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1、绪 论一、机械制造业在国民经济中的地位机械制造业是国民经济各部门赖以发展的基础，是国民经济的重要支柱，是生产力的重要组成部分。机械制造业不仅为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种生产设备、仪器仪表和工具，而且为制造业包括机械制造业本身提供机械制造装备。机械制造业的生产能力和制造水平标志着一个国家或地区的科学技术水平、经济实力。机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床，精密零件的加工，主要依赖切削加工来达到所需要的精度。金属切削机床所担负的工作量约占机器制造总工作量的4060%，金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品
2、质量和劳动生产率。换言之，一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然，金属切削机床在国民经济现代化建设中起着不可替代的作用。二、机械制造装备的状况及发展前景不同的“经济模式”对制造装备的要求不同；制造装备决定了“经济模式”。工业发达国家为了将先进技术、先进生产模式、先进工艺应用于制造业，增强其经济实力，非常重视机械制造业的发展，尤其是机械制造装备工业的发展。在刚刚过去的二十世纪中,对机械制造装备进行了多次更新换代。五十年代为“规模效益”模式，即少品种大批量生产模式；七十年代，是“精益生产”（Lean Production）模式，以提高质量，降低成本为标志
3、；八十年代，较多的采用数控机床、机器人、柔性制造单元和系统等高技术的集成机械制造装备；九十年代，机械制造装备普遍具有“柔性化”、“自动化”和“精密化”的特点，适应多品种小批量和经常更新产品的需要。我国过去实行计划经济，传统产业的改造进展缓慢，机械制造业的装备基本上处于工业发达国家五十年代的水平，适应“规模效益”的生产模式。改革开放以来，我国机械制造装备工业迅猛发展。目前我国已能生产从小型仪表机床到重型机床的各种机床，能够生产出各种精密的、高度自动化的以及高效率的机床和自动生产线；已经具备了成套装备现代化工厂的能力。有些机床已经接近世界先进水平。我国已能生产100多种数控机床，并研制出六轴五联动
4、的数控系统，分辨率可达1m，适用于复杂型体的加工。我国生产的几种数控机床已成功用于日本富士通公司的无人工厂。虽然我国机械制造装备工业取得了很大成就，但与世界先进水平相比还有很大差距。主要表现为：大部分高精度和超精密机床还不能满足现实需求，精度保持性较差；高效自动化和数控自动化装备的产量、技术水平、质量、可靠性指标等方面都明显落后；数控系统多为引进产品。例如：到1990年底，我国数控机床的产量仅为全部机床产量的1.5%，产值数控化为8.7%。而日本同期机床产值数控化率为80%；国外已能生产1519轴联动的数控系统，分辨率达0.10.01m。目前，我国已加入世界贸易组织。经济全球化时代已经到来，我
5、国机械制造工业面临严峻的挑战。我们必须发愤图强，努力工作，不断扩大技术队伍和提高人员技术素质，学习和引进国外的先进科学技术，大力开展科学研究，尽快赶上世界先进水平。三、机械制造装备的组成机械制造装备包括加工设备、工艺装备、工件输送装备和辅助装备。它与制造方法、制造工艺紧密联系在一起，是机械制造技术的重要载体。1 加工设备主要指金属切削机床，特种加工机床如电加工机床、超声波加工机床、激光加工机床等，以及金属成型机床如锻压机床、冲压机、挤压机等。2 工艺装备工艺装备是机械加工中所使用的刀具、模具、机床夹具、量具、工具的总称。3 工件输送装备工件输送装备主要指坯料、半成品或成品在车间内工作地点间的转
6、移输送装置，以及机床的上下料装置。加工工件输送装置主要应用于流水线和自动生产线上。输送装置的主要类型有：悬挂输送装置；辊道输送装置，即有一系列装在固定框架（型钢组成）上的托辊形成的输送装置，靠人力或工件重力输送工件；由刚性推杆推动工件作同步输送的步伐式输送装置；带有抓取机构，即能为机床上下料，又能在两工位间输送工件的机械手；由连续运动的链条带动工件或随行夹具作非同步运行的链条输送装置。4 辅助装备辅助装备包括清洗剂、排屑装置和计量装置等。排屑装置用于自动线或自动机床上，从加工区域将切屑清除，然后输送到机床外或自动加工生产线外的小车内。清除切屑常用压缩空气、冷却液冲刷等方法。输送切屑装置常用平带
7、输送器、螺旋输送器、刮板输送器。四、本课程主要研究内容根据专业教学指导委员会推荐的指导性教学计划，本教材仅包括金属切削机床设计、刀具设计、机床夹具设计等机械制造装备设计的主要内容。工件输送装备、辅助装备的设计等内容并入机械制造自动化技术课程。第一章 金属切削机床的总体设计机床的总体设计是机床设计的关键环节,对机床的技术性能和经济性指标起着决定性作用。机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟定出性能先进，经济性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的主要技术参数。第一节 机床的基本要求
8、金属切削机床是利用去除表面材料的方法获得零件所需的形状、尺寸，机床的性能直接影响到零件的加工精度、生产效率和生产成本。因而机床应具有良好的技术性能，满足使用要求；同时，机床要造型美观，色彩协调，有良好的人机关系；在此基础上，机床应尽量经济实用，质优价廉。一、机床应具有的性能指标1工艺范围机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的的能力。包括可加工的零件类型、形状和尺寸范围，能完成的工序种类等。不同的生产模式对机床的工艺范围要求不同。大批量生产工序分散，要求一台机床只完成一个零件的一道或几道工序的加工，加工效率高，工艺范围窄。适应这种生产模式的机床是专用机床和组合机床。单件小批量生产，工序集中，要
