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1、 机械制造装备设计第一章金属切削机床总体设计 机械与动力工程学院 第一章金属切削机床总体设计 第一节机床的基本要求 第二节机床的设计步骤 第三节机床的总体布局 第四节机床主要技术参数的确定 一 机床应具有的性能指标 二 人机关系 第一节机床的基本要求 1工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 一 机床应具有的性能指标 第一节机床的基本要求 第一节机床的基本
2、要求 1 工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 一 机床设计应满足的基本要求 第一节机床的基本要求 1 工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品
3、种小批量生产模式 专门化机床 一 机床设计应满足的基本要求 第一节机床的基本要求 第一节机床的基本要求 1 工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度 设计制造成本 加工效率和自动化程度 数控机床的发展 一 机床设计应满足的基本要求 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性
4、4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 机床在空载条件下 在不运动或运动速度比较低时各主要部件的形状 相对位置和相对运动的精确程度 它主要决定于结构设计 制造和装配质量 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 机床空载并以工作速度运动时 执行部件的几何位置精度 运动精度是评价机床质量的一个重要指标 与结构设计及制造等因素有关 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度
5、 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 传动精度是指机床传动系统各末端执行件之间运动协调性和均匀性 影响传动精度的主要因素是传动系统的设计 传动元件的制造和装配精度 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度 定位精度直接影响到被加工工件的尺寸精度和形位精度 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 机床的工作精度是指规定的试件的加工精度 工作精度是各种因素综合影响
6、的结果 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 在规定工作时间内 保持机床所所要求精度的能力 称为精度保持性 影响精度保持性的主要因素是磨损 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 5 刚度 指机床受载时抵抗变形的能力 静刚度 动刚度 指加工过程中 在切削力作用下 抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力 整机刚度的概念 机床是由许多构件结合而成的 在载荷作用下各构件及结合部都会产生变形 这些变形直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移 此位移的大小代表了机床的整机刚
7、度 第一节机床的基本要求 6 机床抗振能力 机床在交变载荷作用下 抵抗变形的能力 受迫振动 自激振动 抗振性 切削稳定性 影响原因 1 机床的刚度2 机床的阻尼特性3 机床的固有频率 改进措施 第一节机床的基本要求 7 热变形 由于机床各部位的温升不同 不同材料的热膨胀系数不同 机床各部分材料产生的热膨胀量不同 就会导致机床床身 主轴和刀架等构件产生变形 称之为机床热变形 通过温度场分析机床热源及其对热变形的影响 设计机床时采取相应措施 第一节机床的基本要求 10 自动化程度 11 生产率 13 生产周期 14 可靠性 15 造型与色彩 12 生产成本 第一节机床的基本要求 一 总体设计 二
8、技术设计 第二节机床的设计步骤 三 零件设计 四 样机试制和实验鉴定 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 产品规划 方案设计 技术设计 工艺设计 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 根据初步设计方案 在充分理解原理解的基础上 确定被设计机床的主要结构原理方案 1 机床的工艺范围 2 加工工件类型 生产率 批量要求 3 机床性能指标 4 确定机床主要参数 5 驱动方式 6 结构原理等在此基础上对主要功能结构进行构思
