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1、Design of Mechanical Manufacturing Machining 机械制造装备设计1第一章 金属切削机床的总体设计第一章 金属切削机床的总体设计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。2第一章 金属切削机床的总体设计一、机床应具有的性能指标1. 工艺范围也可称之为机床的加工功能。机床工艺范围包括工件类型 、加工方法、加工表面形状、毛坯类型、加工尺寸范围等 。生产模式决定了机床的工艺范围，
2、机床的工艺范围将直接 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。加工功能：是由机床的运动数目决定的；加工范围：运动的有效工作行程决定；第一节 机床的基本要求3第一章 金属切削机床的总体设计2. 加工精度包括尺寸精度、形状精度、相互位置精度及表面粗糙度， 并能在机床长期使用中保持这种状态，机床本身必须具备 的精度称为机床精度。各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和高精度级。在设计阶段应主要从机床的精度分配、元件及材料选择等 方面来提高机床精度。机床精度能反映机床本身误差的大小，它主要包括机床的 几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、工作精度及 精度保持性等。4第一章 金
3、属切削机床的总体设计1）几何精度 指机床空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不移动等情况下）或运动速度较低时，各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。描述机床独立部件相对理想的线或面的形状特征（直线度、平面度），位置（平行度、垂直度、重合度、角度等）、旋转（径向圆跳动、轴向串动、端面圆跳动）、位移偏差程度（位置偏差、线性偏差、角度偏差）。几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。它主要决定于结构设计、制造和装配质量。5第一章 金属切削机床的总体设计2）传动精度 指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。反映了机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。影响传
4、动精度的主要因素是传动系统的设计的合理性、传动元件的制造精度及其装配精度。尤其是末端件的加工和装配。对数控机床而言，其主要影响因素是电动机、驱动器及控制等。6第一章 金属切削机床的总体设计3）运动精度 指机床空载并以工作速度运动时，机床运动执行件的几何位置精度。（额定负载运行）如高速回转主轴的回转精度，工作台运动的位置及方向精度等，随着油膜的动压效应及滑动面的形位误差而变化，对高精度机床的影响是不容忽视的，变化量越大，精度越低。取决于运动链的设计、元件加工和装配质量、运动速度、动态刚度、热变形程度等。7第一章 金属切削机床的总体设计合理设计运动链，提高静刚度和阻尼，来提高动刚度。对于高速精密机
5、床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。4）定位精度 指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。即实际位置与要求位置之间误差的大小。定位精度主要反映机床的测量系统、进给系统和伺服系统的特性。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。8第一章 金属切削机床的总体设计5）工作精度 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。工作精度是各种因素综合影响的结果，各种因素中包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、夹具及工件的刚度及热变形等。所以，工作精度能反映机床的刚度、抗振性、热稳定性等特性。9第一章 金属切削机床的总体设计6）精度保持性 指在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。精度
6、保持性又称为机床寿命。该项指标由机床某些关键零件的首次大修期所决定。对于高精度机床，精度保持性是一项重要的评价指标。影响精度保持特性的主要因素是磨损，而磨损是由结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等因素决定的。提高机床关键零部件的耐磨性，可提高机床的寿命。10第一章 金属切削机床的总体设计3. 生产率和自动化机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的合格工件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产效率越高。机床本身而言，工艺范围增加，可能使加工效率下降；但就工件的制作过程而言，工艺范围增加，减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，有可能提高总生产率。对用户而言，
7、使用高效率的机床，除可提高生产效率外，还可以降低工件的加工成本。11第一章 金属切削机床的总体设计机床的自动化程度越高，则加工效率越高，加工精度的稳定性越好，越容易适应自动化制造系统的要求。同时，机床的自动化程度高，还可以有效地降低工人的劳动强度，便于一人看管多台机床，大大地提高劳动生产率。大批量生产自动化：自动化单机（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：数控机床、加工中心等组成的柔性制造系统。12第一章 金属切削机床的总体设计4. 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。即保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的加工