9、求机床完成尽可能多的工序，工艺范围广。适应这种生产模式的机床是普通机床和万能机床。多品种小批量生产模式，要求机床适应一定的加工对象的变化，即在同一时期内，适应多品种的加工；机床运动数目多、刀具种类多数量多，工艺范围更广，且加工精度高、加工效率高。适应这一生产模式的机床是数控机床和柔性制造单元、柔性制造系统。2加工精度机床的加工精度是指被加工工件表面的形状位置、尺寸的准确度，表面的粗糙程度。机床的精度分为三级：普通精度机床；精密机床；高精度机床。同一类别的三种精度的机床，其公差值的比值约为10.40.25。不同类别的普通级机床的公差等级是不同的，它们是按其工艺特点确定的。如：车床CA6140与万
10、能磨床M1432A皆为普通机床，但M1432A的精度显著比CA6140要高。机床的精度，包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度等。几何精度指机床在不运动（机床主轴不转动、工作台不移动等情况下）或空载低速运动时的精度，它反映了机床主要零部件的几何形状精度和它们间的相对位置与相对运动轨迹的精度。如导轨副的直线度，主轴的旋转轴心线对工作台移动方向的平行度或垂直度，主轴的全跳动等。它主要取决于零部件的结构设计和制造装配精度。几何精度是评价机床质量的基本指标。传动精度指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度，它取决于传动零件的制造精度和传动系统的设计合理性。运动精度指机床在额定负载下运动时主要零部件
11、的几何位置精度。运动精度是评价机床质量的重要指标。它取决于运动部件的制造精度和机床零部件的动态刚度(在载荷下机床抵抗变形的能力)以及机床热变形的程度。动刚度与静刚度成正比，在共振区中与阻尼比近似成正比。可通过提高机床零部件的静刚度和阻尼来防止共振，提高动刚度。定位精度指机床工作零部件运动终了时所达到的位置的准确性和机床调整精度。机床设计不仅要保证机床的加工精度，而且要使机床的加工精度保持一定时间，即精度保持性。精度保持性又称为使用寿命。随着技术设备更新的加速，机床的使用寿命也在减短，中小型普通精度级通用机床包括组合机床的使用寿命约为8年；由于产品的更新换代较快，专用机床的使用寿命较通用机床短；
12、大型机床和精密机床、高精度机床，重量大、价格高，使用寿命较长。提高机床关键零部件（如主轴轴承和导轨副）的耐磨性，可延长机床的使用寿命。3生产率和自动化机床的生产率是指机床在单位时间内所能加工的工件数量。要提高机床生产率，必须缩短单个工件加工过程的总时间，包括切削加工时间、装卸工件等辅助时间及分摊到每个工件上的准备和终了时间。提高切削速度、大吃刀深度、大走刀量，多刀多刃切削（如将刨削平面改为铣削）等，可减少单件加工时间，提高生产率。采用机械手等机构自动装卸工件、自动换刀，利用气动、液动、电动、离心等夹紧机构自动装卡工件，可减少辅助时间，从而提高生产率。机床的自动化程度越高，它的生产率就越高。另外
13、，机床的自动化可减少人对加工的干预，保证被加工工件的精度稳定性；还可减少操作者的劳动强度。机床的自动化分为大批大量生产自动化和单件小批量生产自动化。大批大量生产自动化，采用自动化单机（如组合机床、自动机床包括数控机床）组成生产流水线。单件小批量生产自动化，采用数控机床、加工中心组成能控制加工、工件输送的高灵活性高效自动化生产系统，简称柔性制造系统（Flexible manufacturing system）。多个柔性制造系统可形成工厂自动化（Factory automatizatoin），能够进行多品种小批量生产自动化。5 可靠性机床的可靠性是指机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力。它是
14、一项重要的技术经济指标。可靠性包括两方面，一是机床在规定时间内发生失效的难易程度；二是可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。从可靠性考虑，机床不仅要求在使用过程中不易发生故障，即无故障性；而且要求发生故障后容易维修，即维修性。按机床可靠性的形成机理，机床可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是通过设计、制造赋予给机床的；使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。一般使用可靠性总低于固有可靠性。衡量机床可靠性的指标有平均无故障工作时间、有效度。如：CK3263B转塔数控车床，平均无故障工作时间为200小时，有效度0.95；CA6140车床为5000小时、0.95，大修周期为
15、10年；精密丝杠车床SG8630、超高精度车床SI235为4500小时、0.95，大修周期7年；无心磨床M1040为120小时、0.99；高精度无心磨床MG1050为100小时、0.98。二、人机关系机床除具有一定的计术性能指标外，还应有良好的人机关系。即使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误的接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。机床造型应美观大
16、方，色彩协调，提高作业舒适度。另外，应降低噪声，减少噪音污染。第二节 金属切削机床的设计步骤机床设计大致包括总体设计，技术设计，零件设计，样机试制、试验鉴定四个阶段。一、总体设计1掌握机床的设计依据跟据设计要求，进行调查研究，检索有关资料，包括技术信息、实验研究成果、新技术的应用成果等，类似机床的使用情况，要设计机床的先进性，国际水平等相关资料。通过市场调研，搜集资料，掌握机床设计的依据。2工艺分析将获得的资料进行工艺分析，拟定出几个加工方案，进行经济效果预测对比，从中找出性能优良、经济实用的工艺方案（加工方法、多刀多刃等）。必要时画出加工示意图。3总体布局按照确定的工艺方案，进行机床总体布局。进而确定机床刀具和工件的相对运动，确定各部件的相互位置。其步骤是：分配机床运动，选择传动型式和机床的支承型式，安排操作
