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1、第二章 金属切削机床总体设计总体设计是对所设计机床提出的设想，该设想是以后机床部件和零件设计的依据。 设想中包括工艺方案、参数、总布局、传动和控制系统等。1现代制造装备及自动化2.1 机床设计应满足的基本要求性能要求经济效益人机关系2现代制造装备及自动化2.1.1 性能要求一、工艺范围二、柔性三、与物流系统的可亲性四、加工精度和表面粗糙度五、生产率六、自动化七、可靠性八、噪声九、机床寿命3现代制造装备及自动化2.1.1 性能要求一、工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。一般包括在机床 上完成的工序种类、加工零件的类型、材料和尺寸范围以及 毛坯的种类等。通常根据生产批量和零件类型确定机床的工艺
2、范围。大量生产 专用机床 生产批量单件、小批生产 通用机床、加工中心 零件多变 工艺范围宽，工序多工艺范围窄 4现代制造装备及自动化通用机床：工艺范围宽，适用于小批、单件生产，可 进行多种零件、多种工序的加工。如车床、铣床等。数控机床：工艺范围更广，适用于多品种小批量的要求加工中心：具有刀库和自动换刀装置，一次装夹能进行 多面多工序加工，工艺范围宽，且加工精度 高。5现代制造装备及自动化2.1.1 性能要求二、柔性是指机床适应加工对象变化的能力。n 功能柔性 指在同一时间内，机床 能够适应多品种小批量的加工。 n 结构柔性 指在不同时期，机床各 部件重新组合，构成新的机床功能， 即通过机床重构
3、，改变其功能，以适 应产品更新变化快的要求。6现代制造装备及自动化2.1.1 性能要求三、与物流系统的可亲性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切 屑等）交接的方便程度。n 普通机床单机 由人进行物料交换。 n 自动化柔性制造系统 自动进行物料交接，要 求机床结构形式开放性好，物料交接 方便。7现代制造装备及自动化四、加工精度和表面粗糙度加工精度是指被加工零件在尺寸、形状和相互位置等 方面所能达到的准确程度。1、机床精度几何精度：指机床在不运动或运动速度较低时机床各 主要部件之间的相互位置精度和主要零件 的形位精度。传动精度：指机床传动链两末端件之间运动的协调性 和均匀性。取决于传动系
4、统中传动件的制造精度、装配精度以及传动系统设计的合理性。8现代制造装备及自动化运动精度：指机床在以工作速度运动时，主要零部件的 精度。定位精度：指机床主要部件在运动终点所达到的实际位 置的精度。以上四项是在空载条件下检测的，称为 静态精度。工作精度：指机床对规定试件或工件进行加工的精度。不仅能综合反映出各项静态精度，而且 还反映机床的刚度、抗振性及热稳定性。9现代制造装备及自动化2、机床精度等级：机床的精度分为三级：普通级、精密级和高精度级。三种精度等级的公差大致为1:0.4:0.25。10现代制造装备及自动化2、工件表面粗糙度和机床抗振性工件表面粗糙度与工件和刀具的材料、进给量、刀具的几何
5、形状和切削时的振动有关。机床的抗振性n抵抗受迫振动的能力n抵抗自激振动的能力机床的受迫振动是在内部或外部振源作用下产生，若振源频率 接近机床整机或某个重要零部件的固有频率时，会发 生共振。机床的自激振动产生于切削过程中，由于内部具有某种反馈机 制而产生，随着振动的加剧，已加工表面的波纹度将 越来越大，严重影响表面质量。11现代制造装备及自动化为提高机床抗振性，应采取以下措施：1）提高机床主要零部件及整机的刚度，提高其固有频率，使其远离机床内部或外部振源的频率；2）改善机床的阻尼性能，特别注意机床零件结合面之间的接触刚度和阻尼，对滚动轴承及滚动导轨作适当预紧；3）改善旋转零部件的动平衡状况，减少
