金属切削机床总体设计课件

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1、机械制造装备设计,李益兵 Mail：,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 金属切削机床的设计步骤,第三节 机床的总体布局,第四节 主要技术参数的确定,第一节 机床的基本要求,机床的基本要求 具有良好的技术性能，满足使用要求；造型美观，色彩协调，有良好的人机关系；经济适用，质量好，成本低。,一、机床的主要技术性能,第一节 机床的基本要求,工艺范围 是指机床适应不同生产要求的能力（或功能）。 包括：可以完成的工序种类 可加工的零件类型、材料和尺寸范围 生产率和加工零件的单件成本 适用的生产规模 加工精度和表面粗糙度等。,1.工艺范围,多品种小批生产要求机床运动和刀具数目多

2、，加工精度高，加工效率高，工艺范围广。如：数控机床，加工中心，柔性制造系统。,第一节 机床的基本要求,不同的生产模式对机床的工艺范围要求不同。 大批量生产要求加工效率高，工艺范围窄，机床结构简单。如：专用机床，组合机床。 单件小批生产要求扩大机床功能，工艺范围广，机床结构复杂。如：通用车床，通用钻床等。,1.工艺范围,第一节 机床的基本要求,结构柔性 指对机床的某些部件只做少量修改或重组，就可迅速构成适应产品更新要求的新型加工机床。,2.柔性 柔性 是指机床适应加工对象变化的能力。机床的柔性包括功能柔性和结构柔性。,功能柔性 指对机床的加工控制软件进行调整或修改，就可方便的改变机床的加工功能，

3、适应变型零件的加工要求。,第一节 机床的基本要求,零件的加工精度 指被加工零件的形状位置精度、尺寸准确度、表面粗糙度。,3.加工精度,几何精度 指机床不运动或空载低速运动时的精度。 几何精度反映机床主要零部件的几何形状精度、相对位置、相对运动轨迹精度，是评价机床质量的基本指标。几何精度取决于零部件的结构设计和制造装配精度。,机床的精度分为3级：普通、精密和高精密，同一类别的公差值1：0.4：0.25；不同类别的普通级机床公差等级不相等。 机床精度主要包括：,第一节 机床的基本要求,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的调整精度。,精度保持性 指机床加工精度应保持的时间

4、，也称使用寿命。 不同类型、不同精度的机床，其精度保持性是不同的。,运动精度 指机床在额定负载下运动时主要零部件的几何位置精度。 运动精度是评价机床的重要指标，它取决于运动部件的制造精度、机床零部件的动态刚度和热变形程度。,传动精度 指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。传动精度取决于传动件的制造精度和传动系统的设计合理性。,第一节 机床的基本要求,生产率 指机床在单位时间内能加工的工件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，其生产率就越高。 机床的生产率是衡量生产技术的先进性、生产组织的合理性和工人工作积极性的重要指标。,4.生产率和自动化,自动化 指机床在无人工干预的情况下，按规定动作

5、要求通过机械、电子或计算机的控制，自动完成加工的性能。机床自动化程度越高，加工精度的稳定性越好，可有效地减少工人的劳动强度。,自动化的大批生产 采用组合机床、数控机床组成自动生产线。 自动化的单件小批生产 采用由数控机床、加工中心构成的柔性制造系统，或由柔性制造系统构成自动化工厂。,第一节 机床的基本要求,5.可靠性,可靠性的衡量指标：平均无故障工作时间及有效度。,可靠性是机床一项重要的技术经济指标，它包括两个方面： 机床在规定时间内发生失效的难易程度； 可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。,第一节 机床的基本要求,5.可靠性,可靠性的衡量指标：平均无故障工作时间及有效度。, 平均无故

6、障时间：MTBF=总工作时间/总故障次数 平均修复时间MTTR：指一台机床从出现故障开始直至能正常使用所用的平均时间。 有效度A：可维修的机床在某特定的时间内维持其性能的概率,第一节 机床的基本要求,6.其他要求,使用寿命：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问，即精度保持性。 确保和提高机床寿命，主要是提高一些关键性零件的耐磨性，并使主要传动件的疲劳寿命和它相适应。 中小型机床，寿命约八年。,抗振性：机床抵抗受迫振动的能力。 和机床的结构刚度、阻尼特性、主要零部件的固有频率有关。机床抵抗切削自激振动的能力称为切削稳定性。,刚度：指机床各零部件抵抗弹性变形的能力。

