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1、第六章 金属切削机床总体设计,机床设计：是设计人员根据使用部门的要求和制造部门的可能性，运用有关的 科学技术知识所进行的创造性劳动。 分为三个阶段： （1）最出的经验设计阶段 （2）试验设计阶段 （3）计算机辅助设计和优化设计阶段 机床设计课包含的内容： 1、设计的指导思想（设计的基本要求）。 2、设计的方法、步骤。 3、总体方案的设计。 4、传动系统的设计。 5、各机构的设计计算（操纵机构、换向、变速、制动）。 6、各主要零部件的设计计算（主轴、箱体、床身等）。 7、各运动件的设计计算。 8、机床的冷却、润滑、密封系统的设计。 9、电器系统的设计。 10、绘制图纸。 11、编写设计、使用说明
2、书。 12、样机生产、试车、改进设计、鉴定。,第一节 概 述,评价机床性能的好坏，主要是根据技术经济指标来判断的。 一、机床产品设计要求 1.性能要求 1）、工艺范围（工艺可能性） 机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。大致包括下列 内容：1在机床上可完成的工序种类。 2加工零件的类型、材料和尺寸范围。 3毛坯的种类等。 确定工艺范围的依据：生产纲领 （1）大批大量生产 为提高生产率，按工序分散原则，设计成专门化机床或专用机床， 工艺范围窄，生产率高，结构简单，成本低。 （2）单件小批生产 为使在一台机床机床上完成多种工序的加工，适用不同的使用部门的需要，设计成通用机床，有较宽的变速范
3、围，尺寸参数和较多的机床附件，扩大机床的使用范围。,2）、生产率和自动化程度 生产率：单位时间内机床所能加工出的工件数量。 - 单位时间内产品总数 T切 - 单件切削时间 T总 - 单件总时间 T辅 - 单件辅助时间 T准 - 加工一批零件的准备和结束时间 n - 一批零件的数量 自动化程度，可用自动化系数表示 K自=T自/T循 T自 - 一个工作循环中,由机床自动进行工作的时间. T循 - 完成一个工作循环的总时间,3）、加工精度和表面粗糙度 1）几何精度 机床在不运动或运动速度低时部件间相互位置精度和主要零部件的形位精度。 几何精度由机床的制造精度和装配精度决定的。 2）运动精度 机床在以
4、工作速度空运转时,主要零部件的几何位置精度。 3）传动精度 机床传动链两端执行件间的运动协调性和均匀性。 传动精度由传动系统设计的合理性和传动件的制造精度和装配精度所决定的。 4）定位精度 机床主要部件在运动终点所达到的实际位置的精度。,4）、可靠性 机床在规定的使用时间内,其功能的稳定程度和性质.即要求机床不轻 易发生或尽可能减少发生故障。 故障-机床或其零部件失去规定的性能。 维护-为了维持使用可靠性所采取的措施。 5）、机床的机械效率和寿命 机床的机械效率是指消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。 机床的寿命是指机床保持它具有加工精度的使用期限。包括使用寿命、 设计寿命、自然寿命。
5、6）、噪 声 生理学上,把人们不需要的声音统称为噪声，即不同频率和不同强度的 声音，无规律的组合在一起即成噪声。 普通机床85分贝以下。 精密机床在75分贝以下。,2. 经济效益 在保证实现机床性能要求的同时，还必须使机床具有很高的经济效益。不仅要考虑机床设计和生产的经济效益，更重要的是从用户出发，提高机床使用厂的经济效益。 机床生产厂的经济效益，主要反映在机床成本上，成本与设计直接有关，金属消耗量小，结构工艺性好,成本低。 3、人机关系 机床的操纵必须方便、省力、容易掌握、不易出现操作上的错误和故障。 机床的外形必须合乎时代要求，美观大方的造型，适宜的色彩，均能使操作者有舒适宜人的感觉。,二
