第三章金屬切削機床設計第一節概述金屬切削機床根底裝備科學技術的開展對機床提出了新的要求給機床設計和制造提供了新手段7/26/20231一、機床設計應滿足的根本要求〔一〕工藝范圍〔加工功能〕加工方法工件類型加工外表形狀、尺寸等〔二〕柔性指其適應加工對象變化的能力空間上的柔性功能柔性〔多品種小批量〕時間上的柔性結構柔性〔新的機床功能〕工藝范圍7/26/20232〔三〕與物流系統的可親性〔accessibility〕靜態剛度〔四〕剛度動態剛度熱態剛度7/26/20233〔五〕精度幾何精度空載條件下的精度運動精度傳動精度定位精度工作精度加工精度〔六〕噪聲7/26/20234〔七〕生產率和自動化

〔八〕本錢

〔九〕生產周期

〔十〕可靠性

〔十一〕造型與色彩7/26/20235計算機輔助設計〔CAD〕計算機輔助工程〔CAE〕二、機床設計方法計算機技術和分析技術的飛速進步，為機床設計方法的開展提供了有力的技術支撐的廣泛應用7/26/20236人工繪圖計算機繪圖傳統的經驗設計現代設計定性設計定量設計靜態和線性分析向動態和非線性分析可行性設計最正確設計7/26/20237FMS的開展數控技術的開展與應用，改變了機床的傳動結構“以機床為主的系統〞設計“以系統為主的機床設計〞7/26/20238通用機床系列化設計方法基型產品其它產品創新設計變型設計組合機床組合設計類型7/26/20239三、機床設計步驟設計任務機床主要技術指標設計機床總體方案設計總體方案設計總體方案綜合評價與選擇總體方案的設計修改〔優化〕詳細設計機床整機綜合評價滿足設計要求？結束NY7/26/2023101．主要技術指標設計工藝范圍生產率性能指標主要參數驅動方式本錢及生產周期〔一〕總體設計材料質量形狀及尺寸7/26/202311傳動方式傳動原理圖傳動系統圖尺寸參數運動參數動力參數2．總體方案設計運動功能設計根本參數設計傳動系統設計總體結構布局設計控制系統設計個數形式功能排列順序運動功能分配總體布局結構形式總體結構方案圖控制方式及控制原理控制系統圖7/26/2023123．總體方案綜合評價與選擇

4．總體方案的設計修改或優化

7/26/202313〔二〕詳細設計〔1〕技術設計包括確定結構原理方案、裝配圖設計、分析計算或優化。〔2〕施工設計包括零件圖設計、商品化設計、編制技術文檔等。〔三〕機床整機綜合評價7/26/202314第二節金屬切削機床設計的根本理論一、精度具有精度、保持精度機床精度幾何精度傳動精度運動精度定位精度精度保持性普通精度級、精密級和高精度級工作精度空載精度7/26/2023151．幾何精度

