间、装卸时间和分摊的准备终了时间。 自动化是指利用装备取代或放大人的体力、取代或延伸人的部分智力而自动完成工作的性能。自动化程度越高，越能保证加工精度的稳定性，减少操作者的劳动强度。 自动化大批量生产 采用组合机床、数控机床组成生产线； 自动化单件小批量生产 采用有数控机床、加工中心构成的柔性制造系统，或者由柔性系统构成的自动化工厂。,6.机床的成本和生产周期,成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标，应在尽可能保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。 生产周期(包括设计和制造)是衡量产

6、品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求机床设计应尽可能采用现代设计方法，如CAD、模块化设计等。 机床的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限，也称精度保持性。,7.可靠性,机床的可靠性是指机床在使用寿命期内完成规定功能的能力，分为： 固有可靠性：通过设计、制造赋予机床。 使用可靠性：受使用、维护方式和使用条件的影响。 可靠性是一项重要技术经济指标，分为： 机床在规定时间内发生失效的难易程度； 可修复机床在失效后在规定时间内修复的难易程度；,2.1.2 机床总体方案的创新设计,机床总体方案,2.1.3 机床的设计步骤,1.总体设计 2.详细设计 3.机床整机综合评价 4

7、.定型设计,2.1.3 机床的设计步骤,1.总体设计 （1）机床主要技术指 标设计 （2）总体方案设计 （3）总体方案综合评价与选择 （4）总体方案的设计修改与优化,工艺范围 运行模式 生产率 性能指标 主要参数 驱动方式 成本及周期,2.1.3 机床的设计步骤,1.总体设计 （1）机床主要技术指 标设计 （2）总体方案设计 （3）总体方案综合评价与选择 （4）总体方案的设计修改与优化,运动功能设计 基本参数设计 传动系统设计 总体机构布局 控制系统设计,2.1.3 机床的设计步骤,2.详细设计 （1）技术设计 （2）施工设计,传动系统 结构原理 零部件装配 零部件计算 液压图 电气图 机床总

8、装图,2.1.3 机床的设计步骤,2.详细设计 （1）技术设计 （2）施工设计,自制零件图 零件明细表 设计说明书 使用说明 检验方法 技术标准,3.机床整机综合评价 4.定型设计,2.2 金属切削机床设计的基本理论,2.2.1 精度 2.2.2 刚度 2.2.3 抗振性 2.2.4 热变形 2.2.5 噪声 2.2.6 低速运动平稳性,1、几何精度 2、运动精度 3、传动精度 4、定位精度 5、工作精度 6、精度保持性,2.2.1 精度,机床刚度指机床系统抵抗变形的能力，用K=F/Y表示，机床刚度可分为静刚度和动刚度，习惯上说的刚度指静刚度。整机刚度反映整台机床在静载荷作用下，各构件和结合面

9、抵抗变形的综合能力。,2.2.2 刚度,指抵抗受迫振动的能力（即抗振性）和抵抗自激振动的能力（即切削稳定性）。 1、受迫振动 2、自激振动 3、影响机床振动的因素： （）机床的静刚度 （）机床的阻尼特征 （）机床系统的固有频率,2.2.3 抗振性,针对影响机床性能较大，且固有频率较低的振型制定措施。 隔离外振源 主运动电动机与主机分离，用橡胶摩擦传动驱动 主运动。 对于传动链振源 采用变频无级调速或双速电动机，缩短传动链； 提高传动链传动组件、主轴组件的刚度； 大传动件设计动平衡或阻尼机构； 提高各部件结合面精度，增强局部刚度。,预防受迫振动的措施：,预防自激振动的措施： 增大工作部件的阻尼比

10、 调整切削宽度 及时修磨刀具，稳定切削,2.2.4 热变形 内部热源：电动机、液压系统、机械摩擦副、 切削热 外部热源：环境温度、周围热源辐射 自身因素：热源分布不均，金属材料不同的热膨胀系数； 减少热变形的措施： 隔离热源 电动机、液压泵、油箱与主机分离 控制环境温度 精密、数控机床需要在恒温条件下工作 强制冷却热源 采用切削液冷却加工部位，压力润滑油循环冷却主轴轴承、利于排屑。,2.2.5 噪声 噪声评价有客观度量和主观度量两种。 机床噪声来源于：机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声,机械噪声中，齿轮振动影响传动平稳性，是主要噪声源。产生的因素是齿轮的精度，是由滚到的制造和安装误差以

