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1、第一章金属切削机床的总体设计 1 1机床的基本要求 1 2金属切削机床的设计步骤 1 3机床工艺方案拟定 1 4机床的总体布局 1 5主要技术参数的确定 1 本章基本要求与重点 1 了解机床设计的要求 步骤 2 了解机床工艺方案的拟定及总体布局 3 理解机床的主要技术参数 各参数的定义 4 掌握运动参数和动力参数的确定方法 本章难点 机床主轴转速的确定 2 1 1机床的基本要求 用户 制造者 基本要求 性能 技术 指标 经济效益 人机关系 机床种类繁多 如何来衡量一台机床的好坏 3 一 性能 技术 指标 机床适应不同生产要求的能力 包括 工序种类被加工零件的类型材料和尺寸范围毛坯的种类适应的生
2、产规模 1 工艺范围 专用机床 工艺范围窄 结构简单 自动化程度高 普通机床 工艺范围宽 结构复杂 自动化程度低 4 1 加工精度 被加工零件在形状 位置 尺寸的准确度以及表面的粗糙程度 2 加工精度和精度保持性 精度等级 普通级 精密级 高精度级和超精密级 基本组成 几何精度 机床在不运动或空载低速运动时的精度 是评价机床质量的基本指标 传动精度 内联系传动链两末端件执行相对运动时的精度 5 运动精度 机床在额定负载下运动时的主要零部件的几何位置精度 影响因素 定位精度 机床工作零部件运动终了时所达到的位置准确性和机床的调整精度 2 精度保持性 机床保持其原始加工精度的能力 6 生产率 单位
3、时间内机床所能加工出的工件数量 它受到生产纲领的制约 公式 Q 1 T总 1 T切 T辅 T准 n 提高生产率的方法 缩短T切 T辅和T准 n 3 生产率 T切 T辅和T准 n 7 优点 4 自动化程度 缺点 大批量生产 多品种小批量生产 措施 8 机床在规定使用期间内其功能的稳定程度和性质 5 可靠性 无故障性 机床在使用过程中不易发生故障 维修性 机床发生故障后容易维修 二 经济效益 制造者 措施 用户 9 研究对象 人 机械 环境 的综合体 三 人机关系 目的 通过对人体尺度 生理特点和心理要求的研究 为操纵人员提供高效 安全方便的劳动条件 发挥人机最高工作效能 设计时的考虑因素 机床的
4、造型和色彩 操纵控制机构应适应操作者的生理特点 避免和减少对环境的污染 特别是噪声污染 安全防护 冷却 排屑及照明等 10 1 2金属切削机床的设计步骤 一 总体设计1 调研2 工艺方案的拟定3 总体布局4 确定主要技术参数 掌握机床设计依据 确定零件的加工方法 以及获得零件表面所需的运动 确定刀具和工件之间的相对运动 以及各部件的相对位置 11 输出结果 12 二 技术设计 三 零件设计及资料编写 四 样机试制和鉴定 输出结果 输出结果 13 1 3机床工艺方案的拟定 主要内容 通用机床 工艺方案可参照已有的成熟工艺来设计 在传统工艺基础上 扩大工艺范围 以增加机床的功能和适应新工艺发展的需
5、求 工艺方案的拟定 通常根据特定工件的具体加工要求 确定出多种工艺方案 通过方案比较加以确定 专用机床 14 1 4机床的总体布局 保证工艺方案中所要求的工件和刀具之间的相对运动和相对位置 保证机床具有与所要求的加工精度和表面质量相适应的刚度 抗振性和热变形特性 使用方便 便于操作 调整 修理机床 便于输送 装卸工件 排除切屑 造型美观且经济效益高 基本要求 15 分配机床的运动选择传动形式和支承形式安排操作部位提高动刚度的措施造型设计 步骤 16 一 机床的运动分配 将运动分配给质量小的零部件 运动件质量小 惯性小 驱动力小 传动机构体积小 成本低 基本原则 应有利于提高工件的加工精度 如
6、深孔钻削 应有利于提高运动部件的刚度 运动应分配给刚度高的部件 可减少变形 应视工件的形状而定 17 图1 1铣床的几种布局 18 二 选择传动形式和支承形式 驱动电动机 进给运动传动 1 传动形式 主运动传动 19 3 支承形式 指支承件的形状 2 机床形式 机床主运动执行件的状态 20 图1 2卧式机床 21 图1 3立式机床 22 图1 4卧式支承 23 图1 5立式支承 24 图1 6单臂支承 25 图1 7龙门式支承 26 1 5主要技术参数的确定 机床主要技术参数 例 CA6140型普通车床的主要技术参数 尺寸参数1 主参数 工件最大回转直径400mm 2 第二参数 最大工件长度1
