金属切削机床设计教学课件PPT

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1、2.1 概述 2.2 金属切削机床设计的基本理论 2.3 金属切削机床总体设计 2.4 主传动系设计 2.5 进给传动系设计 2.6 机床控制系统设计第二章 金属切削机床设计2.1 概述2.1.1 机床设计的基本要求2.1.2 机床的设计方法 *2.1.3 机床的设计步骤 2.1.4 机床的总体布局2.1.1 机床设计的基本要求1.工艺范围2.柔性 3.与物流系统的可亲 性4.精度和刚度5.生产率和自动化程 度6.机床的成本和生产 周期7.可靠性8.造型与颜色9.机床设计方法10.环境保护1.工艺范围指机床适应不同生产要求的能力（加工功能）。包括：机床可完成的工序种类，所加工零件的类型、材料和

2、尺寸范围、毛坯种类、加工精度和表面粗燥度。不同工艺范围对机床结构的影响： 如果机床的工艺范围过宽，将使机床的结构复杂 ，不能充分发挥机床各部件的性能；如果机床的工艺范围较窄，可使机床结构简单， 易于实现自动化，提高生产率。1.工艺范围不同的生产模式对工艺范围要求不同：单件大量生产要求加工效率高、工艺范围窄，机床结构简单。如：组合机床。单件小批量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。多品种小批量生产要求机床运动和刀具多，加工精度高，工艺范围广。如：数控机床、加工中心。通用机床都具有较宽的工艺范围；数控机床的工艺范围比传统通用机床更宽，使其具有良好的柔性；专用机床和专门化机

3、床则应合理地缩小工艺范围。2.柔 性机床的柔性，是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性和时间上的柔性。v所谓空间柔性也就是功能柔性。包括机床的通用性和同 一时期的机床重构能力；例如：对加工控制软件进行调整或 修改，适应多种零件的加工要求。v所谓时间上的柔性也就是结构柔性，指的是在不同时期 ，机床各部件重新组合，即通过机床重构，改变其功能，以 适应产品更新变化快的要求。3.与物流系统的可亲性可亲性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑）交接的方便程度。v对于单机工作形式的普通机床，是由人进行物料交接的，要求机床的使用、操作、清理、维护方便。v对于自动化柔性制造系统，机床与物流系

4、统(如输送线)是自动进行物料交接的，要求机床结构形式开放性好，物料交接方便。4.精度和刚度机床的精度分为几何精度和加工精度。v几何精度 指机床不运动或空载条件下机床本身的精度。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，取决于零部件的设计和制造装备精度。v加工精度 指加工后零件对理想尺寸、形状、位置的符合程度。影响加工精度的因素很多，与机床本身的几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速平稳性、动态刚度、热变形等有关。5.生产率和自动化程度v生产率是指在单位时间内机床加工合格产品的数量。要提高生产率，必须缩短单个零件的加工时间、装卸时间和分摊的准备

5、终了时间。v自动化是指利用装备取代或放大人的体力、取代或延伸人的部分智力而自动完成工作的性能。自动化程度越高，越能保证加工精度的稳定性，减少操作者的劳动强度。自动化大批量生产 采用组合机床、数控机床组成生产线；自动化单件小批量生产 采用有数控机床、加工中心构成的柔性制造系统，或者由柔性系统构成的自动化工厂。6.机床的成本和生产周期成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制 造、包装、运输、使用维护和报废处理等的费用，是衡量产 品市场竞争力的重要指标，应在尽可能保证机床性能要求的 前提下，提高其性能价格比。生产周期(包括设计和制造)是衡量产品市场竞争力的重 要指标，应尽可能缩短机床的生产周

6、期。这就要求机床设计 应尽可能采用现代设计方法，如CAD、模块化设计等。机床的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限， 也称精度保持性。7.可靠性v机床的可靠性是指机床在使用寿命期内完成规定功能的能力，分为：固有可靠性：通过设计、制造赋予机床。使用可靠性：受使用、维护方式和使用条件的影响。v可靠性是一项重要技术经济指标，分为：机床在规定时间内发生失效的难易程度；可修复机床在失效后在规定时间内修复的难易程度；2.1.2 机床总体方案的创新设计机床总 体方案 设计方 法试行设计法创成法特点类比分析、推理创成解析根据经验类 比分析寻求所有原理解创新能 力相对较 弱强2.1.3 机床的设计步骤1.总