11、及齿轮的制造误差造成的。 措施：缩短传动链，采用小模数、硬面齿轮，降低传动件的线速度和提高阻尼比，增加齿轮啮合重合度和提高支撑件的刚度。,（1）爬行现象和机理,2.2.6 低速运动平稳性,（2）爬行的临界速度 Vc（mm/s）（爬行量、速度波动量）,2.2.6 低速运动平稳性,f：静、动摩擦力之差； F ：导轨面的正压力； K ：传动系统的刚度； m ：运动部件的质量； ：由导轨和传动系统的阻尼比。,对于一个运动系统，当高于临界速度 Vc，则不会出现爬行现象。,（3）消除爬行的措施 1、减少静、动摩擦参数之差 2、提高传动机构的刚度 3、降低移动件的质量 4、提高阻尼比,2.2.6 低速运动平

12、稳性,采用导轨油 采用滚动摩擦 代替滑动摩擦 采用卸荷导轨 和静压导轨 采用减摩导轨 材料,（3）消除爬行的措施 1、减少静、动摩擦参数之差 2、提高传动机构的刚度 3、降低移动件的质量 4、提高阻尼比,2.2.6 低速运动平稳性,机械传动 液压传动,2.3 金属切削机床总体设计,2.3.1 机床系列型谱的制定 2.3.2 机床的运动功能设计 2.3.3 机床总体结构方案设计 2.3.4 机床主要参数的设计,机床分为十一大类，每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，合称为这类机床的系列和型谱。,2.3.1 机床系列型谱的制定,（一）机床的工作原理 通过刀具与工件之间的相对运动

13、，由刀具切除工件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。,2.3.2 机床的运动功能设计,（二）工件表面的形成原理 1. 几何表面的形成原理 2. 发生线的形成 (1)轨迹法 (2)成形法(仿形法) (3)相切法 (4)范成法,几何表面的形成原理,发生线的形成,点刃车刀车外圆柱面,宽刃车刀车外圆柱面,发生线的形成,相切法圆柱铣刀加工短圆柱面,轨迹法圆柱铣刀加工短圆柱面,滚齿加工,3.加工表面的形成方法 加工表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。故加工表面形成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。,（三）机床运动分类 1.

14、按运动的功能分类 (1)成形运动： 主运动、进给运动 主运动、形状创成运动 (2)非成形运动：切入运动、分度运动、 辅助运动、控制运动 2.按运动之间的关系分类 (1) 独立运动 (2) 复合运动,（四）机床运动功能设计方案 1.选取坐标系 沿、轴的直线运动符号和运动量仍用、表示； 绕、轴的回转运动用、表示，其运动量用表示。,数控卧式车床坐标系,数控卧式车床坐标系,数控立式铣床坐标系,数控立式铣床坐标系,2. 写出机床运动功能式 运动功能式表示机床的运动个数、形式（直线或回转运动）、功能（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标、表示）及排列顺序。 左边写工件，用表示。右边写刀具，用表示。中间

15、写运动，按运动顺序排列，并用“”分开。,3. 画出机床运动原理图 机床运动原理图是将机床运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，是机床传动系统设计的依据。,4. 运动功能分配设计 运动功能分配设计是确定运动功能分配式中“接地”的位置，用“”表示， “”左侧的运动由工件完成， “”右侧的运动由刀具完成。,机床运动的分配,四个分配原则,运动分配给质量小的零部件,运动分配应有利于提高工件的加工精度,运动分配应有利于提高运动部件的刚度,运动分配考虑工件的形状,机床运动的分配,2、运动分配应有利于提高工件的加工精度 运动部件不同，加工精度不同。如：钻床上的钻头运动。,3、运动分配应有利于提高运动部件的刚度