8、功能时，无故障运行的概率要高。机床的可靠性是一项重要的技术经济指标。可靠性包括两个方面：一是机床在规定时间内发生失效的概率；二是可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。13第一章 金属切削机床的总体设计从可靠性考虑，机床不仅要求在使用过程中不易发生故障，即无故障性；且要求发生故障后容易维修，即维修性。衡量机床可靠性水平高低的各种可靠性数量指标主要有：可靠度、累积失效概率（不可靠度）、失效率（故障率）、平均寿命和平均无故障工作时间、可靠寿命、维修度、修复率、平均修复时间、瞬时有效度、平均有效度以及极限有效度等。14第一章 金属切削机床的总体设计二、人机关系（人机工程学）产品设计除满足应具有一
9、定的技术性能指标外，还应满足人机工程学方面的要求，即应有良好的人机关系。人机工程学是研究人机关系的一门学科，它把人和机作为一个系统，研究人机系统应具有什么样的条件，才能使人机实现高度的协调性，人只需付出适宜的代价而使系统取得最大的功效和安全。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到生理学、解剖学、心理学、劳动卫生学等理论和方法，是一门综合性的边缘学科。15第一章 金属切削机床的总体设计人机工程学评价大致包括以下几方面的内容：1）人的因素方面产品设计时应充分考虑与人体有关的问题，如人体静态与动态的形体尺寸参数、人对信息的感知特性，人的反应及能力特性，人在劳动中的心里特征等。使设计的产品符合人们
10、的生理和心理特点，具有一个安全、舒适、可靠和高效的工作条件。人的因素主要反映在人体静态尺寸、动态尺寸、操纵力以及视觉和听觉特性等方面。16第一章 金属切削机床的总体设计2）机器因素方面机器因素主要包括信号显示装置设计、操纵装置设计、安全保障技术以及人体舒适性和使用方便性等几方面。3）环境因素方面环境因素主要包括作业空间、物理环境和化学环境等。4）人机系统方面机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。另外应降低噪声，减少噪音污染。17第一章 金属切削机床的总体设计第二节 金属切削机床的设计步骤一、总体设计1. 掌握机床的设计依据根据设计要求，进行调查研究，检索有关资料，通过市场调研，掌握机床
11、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，选出最优方案，绘制加工示意图。18第一章 金属切削机床的总体设计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，确定各部件的相对位置。步骤：分配机床运动，选择传动形式和机床的支承型式，安排操作位置，拟定提高动刚度的措施，造型设计与色彩选择等。另外，应绘制传动原理图、主要部件的结构草图、液压系统原理图、电气原理图、操纵控制系统原理图。绘出机床联系尺寸图机床原始总图。19第一章 金属切削机床的总体设计总体设计阶段应采用可靠性设计原理，进行预防故障设计。即按下述六原则进
12、行设计：采用成熟的经验或经分析试验验证了的方案；结构简单，零部件数量少；多用标准化、通用化零部件；重视维修性，便于检修、调整和拆换；重视关键零件的可靠性和材料选择；充分运用故障分析成果，及时反馈，尽早改进。20第一章 金属切削机床的总体设计4. 确定主要的技术参数机床的主要技术参数包括主参数和基本参数，后者可包括机床的尺寸参数、运动参数及动力参数。机床的主参数代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数。机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数，它与机床的加工性能影响较大；运动参数是指机床执行件的有关运动参数；动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达、伺服电动机或步
13、进电动机的额定转矩等。21第一章 金属切削机床的总体设计二、技术设计根据已确定的主要技术参数设计机床的传动系统，绘出机床的传动系统图。设计部件装配图时可采用计算机辅助设计、可靠性设计以及优化设计，对主要零件进行分析计算或优化。绘制液压部件装配图，绘制电气控制系统图和相应的电气系统安装接线图。修改和完善部件装配图和总联系尺寸图；绘制机床总装配图。22第一章 金属切削机床的总体设计三、零件设计设计机床的全部自制零件图，编制标准件、通用件和自制件明细表。撰写设计说明书和使用说明书，制定机床的检验方法和标准等技术文档等。四、样机试制和鉴定在机床设计完成后，可进行实物样机的试制。样机的试制后应进行空运转
14、试验和工业性试验。进行样机鉴定，改进完善设计，进行批量生产。23第一章 金属切削机床的总体设计工艺分析只确定零件的加工方法，以及机床要获得零件加工表面要求应具有的运动。如何实现这些运动，由哪个部件执行运动以及怎样产生所需的运动，工件加工时的安装方位，机床运动的控制以及操作的位置等，将是机床总体布局阶段所要解决的问题。合理确定机床的总体布局，是机床设计的重要工作，它对机床的设计、制造与使用都有很大的影响。第三节 机床的总体布局24第一章 金属切削机床的总体设计一、分配机床的运动1. 将运动分配给质量小的运动部件运动部件质量小，惯性小，需要的驱动力就小，传动机构体积小，一般其制造成本较低。25第一
15、章 金属切削机床的总体设计26第一章 金属切削机床的总体设计27第一章 金属切削机床的总体设计28第一章 金属切削机床的总体设计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。3. 运动分配应有利于缩小机床的占地面积运动应分配给刚度高的部件。4. 运动的分配应视工件的形状而定不同形状的工件，需要的运动部件也不一样。29第一章 金属切削机床的总体设计二、选择传动形式和支承型式机床传动和支承相互配置的目的是为工件和刀具产生相对运动而实现加工过程。机床支承结构的目标和功能在于：支承完成加工过程的运动部件承受加工过程的切削力或成形力承受部件运动所产生的惯性力承担加工过程和运动副摩擦
16、所产生热量的影响。机床结构设计的挑战就是如何保证机床结构在各种力载荷和热的作用下变形最小，同时又使材料和能源的消耗最小。30第一章 金属切削机床的总体设计机床型式是指主运动执行件（多为主轴）的布置方式；支承型式则是指支承件的结构形状特征。当支承件的高度方向尺寸小于长度方向尺寸时称为卧式支承，当支承件的高度方向尺寸大于长度方向尺寸时称为立式支承。机床型式与支承形式并没有绝对的对应关系，卧式机床可以采用卧式支承（鲜有立式支承）；立式机床可采用卧式支，也可用立式支承。31第一章 金属切削机床的总体设计卧式支承的机床，重心低，刚度大，是中小型机床的首选支承型式。通常工人在机床的前面进行操作，适于加工细而长的工件或需
