机械制造装备设计之2_金属切削机床_哈工大(威海)黄博

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1、“ 规格严格、功夫到家” 机械制造装备设计 哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所 山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室 黄 博 本课程主要讲述内容 机械制造装备及制造业动态 机械制造装备设计方法 金属切削机床设计 典型部件设计 工业机器人设计 机床夹具设计 物流系统设计 机械加工生产线总体设计 1. 机械制造装备及制造业动态装备 机械制造过程： 机械制造装备： n 加工装备、工艺装备、仓储传送装备、辅助装备 u加工装备（机床，制造机器的机器，工作母机） n 金属切削机床（切除余量，达到尺寸、形状、精度、表面质量） 车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、螺纹、齿轮等； 通用、专用、专门化；精密程度；自动化

2、程度；数控等分类 原材料 热、冷加 工 装配产品 总成 产品调试检验 包装 发运 设计方法回顾 机械制造装备设计方法 u 功能要求分析 n 一般功能（精度、刚度、热稳定性、耐用度等）、精密、柔性、自动、绿色等 u 设计的类型 n 创新设计、变型设计、模块化设计 u 设计的方法 n 典型设计步骤 产品规划、方案设计、技术设计、工艺设计 n 系列化设计（促进“三化”，步骤为） 主参数和主要性能确定、参数分析、制定系列型谱 n 模块化设计 根据需求分析明确任务、建立功能结构与模块划分、确定系列型谱和参数、 模块之间的组合、模块的计算机管理系统。 n 合理化工程 u 机械制造方法的评价 n 技术经济评

3、价、可靠性评价、人机工程评价、 结构工艺性评价、产品造型评价、标准化评价 2. 机械制造装备设计方法功能要求 一般功能要求 u 加工精度（尺寸精度、表面形状精度、位置精度、粗糙度等）；影响因素有 ：几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、运动平稳性等。 u 强度、刚度及抗振性要求； u 加工稳定性要求，（切削热、摩擦热、环境热）；减少发热量、散热和隔热 ，均热、热补偿、控制环境温度等。 u 耐用度要求（磨损导致间隙，精度丧失），设计、工艺、材料、热处理、使 用等方面考虑减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。 u 技术经济要求，成本分摊！ 柔性化 u 产品结构柔性化；（装备产品的系列化） u 功能柔性化

4、；（少量调整或修改软件，改变功能） n 如：备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化、数控化等。 精密化 u 微米级亚微米级纳米级；装备自身精度已无法凑效，需误差补偿； n 热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺性的弹性变形等建模 。 2. 机械制造装备设计方法功能要求 自动化 u 凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制等。 机电一体化 u 充分考虑机械、液压、启动、电力电子、计算机软硬件特点，进行合理 功能搭配，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最佳技术系统。 节材（加法设计） 符合工业工程的要求 u 开发阶段：充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以

5、便采 用最佳工艺方案，选择合理制造设备，减少工时与材料消耗； u 合理进行装备总体布局，优化操作步骤和方法（对作业程序进行分析， 取消不必要操作，合并和简化重复和繁琐的工作，缩短操作路线和事件 ，合理分配两手负荷等），减少操作过程中工人体力消耗； u 对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准； 符合绿色工程要求（考虑全生命周期） 3.1 金属切削机床设计的基本理论 机床的运动学原理 u机床有两个末端执行器 n 安装工件的执行器（如：铣床工作台、车床主轴的卡盘）； n 安装刀具的执行器（如;铣床的主轴、车床的刀架） u工件的加工原理 n 通过刀具相对工件的运动来完成。 n 两个末端执行器之

6、间严格的运动关系要靠内联传动系统或坐标轴联动 实现 机床运动轴的数目、运动性质、各运动轴之间的关系、运动行程等。 u工件表面的形成方法及机床运动 n 任何一个规则表面都可视为： 一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹（发生线） 母线与导线（举例） n 刀具切削刃可分为点切削刃、线切削刃、面切削刃 3.1 金属切削机床设计的基本理论 工件加工表面的发生线（刀具切削刃与工件接触并产生相 对运动）有4种： u轨迹法 n a是直线进给运动 n e是轨迹法铣圆柱面 u成形法（仿形法） n b宽刃车刀 u相切法(旋切法） n d是相切法铣圆柱面 u展成法（滚切法） n c是展成法，道具和工件