7、体设计2.详细设计3.机床整机综合 评价4.定型设计2.1.3 机床的设计步骤1.总体设计（1）机床主要技 术指 标设计（2）总体方案设 计（3）总体方案综合评价 与选择（4）总体方案的设计修 改与优化u工艺范 围u运行模 式u生产率u性能指 标u主要参 数u驱动方 式u成本及 周期2.1.3 机床的设计步骤1.总体设计（1）机床主要技 术指 标设计（2）总体方案设 计（3）总体方案综合评价 与选择（4）总体方案的设计修 改与优化u运动功 能设计u基本参 数设计u传动系 统设计u总体机 构布局u控制系 统设计2.1.3 机床的设计步骤2.详细设计（1）技术设计（2）施工设计u传动系统u结构原理

8、u零部件装 配u零部件计 算u液压图u电气图u机床总装 图2.1.3 机床的设计步骤2.详细设计（1）技术设计（2）施工设计u自制零件 图u零件明细 表u设计说明 书u使用说明u检验方法u技术标准3.机床整机 综合评价4.定型设计2.2 金属切削机床设计的基本理论2.2.1 精度 2.2.2 刚度 2.2.3 抗振性 2.2.4 热变形 2.2.5 噪声 2.2.6 低速运动平稳性1、几何精度2、运动精度3、传动精度 4、定位精度5、工作精度 6、精度保持性2.2.1 精度机床刚度指机床系统抵抗变形的能力，用K=F/Y表示，机床刚度可分为静刚度和动刚度，习惯上说的刚度指静刚度。整机刚度反映整台

9、机床在静载荷作用下，各构件和结合面抵抗变形的综合能力。2.2.2 刚度指抵抗受迫振动的能力（即抗振性）和抵抗 自激振动的能力（即切削稳定性）。 1、受迫振动 2、自激振动3、影响机床振动的因素：（）机床的静刚度（）机床的阻尼特征（）机床系统的固有频率2.2.3 抗振性针对影响机床性能较大，且固有频率较低的振型制定 措施。 隔离外振源 主运动电动机与主机分离，用橡胶摩擦传动 驱动 主运动。 对于传动链振源 u采用变频无级调速或双速电动机，缩短传动链； u提高传动链传动组件、主轴组件的刚度； u大传动件设计动平衡或阻尼机构； u提高各部件结合面精度，增强局部刚度。预防受迫振动的措施：预防自激振动的

10、措施：u 增大工作部件的阻尼比u 调整切削宽度u 及时修磨刀具，稳定切削2.2.4 2.2.4 热变形热变形 内部热源：电动机、液压系统、机械摩擦副、 切削 热 外部热源：环境温度、周围热源辐射 自身因素：热源分布不均，金属材料不同的热膨胀 系数；减少热变形的措施： 隔离热源 电动机、液压泵、油箱与主机分离 控制环境温度 精密、数控机床需要在恒温条件下工 作 强制冷却热源 采用切削液冷却加工部位，压力润滑 油循环冷却主轴轴承、利于排屑。2.2.5 2.2.5 噪声噪声 噪声评价有客观度量和主观度量两种。 机床噪声来源于：机械噪声、液压噪声、电磁噪声 、空气动力噪声 机械噪声中，齿轮振动影响传动

11、平稳性，是主要噪声源。产生的因素是齿轮的精度，是由滚到的制造和安装误差以及齿轮的制造误差造成的。措施：缩短传动链，采用小模数、硬面齿轮，降低传动件的线速度和提高阻尼比，增加齿轮啮合重合度和提高支撑件的刚度。（1）爬行现象和机理2.2.6 低速运动平稳性（2）爬行的临界速度 Vc（mm/s）（爬行量、速度波 动量）2.2.6 低速运动平稳性f：静、动摩擦力之差；F ：导轨面的正压力；K ：传动系统的刚度；m ：运动部件的质量；：由导轨和传动系统的阻尼 比。对于一个运动系统，当高于临界速度 Vc，则不会出现爬 行现象。（3）消除爬行的措施1、减少静、动摩擦参数之差2、提高传动机构的刚度3、降低移动