6、不平衡激振力，这一点对高速机床尤为重要。12现代制造装备及自动化五、生产率指单位时间内机床所能加工的工件数量，即生产率；单件加工时间；单件切削时间；单件加工过程中的辅助时间；加工一批工件的准备与结束时间；一批工件的数量。13现代制造装备及自动化六、自动化机床自动化分为两种：1、大批大量生产的自动化通常采用自动化单机和由它们组成的自动生产线。2、单件小批量生产自动化通常采用数控机床、加工中心或由它们组成的柔 性制造单元（FMC）和柔性制造系统 （FMS） 等。14现代制造装备及自动化七、可靠性指在规定时间内，机床无故障运行的概率。是与时间有关的质量指标，是产品功能在 应用过程中的保持性。生产线、
7、FMS、FA等对可靠性要求高。倘 若因一台机床出故障而停车，往往会影响全线 或某一部分的自动化生产。15现代制造装备及自动化八、噪声机床噪声源来自四个方面：n 机械噪声n液压噪声n电磁噪声n空气动力噪声16现代制造装备及自动化九、机床寿命指机床保持它应具有的加工精度的时间。确定原则：1、专机寿命短，随产品更新而废弃；2、中、小型机床，寿命810年；3、大型机床、精密级、高精密级机床，寿命长 些。17现代制造装备及自动化2.1.1 性能要求一、工艺范围二、柔性三、与物流系统的可亲性四、加工精度和表面粗糙度五、生产率六、自动化七、可靠性八、噪声九、机床寿命18现代制造装备及自动化2.1.2 经济效
8、益反映在两个方面：1、制造厂方面：研制开发、制造和管理等 2、用户方面：保证加工性能，高可靠性，能 耗低。2.1.3 人机关系1、操纵方便省力，操纵具有直觉性； 2、造型美观大方，色彩和谐； 3、污染少，噪声低。19现代制造装备及自动化2.2 机床总体设计机床工艺方案拟定运动方案拟定确定技术参数机床总体布局20现代制造装备及自动化2.2.1 机床工艺方案拟定主要内容有：确定加工方法、刀具类型、工件的工 艺基准及装夹方式等。n工件是机床设计的依据。一种工件的加工，可采用多种 工艺方案来实现，则设计的机床也不同。n通用机床的工艺方案可参照已有的成熟工艺来设计，但 要根据市场的需求，增加机床功能和适
9、应新工艺发展的 要求。n专用机床工艺方案的拟定，通常根据特定工件的具体加 工要求，确定出多种方案，通过方案比较加以确定。21现代制造装备及自动化2.2.2 机床运动方案拟定主要内容有： 确定机床运动的类型 传动联系 运动的分配 传动方式等。22现代制造装备及自动化一、机床运动类型的确定机床运动表面成形运动 辅助运动简单成形运动复合成形运动旋 转 运 动切 入 及 退 刀 运 动直 线 运 动旋 转 运 动直 线 运 动空 行 程 调 整 运 动操 纵 和 控 制 运 动23现代制造装备及自动化二、机床运动的分配遵循原则：1、简化机床的传动和结构一般把运动分配给重量小的执行件，如毛坯为棒料的自动
10、车 床，由工件旋转作为主运动。2、提高加工精度如深孔加工3、缩小占地面积大型外圆磨床，为了缩短床身、减少占地面积，多采用砂轮 架纵向移动实现进给运动。24现代制造装备及自动化三、机床传动形式选择机床有机械、液压、电气、气动等多种传动形式，每种形式中又可采用不同类型的传动元件案。为满足机床运动的功能要求、机床性能和经济要求，要对多种传动方案进行分析、对比、合理选择传动形式，并与机床的整体水平相适应。25现代制造装备及自动化2.2.2 机床技术参数的确定机床技术参数尺寸参数运动参数动力参数第 二 主 参 数其 他 尺 寸 参 数主 运 动 参 数进 给 运 动 参 数空 行 程 功 率进 给 运