9、 初步确定机床材料形状等 进行粗略的结构设计 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 将结构原理方案进一步具体化 主要包括 1 机床的运动功能设计 2 主要参数设计 3 机床总体结构方案 包括运动功能分配 总体结构布局和结构方案图等 4 系统原理设计 包括传动系统 液压系统 控制系统等 5 经济核算等在此阶段 可对多种方案进行综合评价 选择好的方案 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 产品规划 方案设计 技术设计 工
10、艺设计 虚拟样机 第二节机床的设计步骤 第三节金属切削机床设计的基本理论 一 机床的运动学原理 不同的机床因其加工功能 加工方法 工件类型 加工表面形状等 的不同 实现加工功能所需要的运动也不同 第二节金属切削机床设计的基本理论 机床中严格的运动关系在机械传动的机床中是靠严格的内联动齿轮来实现的 在数控机床中是通过坐标轴的联动来实现的 所谓机床运动学是研究 分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置 即配置什么样的运动功能才能实现机床所需要的加工功能 一 机床的工作原理 机床的基本工作原理 通过刀具与工件之间的相对运动 由刀具切除工件上多余的金属材料 使工件具有要求的尺寸和精度的几何形状
11、 第二节金属切削机床设计的基本理论 车外圆面 车成形面 车床上镗孔 磨外圆面 钻孔 铣平面 铣成形面 一 机床的工作原理 可以看出 工件的加工表面是通过机床上刀具与工件的相对运动而形成的 第二节金属切削机床设计的基本理论 分析机床的工作原理就要分析机床的运动功能 分析机床的运动功能需要了解工件表面的形成方法 第二节金属切削机床设计的基本理论 二 工件表面的形成方法 1 几何表面的形成原理 任何一个表面可以看作一条曲线 直线 沿着另一条曲线 直线 运动的轨迹 发生线母线导线 几何表面的形成原理图示 1 2 a 平面 1 2 b 圆柱面 1 2 c 平面 1 2 d 圆锥面 1 母线 2 导线 2
12、 e 自由曲面 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发
13、生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 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 因此 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 第二节金属切削机床设计的基本理论 三 运动分类 1 按运动的功能来分 完成一个表面的加工所需
14、要的最基本的运动 根据运动在表面形成中的功能 又可分为主运动和形状创成运动 图3 3举例说明 切入运动 分度运动 辅助运动 控制运动 1 成形运动 2 非成形运动 一般机床多用主运动和进给运动描述 第二节金属切削机床设计的基本理论 三 运动分类 2 按运动间关系来分 1 独立运动 2 复合运动 第二节金属切削机床设计的基本理论 四 机床运动功能描述方法 1 坐标系的建立机床坐标系 X Y ZA U V W 局部坐标系 第二节金属切削机床设计的基本理论 四 机床运动功能描述方法 2 机床运动功能式运动功能式表示机床的运动个数 运动形式 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表
15、下标p f a表示 及运动排列顺序 例如 车床运动功能式 W Cp Zf Xf T三轴铣床运动功能式 W Xf Yf Zf Cp T 第二节金属切削机床设计的基本理论 机床运动功能图 运动功能图是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来 是认识 分析和设计机床传动系数的依据 图3 5机床运动功能图举例 运动功能图形符号 a 回转运动 b 直线运动 四 机床运动功能描述方法 第二节金属切削机床设计的基本理论 4 机床传动原理图 机床的运动功能图只表示机床运动的个数 形式 功能及排列顺序 不表示运动之间的传动关系 若将机床动力源与执行件 各执行件之间的关系同时表示出来 就是传动原理图 图3 6
16、传动原理图主要符号及示例 四 机床运动功能描述方法 定比传动机构 传动比和传动方向固定不变的传动机构 如定比齿轮副 蜗杆蜗轮副 丝杠螺母副等换置机构 根据加工要求可以变换传动比和传动方向的传动机构 如挂轮变速机构 滑移齿轮变速机构 离合器换向机构等 第二节金属切削机床设计的基本理论 4 机床传动原理图 四 机床运动功能描述方法 第二节金属切削机床设计的基本理论 5 并联机床原理简介 四 机床运动功能描述方法 并联机床简介 并联机床原理 机床运动功能方案设计 1 工艺分析 2 选取坐标系 3 写出机床运动功能式 4 画出机床运动功能图 5 绘制机床传动原理图 第二节金属切削机床设计的基本理论 第三节金属切削机床总体设计 一 机床系列型谱的制定 二 机床的运动功能设计 三 机床总体结构方案设计 四 机床主要参数的设计 第三节金属切削机床总体设计 一 机床系列型谱的制定 第三节金属切削机床总体设计 国家根据机床的生产和使用情况 规定了每一种通用机床的主参数系列 主参数系列是一个等比级数的数列 变型系列 基型系列 主参数标准 系列型谱 按照机床主参数标准 先确定一种用途最广 需求量较大机床作为