幾何精度是指機床空載條件下，在不運動或低速運動時各主要部件的形狀、相互位置和相對運動的精確程度。7/26/2023162．運動精度

運動精度是指機床空載并以工作速度運動時，主要零部件的幾何位置精度。如高速回轉主軸的回轉精度。

7/26/2023173．傳動精度

傳動精度是指機床傳動系各末端執行件之間運動的協調性和均勻性。7/26/2023184．定位精度

定位精度是指機床的定位部件運動到達規定位置的精度。

7/26/2023195．工作精度加工規定的試件，用試件的加工精度表示機床的工作精度7/26/2023206．精度保持性

在規定的工作期間內，保持機床所要求的精度7/26/202321二、剛度〔一〕概述機床剛度指機床系統抵抗變形的能力，通常用下式表示K＝F/y式中K——機床剛度〔N／m〕；F——作用在機床上的載荷〔N〕y——在載荷作用下，機床或主要零、部件的變形7/26/202322靜載荷靜剛度動載荷動剛度〔二〕整機剛度整機在靜載荷作用下抵抗變形的綜合能力各部件的剛度結合部的剛度優化7/26/202323三、抗振性交變載荷作用下，抵抗變形的能力。〔一〕受迫振動〔二〕自激振動〔切削穩定性〕〔三〕振動影響因素〔1〕機床的剛度〔2〕機床的阻尼特性〔3〕機床系統固有頻率7/26/202324四、熱變形〔一〕概述機床在工作時受到內部熱源和外部熱源的影響，使機床各局部溫度發生變化。因不同材料的熱膨脹系數不同，機床各局部的變形不同，導致機床產生熱變形，使加工工件產生誤差。最大可占全部誤差的70％左右。熱源：內部〔電機、液壓系統、摩擦、切削熱等〕外部〔環境溫度、熱輻射等〕〔二〕熱平衡的溫度場7/26/202325五、噪聲〔一〕概述〔二〕噪聲的度量指標1．客觀度量20lgp/p02．噪聲的主觀度量7/26/202326〔三〕機床噪聲1〕機械噪聲2〕液壓噪聲3〕電磁噪聲4〕空氣動力噪聲7/26/202327六、低速運動平穩性〔一〕爬行現象和機理〔二〕爬行的度量〔1〕爬行量用機床部件位移——時間曲線表示〔2〕速度波動量用機床部件速度——時間曲線表示〔3〕爬行的臨界速度Vc=FΔf/(2ξkm)0.5〔三〕消除爬行的措施7/26/202328mvCF導軌主動件進給系統被動件進給傳動的力學模型7/26/2023291〕減小靜、動摩擦系數之差；2〕提高傳動機構的剛度；3〕提高阻尼比和降低移動件質量。滾動摩擦卸荷導軌、靜壓導軌減摩材料潤滑7/26/202330一、機床系列型譜的制定國家根據機床的生產和使用情況，在調查研究的根底上，規定了每一種通用機床的主規格〔主要參數〕稱為主參數系列，中型臥式車床的主參數是床身上工件最大回轉直徑，其系列為250，320，400，500，630，800，1000七種規格第三節金屬切削機床總體設計7/26/202331

系列萬能式馬鞍式提高精度無絲杠式卡盤式球面加工端面車床250○△△320○△△400○△△△△△500○△△△△630○△△△800○△△△△△1000○△△△△△表3-1中型臥式車床的簡略系列型譜表○——基型，△——變型主參數系列縱向橫向型譜7/26/202332二、機床的運動功能設計〔一〕機床的工作原理根本功能：是提供切削加工所必須的運動和動力。根本工作原理：通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件加工外表多余的金屬材料，形成工件加工外表的幾何形狀、尺寸，到達其精度要求。7/26/202333〔二〕工件外表的形成方法1．幾何外表的形成原理任何一個外表都可以看是一條曲線〔或直線〕沿著另一條曲線〔或直線〕運動的軌跡。這兩條曲線〔或直線〕稱為該外表的發生線，前者稱為母線，后者稱為導線。7/26/2023347/26/2023352．發生線的形成工件加工外表的發生線是通過刀具切削刃與工件接觸并產生相對運動而形成的。〔1〕軌跡法〔描述法〕〔2〕成型法〔仿形法〕〔3〕相切法〔旋切法〕〔4〕范成法〔滾切法〕7/26/2023361n需要刀具和工件之間有一個相對運動軌跡法f7/26/2023371n不需要刀具和工件之間的相對運動成型法n17/26/2023381n相切法刀具和工件之間需要兩個相對運動。n2n1n2n1f1f1237/26/202339刀具和工件之間需要一個相對運動〔范成運動〕范成法12fn1n27/26/2023403．加工外表的形成方法母線形成方法和導線形成方法的組合。形成加工外表所需的刀具與工件之間的相對運動也是形成母線和導線所需相對運動的組合。7/26/202341外表成形運動非外表成形運動〔三〕運動分類主運動進給運動〔縱、橫、斜向〕