7、 间复合的相对运动n1和n2 加工表面的形成方法 母线形成方法与导线形成 方法的结合 发生线1 直母线 发生线2 圆导线 发生线1 渐开线母线 发生线2 直导线 3.1 金属切削机床设计的基本理论 机床的运动分类 u运动性质分类 n 直线运动与回转运动 u运动功能分类 n成形运动 完成工件待加工表面几何形状的生成和金属切除任务的运动 n非成形运动 切入运动（刀具切入工件） 分度运动（工件与加工工具按给定的角度或长度间隔的相对运动 ） 辅助运动（刀具的接近、退刀、返回等） 调整运动（调整刀具与工件相对位置或方向） 控制运动（一些操纵运动） u运动关系分类 n 独立运动 n 复合运动（运动之间严格

8、运动关系，如车螺纹时工件主轴的回转运动 与刀具的纵向直线运动，通过内联传动系统或数控联动实现） 3.1 金属切削机床设计的基本理论 机床的成形运动 u按照速度、动力消耗可分为： n 主运动（速度高、动力消耗大） n 进给运动（速度低、消耗动力小） u按照其完成的功能分： n 主运动（完成金属的切除，也叫切削运动） 车削时工件主轴回转运动；铣削时铣刀主轴回转运动； 磨削时砂轮主轴回转运动（工件回转不是）；滚齿时滚刀主轴回转运动 n 形状创成运动（实现表面几何形状的生成，即母线和导线的生成） 结合上一个图片讲解 点刃车削外圆，直母线需要f（进给）,圆导线要需要n(主运动）； 宽刃车削短外圆，直母线

9、无需运动，圆导线需要回转n(主运动）； 纵向磨削外圆，直母线需要f（进给），圆导线需要n(主运动）； 相切法铣削，直母线1需要回转运动n（主运动），圆导线需要f1和f2(进给 ） 轨迹法长铣削，直母线需要回转n（主）和f(进给），圆导线需回转（成形 ） 滚齿时，渐开线母线需n1和n2展成,直导线需要直线运动f 3.1 金属切削机床设计的基本理论 3.1 金属切削机床设计的基本理论 机床的运动原理图 u将运动功能式用符合和图形表达出来。 u比运动功能式更为直观，全面。包含： n 机床的运动轴个数、形式及排列顺序； n 两个末端执行器和各运动轴的空间相对方位。 u典型运动原理图 n 车床：Cp主运

10、动，ZfXf进给运动；具有C轴功能的车床，C可与Z或X复 合成形，如车螺纹或非圆回转面； n 铣床： Cp主运动， XfYfZf进给运动 n 刨床：往复直线运动Xp为主运动，直线运动Yf为进给；Za为切入运动 。 3.1 金属切削机床设计的基本理论 典型运动原理图（续） u数控外圆磨床：Cp为主运动，Cf、Zf和Xf为进给运动；Ba为调整运动 n Xf和Zf复合，可用蝶形砂轮磨削长圆锥面或任意形状回转面； n Cf与Zf复合可磨削螺旋面； n 长轴纵向进给磨削时，Xf为Xa，是切入运动；（用进给运动符号表示) u摇臂钻床：Cp是主运动，Zf进给运动；XaZaCa都是调整运动 u镗床：Cp是主运