16、 运动应分配给刚度高的部件。如：磨床工作台和砂轮架的运动。,4、运动分配考虑工件的形状 不同形状的工件，所需的运动部件不一样。如：圆柱形工件内孔在车床上加工，工件旋转，箱体件内孔在镗床或钻床上加工，工具旋转，工件移动。,1、运动分配给质量小的零部件 运动件质量小，惯性力小，需要的驱动力小，传动机构体积小，制造成本低。如：铣床上的铣刀运动；,5. 机床传动原理图 将动力源与执行件、一执行件和另一执行件之间的运动和传动关系同时表示出来，即传动原理图。,2.3.3 机床总体结构方案设计,（一）结构布局设计 （二）机床总体结构的概略形状和尺寸设计 主要进行功能（运动或支撑）部件的概略形状和尺寸设计。,

17、2.3.3 机床总体结构方案设计,（一）结构布局设计 1、机床形式：指主运动执行件的状态； 2、支撑形式：机床支撑件的状态； 卧式支撑：支撑件高度方向尺寸长度方向尺寸；,2.3.3 机床总体结构方案设计,（一）结构布局设计,立柱支撑,单臂支撑,龙门支撑,2.3.4.1 尺寸参数和主参数 2.3.4.2 运动参数 （1）主运动参数 （2）主轴转速和变速范围 （3）标准公比和标准转速数列 （4）进给运动参数 2.3.4.3 动力参数 （1）确定主传动功率 （2）确定进给传动功率,2.3.4 机床主要参数的确定,主参数,机床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。 通用机床的主参数

18、通常都以机床的最大加工尺寸来表示； 专用机床的主参数一般以与通用机床相对应的主参数表示。 为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，可在主参数后面标出第二主参数，如最大工件长度、最大跨距等。,主参数各类主要机床的主参数和折算系数,基本参数尺寸参数,机床尺寸参数是指机床主要结构的尺寸参数。 包括： 1、与工件有关的尺寸参数； 2、与工、夹、量具有关的尺寸参数； 3、主要的结构尺寸。,基本参数运动参数,机床运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台、刀架等的运动速度。,基本参数运动参数主运动参数,主运动为回转运动的机床，主运动参数为主轴转速n(单位：rmin)： 主运动为直线运动的机床，主运动参数是刀

19、具每分钟往复次数（单位：次/min），或称为双行程数；也可以是装夹工件的工作台的移动速度。,基本参数运动参数主运动参数,主运动为旋转运动时，机床主轴转速n(单位为rmin)：,专用机床可根据特定工序实际使用的切削速度和工件(或刀具)的直径确定主轴转速，且大多数情况只需一种速度。 通用机床，为适应各种不同的加工要求，主轴应有一定的变速范围和变速方式(有级或无级变速)。,n ：主轴转速(r/min) v : 切削速度(m/min) d : 工件或刀具直径(mm),（1） nmin和nmax的确定,dmax、dmin为最大最小经济加工直径 dmax=K1D dmin=K2dmax 卧式车床K1=0.

20、5 摇臂钻床K1=1.0 K2=0.2-0.25,基本参数运动参数主运动参数,（1） 主轴最高转速考虑因素：,机床传动形式,基本参数运动参数主运动参数,采用的刀具类型、材料和切削角度等,机械传动：2000r/min 机电结合传动:50009000r/min 零传动:10000150000r/min,例题:确定卧式车床主轴的转速范围。,硬质合金车刀半精车小直径钢材外圆时达最高转速，取Vmax=200m/min，K1=0.5，K2=0.25,机床能加工的最大直径为400mm。 高速钢车刀粗车铸铁件表面时可能达最低转速，取Vmin=15m/min，机床能加工的最大直径为400mm。 高速钢刀具精车合