7、,第一节 机床的基本要求,6.其他要求,机床效率：消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。 两者的差值=损失；主要是摩擦损失，而摩擦损失转化为热量，引起机床的热变形。,第一节 机床的基本要求,6.其他要求,三化：产品系列化、零部件通用化和标准化，便于机床设计、使用与维修。 系列化（systematization） ：同一类型的机床应有哪些尺寸规格和型式（基型和变型）。机床品种系列化工作包括： 制定机床的参数标准； 编制机床的系列型谱；进行机床系列设计。 机床的参数标准：主参数和第二主参数。主参数系列通常是等比数列，公比为1.26、1.41、1.58等. 例如摇臂钻床最大钻孔直径系列为25、4

8、0、63、80、100、125mm。其中63mm以下公比为1.58，大于63mm一段公比为1.26。,第一节 机床的基本要求,6.其他要求,三化：产品系列化、零部件通用化和标准化，便于机床设计、使用与维修。 部件通用化（generalization） ：把相类似的机床的若干部件或零件相互通用起来，扩大生产批量，充分发挥工艺装备的能力，降低成本，缩短周期，由于部件、零件都是经过生产考验的，因此，还可以提高机床的可靠性。 零件标准化（standardization）： 机床零件一般分为专用件、通用件、标准件和外购件四类。标准件是由国家或行业标准化。零件标准化程度高，可使成本下降1/41/3。,第一

9、节 机床的基本要求,机床的整体及操纵应符合人的生理和心理特征，实现人机环境协调统一，提供舒适、可靠、高效的工作条件。,1.信号指示系统 显示方式、显示器的位置等应该易于操作者无误的接受。 2.操纵件 符合人的动作习惯，操纵灵活方便、迅速、省力，不易产生误操作或故障。 3.造型、色彩和噪声 机型应美观大方，色彩协调，噪声低。,二、人机关系,第一节 机床的基本要求,机床的经济实用 是指机床在满足应有的加工功能、可靠性和人机关系的前提下，还要求有良好的经济性，即成本低。,三、经济实用,机床的成本低贯穿在机床产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、实用、维护、再利用和报废处理等费用，是衡量产

10、品市场竞争力的重要指标。,因此，应尽可能在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。,第二节 金属切削机床的设计步骤,1.调研、检索和收集各种信息、掌握机床设计依据。 2.工艺分析 对资料进行工艺分析，拟出几个加工方案，进行经济效果预测对比，找出性能优良、经济适用的工艺方案。 3.总体布局 根据确定的工艺方案，分配机床运动，选择传动和支承形式，安排操作位置，拟订提高动刚度的措施，造型与色彩设计。画出各种传动原理图、部件结构草图、操纵控制系统原理图、机床联系尺寸图。 4.确定主要技术参数尺寸参数、运动参数、动力参数。,机床设计步骤包括：总体设计，技术设计，零件设计，样机试制，试验鉴定。,一、总

11、体设计（总体方案拟定 ）,第二节 金属切削机床的设计步骤,1.样机试制 设计人员应跟踪机床试制全过程，特别注重关键零件，及时指导修正其加工工艺、加工和装配。,3.批量生产 根据工业性试验总结，鉴定意见改进完善设计，投入批量生产。,2.试验鉴定 首先进行空车试运转，再进行工业实验（在额定载荷下进行试验工作），工作一段时间后，检测其精度，写出试验总结。,第二节 金属切削机床的设计步骤,四、样机试制和鉴定,第三节 机床的总体布局, 决定机床所需的运动，如何实现所需运动； 确定机床的组成部件，各个部件产生运动以及怎样产生； 工件如何安装加工； 各种运动如何控制； 如何设置合理的操作位置。,一、机床的总