1．按運動的功能分類切入運動分度運動輔助運動控制運動接近退刀返回7/26/202342

2．按運動的關系分類〔1〕獨立運動〔2〕復合運動7/26/202343分析工藝范圍；確定加工方法

〔四〕機床運動功能方案設計1．工藝分析機床總體坐標系：直角坐標系

2．選取坐標系X，Y，Z沿軸的直線運動及運動量A，B，C繞X，Y，Z軸的回轉運動αβγ繞X，Y，Z軸的回轉運動量7/26/202344l〕局部坐標系固定在運動部件上；2〕運動方向與機床坐標系軸線平行時，取各局部坐標系與機床坐標系方向一致；也可以取運動方向為Zi軸；3〕當有斜置式運動時，可混合選取。局部坐標系的選取7/26/202345運動功能式表示機床的運動個數、形式、功能〔主運動、進給運動、非成形運動，分別用下標p，f，a表示〕及排列順序。左邊寫工件，用W表示；右邊寫刀具，用T表示，中間寫運動，按運動順序排列，并用“／〞分開。3．寫出機床運動功能式7/26/202346車床的運動功能式

W／Cp，Zf，Xf／T三軸升降臺式銑床的運動式

W／Xf，Yf，Zf，Cp/T7/26/2023474．畫出機床運動功能圖7/26/202348車床三軸升降臺銑床7/26/202349龍門刨床7/26/202350外圓磨床搖臂鉆床7/26/202351坐標鏜床7/26/2023527/26/2023535、繪制機床傳動原理圖傳動原理圖表示動力源與執行件、不同執行件之間的運動及傳動關系

合成機構傳動比可變的變速傳動傳動比不變的傳動7/26/202354車床傳動原理圖滾齒機傳動原理圖7/26/202355并聯運動和串聯運動

特點：精度高、剛度高、運動部件質量小、速度高并聯運動虛擬串聯運動7/26/202356六個運動并聯三個運動并聯7/26/202357運動功能分配設計是確定運動功能式中“接地〞的位置，用“·〞符號表示。“·〞符號左側的運動由工件完成，右側的運動由刀具完成。機床的運動功能式中添加上“·〞接地符號后，可稱為運動分配式。三、機床總體結構方案設計〔一〕運動功能分配設計7/26/202358銑床的運動功能式W／Xf，Zf，Yf，Cp/T，其運動分配式有：1〕W／·Xf，Zf，Yf，Cp／T；2〕W／Xf·Zf，Yf，Cp／T；3〕W／Xf，Zf·Yf，Cp／T；4〕W／Xf，Zf，Yf·Cp／T。7/26/202359〔二〕結構布局設計機床的結構布局形式有立式、臥式及斜置式等；其中根底支承件的形式又有底座式，立柱式，龍門式等；根底支承件的結構又有一體式和別離式等等。7/26/2023607/26/202361〔三〕機床總體結構的概略形狀與尺寸設計1〕首先確定末端執行件的概略形狀與尺寸。2〕設計末端執行件與其相鄰的下一個功能部件的結合部的形式、概略尺寸。3〕根據導軌結合部的設計結果和該運動的行程尺寸，確定下一個功能部件的概略形狀與尺寸；4〕重復上述過程，直到根底支承件〔底座、立柱、床身等〕設計完畢。7/26/2023625〕假設要進行機床結構模塊設計、那么可將功能部件細分成子部件，根據制造廠的產品規劃，進行模塊提取與設置。6〕初步進行造型與色彩設計。7〕機床總體結構方案的綜合評價。8〕機床總體結構方案設計修改與確定。7/26/2023637/26/202364四、機床主要參數的設計〔一〕主參數和尺寸參數主參數是代表機床規格大小及反映機床最大工作能力的一種參數，為了更完整地表示出機床的工作能力和工作范圍，有些機床還規定有第二主參數。尺寸參數運動參數動力參數主參數基本參數主要參數7/26/202365通用機床主參數：國家標準，選用專用機床的主參數：以零件或被加工面的尺寸參數來代表。7/26/202366尺寸參數：機床的主要結構尺寸參數通常包括：1〕與被加工零件有關的尺寸2〕標準化工具或夾具的安裝面尺寸7/26/202367〔二〕運動參數運動參數是指機床執行件如主軸、工件安裝部件〔工作臺、刀架〕的運動速度。1．主運動參數★主運動為回轉運動的機床——主軸轉速；★主運動為直線運動的機床——如插、刨機床，主運動參數是插刀或刨刀每分鐘往復次數〔次／分〕。7/26/202368●專用機床和組合機床：通常主軸只須一種固定轉速n=1000v/πd