21、金钢材料的梯形螺纹时达最低转速，取Vmin=1.5r/min，机床能加工丝杠最大直径在4050mm左右。,硬质合金车刀半精车小直径钢材外圆时达最高转速，取Vmax=200m/min，K1=0.5,K2=0.25,机床能加工的最大直径为400mm。则:,高速钢车刀粗车铸铁件表面时可能达最低转速，取Vmin=15m/min，机床能加工的最大直径为400mm。则:,高速钢刀具精车合金钢材料的梯形螺纹时达最低转速，取Vmin=1.5m/min，机床能加工丝杠最大直径在4050mm左右。,综上所述,再考虑留有技术储备,最后确定 nmax =1600 r/min nmin = 10 r/min,（2）主轴

22、转速的合理排列 已知变速范围，若采用有级变速，应进行主轴转速分级； 目前，多数机床主轴转速是按等比级数排列，其公比为,转速级数用Z表示。,基本参数运动参数主运动参数,各级转速：,变速范围：,考虑刀具寿命，实际加工时用nj，则其相对转速损失为n-nj 相对转速损失率为：,加工某工件的最佳切削速度为v，相应的转速为n：,最大相对转速损失率为n趋近nj+1时：,结论：最大相对转速损失率相等。,（2）主轴转速的合理排列 转速范围内转速相对损失均匀； 使变速传动系统简化； 混合公比转速使用的机会相差较大 常用转速：采用较小的公比； 不常用转速：采用较大的公比；,（3）标准公比值和标准转速系列 标准公比的

23、规定： 1，因为机床要满足不同的工艺需求，需要一系列等比数列转速，nminnmax逐渐变大； 1 2，因为大，则Amax大，对机床生产率影响率大，所以规定Amax50%。,（3）标准公比值和标准转速系列 标准公比值有 1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2。 标准转速系列可由标准数列查取。,基本参数运动参数主运动参数,用于旋转主运动、直线主运动、等比进给运动。对于无级变速系统可参考标准公比。,当选定标准公比之后，转速数列可从表2-5中查出。表中给出了公比为1.06的从115000的数列，其它公比的数列可由此派生得到。 表3-1和表2-5均适用于转速、双行程和进给系列，也

24、可以用于机床尺寸和功率参数等数列。,2,设计一台车床，nmin=12.5r/min，nmax=2000r/min， =1.26。,设计过程中，转速必须是查表得到！, A 结构 大型机床 不能大(要小) 可以复杂点 取1.12,1.26 中型机床 不能太大 不能很复杂 取1.26, 1.41 小型机床 可以大一些 结构简单 取1.58,1.78 半自动机床 要小 工艺范围小结构不复杂 取1.12,1.26 专门化机床 要小 工艺范围小结构不复杂 取1.06,1.12,1.26,（）公比的选用,基本参数运动参数主运动参数,圆整； 宜采用双联、三联滑移齿轮变速 Z 取 6 8 9 12 16 18

25、24,基本参数运动参数主运动参数,(5)变速范围Rn，公比和级数Z的关系,机床进给量的变换可用无级变速（数控机床）和有级变速方法。 采用有级变速方式时，进给量一般为等比数列。 进给量也有等差数列的(加工螺纹)。如利用棘轮机构实现进给的机床(刨床、插床)。,基本参数运动参数进给量,fmax、fmin ：最大、最小进给量； Za ：进给量级数； C ：差值，由被加工螺纹的导程或棘轮机构的结构决定；,动力参数指主运动、进给运动和辅助运动的动力消耗，它主要由机床的切削载荷和驱动的工件质量决定。 对于专用机床，机床的功率可根据特定工序的切削用量计算或测定； 对于通用机床，目前单纯用计算的方法来确定功率是困难的，故通常用类比、测试和近似计算几种方法互相校核来确定。 下面介绍用近似计算的方法确定机床动力参数。,基本参数运动参数动力参数,主传动功率的确定,当主传动链的结构方案尚未确定时：,当主传动链的结构方案确定时：,进给传动功率的确定,进给运动与主运动合用一个电动机，进给运动消耗功率远小于主运动。 进给运动中工作进给与快速进给合用一个电机时，由于快速电机所需功率远大于工作进给功率，且二者不同时工作，所以不必考虑工作进给所需功率。 进给运动采用单独电动机驱动时，进给电动机功率：,数控机床的进给运动，伺服电动机按转矩为：,