11、动 功 率主 运 动 功 率主 参 数26现代制造装备及自动化2.3 机床的总布局n是解决机床各部件间的相对运动和相对位置的关系n使机床具有一个协调完美的造型n总布局的好坏对设计、制造、使用影响很大。 机床的基本形式 影响机床总布局的因素 机床的联系尺寸27现代制造装备及自动化一、机床的基本型式卧式： 重心低，占地面积大，适于加工细而长或行程长的工件；立式：占地面积小，工人操作位置灵活，适于加工径向尺 寸大而轴向尺寸 短的工件；单臂式：适于方便地更换点位进行加工，刚度较差，如摇臂钻床；龙门式：机床刚度和加工精度高，适于箱体件的加工。数控机床和加工中心：布局与普通机床不同。28现代制造装备及自动
12、化数控卧式车床立式车床29现代制造装备及自动化摇臂钻床龙门铣床30现代制造装备及自动化31现代制造装备及自动化二、影响机床总布局的因素影响因素主要有：工艺方法、运动分配、机床性能和操作方便性。1、工艺方法加工圆柱齿轮的机床：工艺方法 机床运动 刀具 生产率 精度成形法 简单 多 滚齿 复杂 少 采用不同的工艺方法，将导致机床、刀具、运 动的数量及分配不同，即机床总布局不同。32现代制造装备及自动化2、运动分配1）坯料的形式车削加工棒料、卷料2）工件形状、尺寸立式钻床和深孔钻床车外圆： 轴类、盘类工件-卧式车床大直径盘类 -落地车床特大直径、重型盘类-立式车床3）占地面积的大小小型外圆磨床：工件
13、进给大型外圆磨床：砂轮架进给工件长度工作台行程33现代制造装备及自动化落地车床34现代制造装备及自动化升 降 台 铣 床床 身 式 铣 床龙 门 铣 床龙 门 移 动 式 龙 门 铣 床4）工件重量35现代制造装备及自动化单臂龙门铣床龙门移动式龙门铣床36现代制造装备及自动化3、机床性能1）提高传动精度：精密丝杠车床：取消进给箱，主轴挂轮丝杠丝杠布置在两导轨之间2）提高刚度：重型机床，采用框式结构数控车床，采用倾斜床身3）减少振动：精密和高速车床常采用分离传动，将电动机和变速箱等振动较大的部件与执行部件(如主轴)分装在两个地方。4）减少热变形：油箱与床身分开，放置于床身之外37现代制造装备及自
14、动化4、操作、观察与调整对布局的影响1）机床各部件的相对位置的安排，应考虑到便于操作和观察及 测量2）安装工件部位的高度和深度，应正好处于操作者手臂平伸的 位置。3）操作、调整部位和工作区域各操作手柄的安排，应考虑到人 在站立和坐下时的基本尺寸和手臂的活动范围。4）对于生产率和自动化程度较高的机床，还应注意排屑问题。38现代制造装备及自动化5、机床的造型与色彩造型：整体统一，均衡稳定，比例协调，美观大方；色彩：增加机床的美感，贴近自然，稳定，明快；装饰和点缀：商标，荣誉质量标记，安全标志等。39现代制造装备及自动化二、影响机床总布局的因素1、工艺方法2、运动分配3、机床性能4、操作、观察与调整
15、方便5、机床的造型与色彩40现代制造装备及自动化三、机床的联系尺寸在机床的联系尺寸中应包括：1、机床的外形尺寸，长宽高，各部件的轮廓尺寸。2、各部件间的连接、配合和相关位置的尺寸。3、移动部件的行程和调整位置的尺寸。4、机床的装料高度和操纵台的高度尺寸5、机床主机与液压站和电气柜的间距。41现代制造装备及自动化42现代制造装备及自动化本章小结2.1 机床设计应满足的基本要求性能要求、经济效益、人机关系2.2 机床总体设计工艺方案、运动方案的拟订，技术参数2.3 机床的总布局机床的基本形式影响机床总布局的因素机床的联系尺寸43现代制造装备及自动化思考题1、机床设计应满足哪些基本要求？2、机床总体设计包含哪些内容？3、机床总布局要注意的问题有哪些？44现代制造装备及自动化