6、、 机床产品设计的方法 机床设计经历了由静态分析向动态分析，由定性分析向定量分析，由线性分析向非线性分析，由安全设计向优化设计，由手工设计向自动化计算的发展过程。,1. 理论分析计算和试验研究相结合的设计方法 理论分析计算和试验研究相结合的设计方法是机床设计的主要方法。这 种方法首先是根据理论计算和局部试验确定结构尺寸，制造样机；对样机进 行整机或局部薄弱环节的各种试验；最后补充修改定性。 2. 分析计算法 1) 集中参数法 集中参数法计算机床动态特性时，把机床构件看成由若干质量的质点和 无质量的弹簧组成的振动系统。 2) 有限元法 有限元法是把结构假象分割成有限个单元，而把一个连续体作为这些
7、离 散单元的集合体来看。,3. 优化设计 优化设计就是在一定的条件下，合理选择有关参数，以获得一个技术经济指标最佳的设计方案。 4. 可靠性设 计 可靠性设计是以可靠性作为评定设计质量的一项指标而进行的设计，它是使设计产品在使用中不产生故障的设计方法和技术。 三、机床产品开发设计工作 1. 机床设计开发时应注意的问题 1) 机床设计时要有创造性 2) 坚持为用户服务 3) 重视机床零部件的外委与采购 2. 机床设计的步骤 大体分为：调查研究、拟订方案、技术设计、工作图设计、编制技术文件和对图样进行工艺审查和标准化审查六个阶段。 1）调查研究 （1）调查使用单位的条件、要求和调查制造单位的生产加
8、工能力。 （2）收集国内外的技术资料、科学成果、经验总结及群众的发明创造。,2) 拟定方案 方案的内容：工艺分析、主要技术参数、总体布局、传动系统、液压系统、控制操纵系统、电系统、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济分析等。 3) 技术设计 根据机床总体设计方案，绘制机床总图、传动系统图、部件装配图、液压与电气装配图、并进行运动计算和动力计算。 4) 工作图设计 绘制机床的全部专用件的工作图和通用件的补充加工图，并进行相应的计算。 5) 编制技术文件 整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，制定精度和其它检验标准，编写机床说明书等技术文件。具体技术文件的名称和内容有： (
9、1) 专用件、通用件、标准件和外构件明细表。 (2) 设计说明书或技术设计书。 (3) 机床使用说明书。,6) 对图样进行工艺审查和标准化审查 对图样进行工艺审查和标准化审查，审查合格后才能使用。 3. 样机试制和鉴定 如果所设计的新产品是成批生产的产品，在工作图设计完成后，应进行 样机试制以考验设计。对样机要进行试验和鉴定，合格后再进行小批试制， 用以考验工艺。 在试制、试验和鉴定的过程中，根据暴露出来的问题，对图样进行修改，并可利用计算机对机床结构进行优化设计。,第二节 机床产品标准化,机床品种系列化、零部件通用化和零件标准化统称标准化，模块化是通用 化的发展，其目的是便于机床设计、制造、
10、使用和维修。 一、机床品种系列化 机床品种系列化工作包括三部分工作：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。 制定机床的参数标准，主要是确定某类型机床的主参数系列和第二主参数。 机床的系列型谱，是在确定了机床主参数系列后，根据加工零件要求、零 件外形、生产批量大小和机床使用条件而编制的。 机床的系列设计是根据机床系列型谱进行的。它的工作内容包括整个系列 型谱的技术任务书，进行系列内各产品的设计、样机试制、图样定型等工作。 二、零部件通用化 通用化的设计，是在行业内部利用较少的几种结构，去适应较多的产品的 需要，以减少企业生产的零、部件种数，使设计和制造周期大大缩短，使制造
11、厂的生产和管理过程简化，以获得较高的经济效益。,三、零部件标准化 机床零部件一般可分为专用件、借用件、标准件和外购件等几种。标 准件是由国家或行业标准化了的，在各种机床或机器上都可以通用的零部 件。 零部件的通用化和标准化，其优点是：减少设计工作量，扩大生产批 量，减少工艺装备，便于管理生产和组织专业化生产，降低成本保证质量。 四、机床的模块化 模块化是通用化的发展，在模块化的初步，使各个部件独立，并有几 种方案可供选择。 模块化的进一步是生产的社会化，各种模块（也简称“单元”）可由专 门的工厂制造，作为商品，向社会供应。由于各种模块由专门工厂集中生 产，质量易于保证。,第三节 机床产品性能评