式中n——主軸轉速〔r／min〕；v——切削速度〔m／min〕；d——工件或刀具直徑〔mm〕。●通用機床：主軸具有多轉速。確定變速范圍設計時應考慮確定變速方式〔無級變速和有級變速〕確定有級變速的級數7/26/202369〔1〕最低〔nmin〕和最高〔nmax〕轉速確實定D——機床能加工的最大直徑〔mm〕；K——系數；Rd——計算直徑范圍。0.2~0.257/26/202370例：確定400mm臥式車床主軸的最高、最低轉速。〔采用硬質合金車刀半精車小直徑外圓時轉速最高〕〔采用高速鋼車刀精車合金鋼材料的梯形螺紋時轉速最低〕7/26/202371〔2〕主軸轉速的合理排列機床主軸轉速是按等比級數排列，其公比用符號表示。那么轉速數列為:轉速呈等比級數排列的原因：▲轉速相對損失均勻；▲設計簡單方便。7/26/202372相對轉速損失率：最大損失率：假設：那么：7/26/202373■因此，轉速分配如下：■最大相對損失率■變速范圍7/26/202374〔3〕標準公比值和標準轉速數列標準公比確實定依據如下原那么：●1＜＜2●●我國機床專業GC58-60規定了7個標準公比：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2注：在設計其他機械時也常常采用這個標準；當機械的變速級數過多時，往往采用兩個以上公比。7/26/202375表3-2標準公比1.061.121.261.411.581.7822Amax5.7%11%21%29%37%44%50%1.0611.0621.0641.0661.0681.06101.06127/26/202376〔4〕公比的選用▲對于通用機床，為使轉速損失不大，機床結構又不過于復雜，一般取1.26或1.41；▲對于大批，大量生產用的專用機床，專門化機床及自動機一般取1.12或1.26，因其生產率高，轉速損失影響較大，且又不經常變速，可用交換齒輪變速，

▲非自動化小型機床，加工中切削時間遠小于輔助時間，轉速損失大些影響不大，故可取1.58、1.78甚至2。7/26/20237712481631.563125250500100020001.062.124.258.51733.567132265530106021201.122.244.59.01835.571140280560112022401.182.364.759.52937.575150300600118023601.252.55.010204080160315630125025001.322.655.310.621.242.585170335670132026501.42.85.611.222.44590180355710140028001.53.06.011.823.647.590190375750150030001.63.156.312.52550100200400800160031501.73.356.713.226.553106212425850170033501.83.557.1142856112224450900180035501.93.757.515306011823647595019003750表3-3標準數列7/26/202378〔5〕變速范圍Rn，公比和級數Z的關系由等比級數規律可知兩邊取對數注意：a)計算出的公比應該圓整為標準值;b)級數應該圓整為整數。同時修正Rn7/26/202379例：有一臺機床，主軸共有12級轉速，分別為：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400。公比為=1.41，那么最大相對轉速損失率為：變速范圍：7/26/202380例：設計一臺機床，nmin=12.5r/min，nmax=2000r/min，=1.26。查表確定各級轉速。★查表3-3找到最低轉速12.5★因為：1.26=1.064★所以：每隔3個數取一個數得到下面數列12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,80,100,125,160,200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1600,20007/26/2023812．進給量確實定數控機床無級變速無級變速普通機床等比級數〔加工外圓、端面〕有級變速〔普通車床加工螺紋〕等差數列〔螺紋車床〕〔刨床、插床等棘輪機構進給機床〕7/26/2023823．變速形式與驅動方式選擇無級變速變速形式有級變速有級變速+無級變速電動機驅動獨立驅動方式驅動方式集中驅動方式液壓驅動聯合驅動方式7/26/202383〔三〕動力參數電動機的功率或扭矩1、主電動機功率確實定P主=P切+P空+P輔式中P切——切削功率〔有效功率〕〔kW〕；P空——空載功率〔kW〕；P輔——摩擦損耗功率〔kW〕。〔1〕切削功率7/26/202384〔2〕空載功率〔3〕摩擦損耗功率那么7/26/202385主電機功率的估算：7/26/2023862．進給驅動電動機功率確實定