7、000mm 3 其它尺寸参数 刀架最大回转直径210mm 主轴内孔直径48mm 这些是与被加工零件尺寸有关的参数 27 运动参数1 主运动速度 10 1400r min24级2 进给运动速度 0 028 6 33mm r 横 纵进给各64级3 快移速度 4m min 动力参数1 主电机功率 7 5KW 与进给电机共用 2 快移电机功率 370W 28 定义 影响机床加工性能的一些尺寸 包括 一 尺寸参数 2 第二主参数 补充确定机床的规格 3 其它一些尺寸参数 与机床上被加工工件尺寸有关 1 主参数 代表机床规格的大小 由GB T15375 1994 金属切削机床型号编制方法 统一规定 每种机
8、床的主参数按等比数列排列 29 定义 机床运动执行件 如主轴 工作台或刀架的转速或运动速度 二 运动参数 表1 1常用运动参数 30 一 主运动为旋转运动的机床运动参数其运动参数是主轴转速 主轴转速同切削速度的关系是 式中v 切削速度 m min n 主轴转速 r p m d 工件或刀具的直径 mm 1 1 31 加工特定工件的特定工序 专用机床 二 机床主轴转速的确定方法 32 通用机床 工艺范围较广 33 三 通用机床主轴转速的确定步骤 1 nmax和nmin的确定 1 调查和分析所设计机床可能进行的工序 2 选择要求最高与最低转速的典型工序 3 按照典型工序的切削速度和刀具或工件直径来计
9、算主轴的nmax nmin和变速范围Rn 34 式中 dmax或dmin并不是指机床上可能加工的最大或最小直径 而是指常用的经济的最大或最小加工直径 计算公式 35 1 3 式中 D 可能加工的最大直径 mm K 系数 根据对现有机床使用情况的调查来确定 如摇臂钻床K 1 普通车床K 0 5 Rd 计算直径范围 Rd 0 2 0 25 dmax dmin的确定 36 vmax vmin的确定 影响因素 确定方法 37 实例 400mm普通车床nmax和nmin的确定 则dmax K D 0 5 400 200 mm dmin Rd dmax 50 mm nmax 1273 r p m nmax
10、的计算据分析 用硬质合金车刀对小直径钢材 半精车外圆时 主轴n最高 按经验并参考切削用量手册 取vmax 200m min k 0 5 Rd 0 25 38 根据上表的计算结果 应该选择 nmin 11 9 r p m nmin的计算据分析 下列两道工序所要求的主轴转速中较低的一个为主轴最低转速 39 2 分级变速时的主轴转速数列 主轴转速的最佳选择 无级变速 现状 绝大部分普通机床的主轴变速采用分级变速装置 nmax nmin的确定根据上述计算以及调查 比较的结果 并考虑有一定的技术储备 确定主轴的转速为 nmax 1600 r min nmin 10 r min Rn 160 40 n18
11、 17n1 nmax 17nmin 如 X6132铣床主轴共有Z 18级转速 41 主轴转速等比数列特点 转速范围内的最大转速相对损失均匀 1 5 公比 从生产率的角度来看 结论 主轴转速数列是按等比级数排列的等比数列 其公比用符号 表示 42 可简化变速传动系统Rn Z 1Z p1 p2 pn式中Z 主轴转速级数 pn 第n个滑移齿轮变速组的传动副数 1 6 公比 从机床结构复杂程度来看 在Rn相同的情况下 43 3 标准公比 表1 2标准公比 从表中可以看到 1 标准公比都是在1 2之间 2 标准公比是2的E2次方根 其数列每隔N项增大或缩小2倍 便于采用双速电动机 3 标准公比是10的E
12、1次方根 便于设计和使用机床 44 表1 3标准公比之间的关系 45 附表 公比 1 06的标准数列 46 4 公比的选用依据 生产率和机床结构复杂性 47 三 动力参数 定义 电动机功率 液压缸牵引力 液压马达或步进电机的额定扭矩等 电动机的功率 48 1 主运动电动机功率 切削功率可按下表计算 表1 4常用工序切削功率计算式 49 附加机械摩擦损失功率可按下式计算 空载功率可按教材P 17式 1 8 计算 1 7 粗略估算可用下列经验公式 1 9 50 2 进给运动电动机功率 进给运动与主运动共用电动机 进给运动与快速移动共用电动机 快速移动所消耗的功率 进给运动功率 电动机功率确定取决于快速移动功率 1 10 51 确定方法 采用参考同类型机床和计算相结合的方法 由于进给运动的速度较低 空载功率很小 所以在计算时可略去 2 11 进给运动电机功率取决于进给的有功功率和传动件的机械效率 即 单独使用电动机 52 3 快速移动电动机功率 快速移动电机在启动时的消耗功率最大 此时须同时克服惯性力和摩擦力 启动时的电动机功率为 式中P快 快速运动电动机功率 KW P摩 克服摩擦力所需的功率 KW P惯 克服惯性力所需的功率 KW K 安全系数 K 1 5 2 5 53 P惯的计算 P摩的计算1 水平运动 2 升降运动 2 13 2 14 2 15 54