12、定指标与价值分析,一、机床产品性能评定指标 1.机床精度 机床精度包括几何精度、传动精度、运动精度及定位精度等几个方面。 机床的精度等级可分为三级：普通精度级、精密级和高精度级。这三种精度等级的允差大致比例为10.40.25。 各类机床精度验收标准已由国家规定，它规定了检验项目，测量方法和公差。 2.机床强度 在受固定不变的或变动较小的工作载荷时应进行静强度计算，其计算载荷即额定载荷。机床的额定载荷是指传递机床全部功率时的最大交变载荷。 3. 静刚度 机床的刚度是指作用载荷与变形的比值，它表示机床抵抗变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称为静刚度，抵抗交变载荷变形的能力称为动刚度。习惯上所说的刚
13、度，往往指静刚度。,4. 抗振性 抗振性对机床也是一个重要的评价指标，当振源的频率与机床的固有频率或其倍数重合时，机床将发生共振，使振幅激增。机床的抗振性与它的结构刚度、阻尼特性及固有频率有关。可以采取提高系统的固有频率、系统的阻尼能力或采用各种消振器与阻尼器等措施提高机床的抗振性。 5. 低速运动和平稳性 某些低速运动或微动进给机构如果一旦发生爬行也会影响加工精度和表面光洁度。只有消除爬行才能达到低速运动的平稳。 6. 耐磨性 为了使机床能在长期工作中保持必要的精度，在设计机床时必须考虑耐磨性。 7. 热变形 机床在工作时受到机床内部热源及外界温度的影响会产生热变形。热变形能影响机床精度。
14、8. 噪声 随着机床的功率和转速的提高以及自动化功能的增加，机床噪声问题日益突出。在无防护条件下，一定强度与频率的噪声不仅对听觉器官有损伤，同时对神经系统及心血管系统也有不良影响。 以上各种评价指标相互间都有一定联系。,二、机床产品价值分析 为了提高使用价值，必须用最低的成本获得产品必要的功能。价值、功能、成本三则关系可用下式来表达：,功能一定成本降低，或成本一定功能增加，都使价值提高。机床成本与功能之间互相关联又互相制约。 应当指出，衡量机床产品价值的最终标准主要是应以用户厂所创造的技术经济效果为依据。,第四节 机床的总布局,机床总布局的设计，是指按工艺要求设计机床所需的运动，确定机床的组成
15、部件，以及确定各个部件的相对运动和相对位置关系，确定操纵、控制机构在机床中的配置，并使机床具有协调美观、色彩清新的外型和宜人性。 一、机床初步设计 机床初步设计的内容包括：机床运动的分配、支承形式的确定、传动形式的选择、机床性能的考虑等。 1. 机床运动的分配 机床上的工艺方法确定后，刀具与工件在切削加工时的相对运动也被随之规定了。机床运动的分配是由多方面因素决定。 1) 在分配机床运动时，必须注意其有利于保证加工精度。 2) 在分配机床运动时，应把运动分配给重量小的执行件。 3) 在分配机床运动时，还要考虑到刚度的提高和能缩小占地面积。,2. 支承形式的确定 机床中常用的支承件有：床身、底座、横梁和横臂等。根据机床的支承形式可归纳以下4种机床的基本型式。 1) 一字形支承 支承件是床身、 或床身与底座的组合，具有这种支承形式的机床，称为卧式机床。 2) 柱形支承 支承件是低柱和立柱与底座的组合，具有这种支承形式的机床，称为立式机床。 3) 槽形支承 支承件是床身（或底座）、立柱、横梁三者的组合，具有这种支承形式的机床，称为单臂式机床。 4) 框形支承 支承件由床身、横梁及双立柱组合而成，形成封闭的框形结构，称为龙门式机床。,3. 传动形式的选择 机床的传动有机械传动、液压传动、气动、电气传动等多种形式及上述 形式的综合。合理的机床传动形式应满足下列要求： 1）