11、动，Zf1和Zf2分别是镗孔时工件与镗杆的进给运动； Yf是刀具径向进给，Ba是分度运动，Xa及Ya是调整运动（也可进给以铣削平面 ） 3.1 金属切削机床设计的基本理论 典型运动原理图（续） u滚齿机床：Cp是主运动，Cf和Zf是进给运动；两个C复合创成渐开线 n Cf与Zf复合创成螺旋导线，可加工斜齿轮； n Ba为调整运动，调整刀具的安装角，使刀具与工件齿向一致； n 直线运动Ya径向切入运动，径向进给法加工涡轮时，Ya为进给； n 有的还有Za 滚刀的轴向蹿刀运动，（加工涡轮时，为径向进给运动） u插齿：Zp是主运动；Cf1与Cf2进给，复合创成渐开线；Ya切入运动 3.1 金属切削机

12、床设计的基本理论 典型运动原理图（续） u直齿锥齿轮刨齿机 n Zp刨刀主运动，Cf与Cf复合展成，Ca是分度运动，Za趋近退离； Ba调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。 u弧齿锥齿轮铣齿机 n Cp铣刀回转主运动， n Cf摇架的摆动； n Cf工件回转 n 两个Cf复合展成； n Ca是工件分度运动； n Za趋近与退离； n Ba是调整运动 关于运动的分配四种铣床 3.1 金属切削机床设计的基本理论 运动功能分配设计（进一步明确运动功能） u基础支承件尚不明确，即“接地”不明确 n接地用符号“.”表示，“.”左侧由工件完成；右侧刀具完成 。 n如W/Xf,Zf,Yf,Cp/T的运动分配

13、有： W/Xf,Zf,Yf,Cp/T（龙门铣床、落地镗铣床） W/Xf Zf,Yf,Cp/T卧式立柱移动式铣床 W/Xf,Zf Yf,Cp/T（立式炮塔铣床） W/Xf,Zf,Yf Cp/T（立式升降台式铣床） n看刀具和工件的尺寸及质量谁大，谁承担的运动就相对少； 机床传动原理图（传动关系，将动力源与执行件，各执行 件之间的运动及关系同时表达出来） u看书上的图即可； uA表示直线运动；B表示回转运动；uv表示主传动比；uf表示进给传 动比；ui表示内联传动比。 3.1 金属切削机床设计基本理论精度 几何精度 u空载条件下，不运动或运动速度较低时，机床主要独立部件的： n 形状（直线度、平面

14、度） n 相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度）； n 旋转位移精确程度（径向圆跳动、周期性轴向窜动、端面圆跳动）等 u是评价机床质量的基本指标，决定于结构设计、制造装配质量 n 如(EZZ/EXZ/EYZ) Z坐标运动部件在各方向位置偏差； n (ECZ EBZ EAZ)Z坐标运动部件绕ZYX轴的角度偏差； 运动精度 u机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度 传动精度 u机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。 n 传统机床受传统系统设计、传动元件的制造装配精度影响； n 数控机床受电动机、导轨等元件精度、驱动器及控制器影响 3.1 金属切削机床设计基本理论精

15、度 定位精度 u机床的定位部件到达规定位置的精度 n 受构件与控制系统精度、刚度、动态特性影响。 重复定位精度 u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。 n 还受到传动机构的反向间隙影响。 工作精度 u加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。 n 影响因素有：机床自身精度、刚度、热变形、刀具、夹具、工件的刚 度及热变形等。 精度保持性 u在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。 n 影响因素是：磨损。具体：结构设计、工艺、材料、热处理、润滑等 3.1 金属切削机床设计基本理论刚度 刚度指机床受载时抵抗变型的能力，用： K=F/y表示，K为刚度（N/um);F为载荷；y为机床变形量（um） u载荷： n 重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动等。 静载荷（基本不随时间变化）静刚度（一般代表机床刚度） 动载荷（随时间变化）动刚度（抗振性） 机床由众多构件和柔性接合部组成 u整机刚度的50%取决于接合部刚度； u整机阻尼的50%-80%来自接合部阻尼 设计要点 u提高各部件刚度； u接合部刚度及各部件间刚度的匹配 u各部件对整机刚度贡献不同，所以需要刚度的合理分配与优化。 3.1 金属切削机床设计基本理论振动 振动 u抵抗受迫振动（来自内部或外部） n 受迫振动频率与振源激振力的频率相同，振幅还与