12、件的质量4、提高阻尼比2.2.6 低速运动平稳性u 采用导轨油u 采用滚动摩擦代替滑动摩擦u 采用卸荷导轨 和静压导轨u 采用减摩导轨材料（3）消除爬行的措施1、减少静、动摩擦参数之差2、提高传动机构的刚度3、降低移动件的质量4、提高阻尼比2.2.6 低速运动平稳性u 机械传动u 液压传动2.3 金属切削机床总体设计2.3.1 机床系列型谱的制定2.3.2 机床的运动功能设计2.3.3 机床总体结构方案设计2.3.4 机床主要参数的设计机床分为十一大类，每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，合称为这类机床的系列和型谱。 2.3.1 机床系列型谱的制定（一）机床的工作原理通过

13、刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，并达到其精度要求。 2.3.2 机床的运动功能设计（二）工件表面的形成原理1. 几何表面的形成原理2. 发生线的形成 (1)轨迹法(2)成形法(仿形法)(3)相切法(4)范成法几何表面的形成原理 发生线的形 成 点刃车刀车外圆柱面宽刃车刀车外圆柱面圆柱砂轮纵向磨外圆柱面宽砂轮横向磨削外圆柱面发生线的形 成 相切法圆柱铣刀加工 短圆柱面轨迹法圆柱铣刀加工 短圆柱面滚齿加工3.加工表面的形成方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。故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

14、导线所需相对运动的组合。（三）机床运动分类1.按运动的功能分类 (1)成形运动： 主运动、进给运动主运动、形状创成运动(2)非成形运动：切入运动、分度运 动、辅助运动、控制运动2.按运动之间的关系分类 (1) 独立运动 (2) 复合运动（四）机床运动功能设计方案1.选取坐标系沿、轴的直线运动符号和运动量 仍用、表示；绕、轴的回转运动用、 表示，其运动量用表示。数控卧式车床坐标系数控卧式车床坐标系数控立式铣床坐标系数控立式铣床坐标系2. 写出机床运动功能式运动功能式表示机床的运动个数、形式（直 线或回转运动）、功能（主运动、进给运动、非成形运 动，分别用下标、表示）及排列顺序。左边写工件，用表示

15、。右边写刀具，用 表示。中间写运动，按运动顺序排列，并用“”分开。 3. 画出机床运动原理图机床运动原理图是将机床运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，是机床传动系统设计的依据。4. 运动功能分配设计运动功能分配设计是确定运动功能分配式中“接地”的位置，用“”表示，“”左侧的运动由工件完成，“”右侧的运动由刀具完成。机床运动的分配四 个 分 配 原 则运动分配给质量小的零部件运动分配应有利于提高工件的加工精度运动分配应有利于提高运动部件的刚度运动分配考虑工件的形状机床运动的分配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：钻床上的钻头运动。3、运动分配应有利于提高运

16、动部件的刚度 运动应分配 给刚度高的部件。如：磨床工作台和砂轮架的运动。4、运动分配考虑工件的形状 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，箱体件内孔在镗床或钻床上加工，工具旋转，工件 移动。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： 铣床上的铣刀运动；5. 机床传动原理图将动力源与执行件、一执行件和另一执行件之间的运动和传动关系同时表示出来，即传动原理图。2.3.3 机床总体结构方案设计（一）结构布局设计（二）机床总体结构的概略形状和尺寸设计主要进行功能（运动或支撑）部件的概略形状和尺寸 设计。2.3.3 机床总体结构方案设计（一）结构布局设计1、机床形式：指主运动执行件的状态；2、支撑形式：机床支撑件的状态；卧式支撑：支撑件高度方向尺寸长度方向尺寸；2.3.3 机床总体结构方案设计（一）结构布局设计立柱支撑单臂支撑龙门支撑2.3.4.1