12、体布局,机床的总体布局包括：根据已确定的零件加工方法和应具有的运动来确定如下设计：,第三节 机床的总体布局,3.运动分配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。如：外圆磨床工作台和砂轮架的运动。,4.运动分配应考虑工件形状 不同形状的工件，所需的运动部件不一样。如：圆柱形工件内孔在车床上加工，工件旋转；箱体件内孔常在镗床或钻床上加工，刀具旋转，工件移动。,2.运动分配应有利于提高工件的加工精度 运动部件不同，加工精度不同。如：钻床上钻头的运动。,1.运动分配给质量小的零部件 运动件质量小，惯性力小，需要的驱动力小，传动机构体积小，制造成本低。如：铣床上铣刀的运动。,一、分配机床的

13、运动, 电气传动 可简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，广泛用于数控机床的主运动。其进给运动采用伺服电动机齿轮传动滚珠丝杠螺母。,第三节 机床的总体布局, 机械传动 靠滑移齿轮变速，变速级数30级。传递功率大，变速范围较广，传动比准确。但存在相对转速损失，工作中不能变速。广泛用于通用和专用中小型机床的主运动和进给运动。,二、传动形式和支承形式的选择, 液压传动 能实现无级变速传动，传动平稳，运动换向冲击小，易实现直线运动，适用于刨床、拉床、大型磨床的主运动；铣床、磨床和组合机床的进给运动。,1. 传动形式,第三节 机床的总体布局,（2）支承形式 指机床支承件的形状，分为卧式支

14、承：支承件高度方向尺寸长度方向尺寸。卧式机床可用卧式支承，也可用立式支承。如图示：,（1）机床形式 指主运动执行件的状态。,2.支承形式,卧式支承 重心低，刚度大，执行件在两个方向运动，广泛用于中小型机床。,第三节 机床的总体布局,立式机床的立式支承实例,立式支承 占地面积小，刚度较卧式差，执行件可在纵、横、垂直三个方向运动，用于加工大尺寸工件和箱体工件的机床。,龙门支承（框架式） 刚性好，能承受冲击力。但支承件多，结构复杂。适用于大型工件的加工、多工件同时加工。,第三节 机床的总体布局,单臂支承、龙门支承 如：摇臂钻床，龙门铣床。,单臂支承 其立柱上增加了可上下移动的横向悬梁，结构简单，但刚

15、性差。加工时动力头离立柱越远，横臂根部的弯矩越大。,第三节 机床的总体布局,1.操作者和工件的相对位置适当 （1）为便于装卸工件、观察加工情况、检测工件，应保证人在操作过程中的的正常视距，一般为50760mm（最佳560mm）。 （2）卧式机床主轴高度在9001200mm ，立式大型机床的工作台高度在700mm左右，立式中小型机床的工件安装在9501050mm,2.操作者与操纵手柄的位置适当 保证操作准确、省力、方便 （1）单工位中小型机床，常用手柄应集中设置在操作者正常活动范围（ 1200mm）内，不常用手柄就近设置。 （2）多工位机床，可采用连动控制机构。 （3）大型和重型机床，切削面太高

16、，应设置阶梯式操作平台。,三、合理安排操纵部件,第三节 机床的总体布局,4.信号源位置及颜色的设置 （1）信号设置应符合人的视线习惯从左到右，从上到下。 （2）信号颜色应易于人眼识别。如红色按钮代表危险、禁止；黄色按钮代表提醒、警告；绿色按钮代表安全、正常工作状态。,3.操纵件的设置及操纵方向 （1）操纵件之间有合理的距离。 （2）手柄操作方向应与运动件产生的运动的方向一致。 运动件作直线运动，应顺时针转动手轮，运动件应作离开、向右、向上运动； 运动件作旋转运动，手轮的旋转运动应与运动件一致； 运动件作径向运动，顺时针转动手轮，运动件作向心运动,（2）自激振动 预防措施：增大机床主轴组件的阻尼比，调整切削宽度，及时修磨刀具，稳定切削。,隔离外振源 主电动机与主机分离，用橡胶带轮驱动主运动。 减少传动链内振源 采用变