《机械制造装备设计(3)、赵雪松等主编》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造装备设计(3)、赵雪松等主编（314页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械制造装备设计,主讲教师 李辉 机械工程学院 机械制造教研室,第3章 金属切削机床的设计,第一节 金属切削机床设计概述 第二节 金属切削机床设计的基本理论 第三节 金属切削机床总体设计 第四节 机床主传动系设计 第五节 机床进给传动系设计 第六节 机床主轴部件设计,3.1 金属切削机床设计概述,从事机床设计的人员，应妥善处理既要赶超国际水平，又要符合我国国情；既要技术上先进，又要经济效果好；既要好造，又要好用、好修。要努力实践，大胆创新，更多地设计和制造出生产率高，静动态性能好、结构简单，成本低、使用方便、节省能源，造型美观的具有我国风格的机床。,第3章 金属切削机床的设计,现代化工业生产的
2、特征主要表现在高生产率和先进的技术经济指标两方面，而这些则首先取决于机械制造工业提供的装备的技术水平。机床工业是机器制造业的重要部门，担负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，在整个国民经济中占有重要地位。一个国家机床工业的技术水平，机床的拥有量和现代化程度，是衡量这个国家工业生产能力和技术水平的重要标志之一。,第3章 金属切削机床的设计,3.1.1 设计机床的基本要求,在现代工业技术高度发展的情况下，同一技术问题可以用不同的方案来解决，不同方案有不同的技术经济效果。评价机床技术经济效果的目的是择优选用技术先进、经济效果显著的最佳可行方案。 评价机床性能的优劣，主要是根据技术
3、经济指标来判断的。机床设计的技术经济指标可从满足性能要求、经济效益和人机关系等方面进行分析讨论。,第3章 金属切削机床的设计,对机床技术经济效果做出适当的评价，不仅是设计制造部门的事，也是使用部门的事。影响技术经济效果的因素很多，需要有一套科学、简明、实用的指标，把技术因素和经济因素相结合，当前效益与长远效益相结合，定量指标和定性指标相结合来进行综合评价。机床技术经济效果的分析可分为以下三个方面进行：,第3章 金属切削机床的设计,（1）在选择机床设计方案时，进行多方案的技术经济效果估算和比较，从中选出最佳方案。 （2）机床总体设计完成后，进行技术经济效益的预算和分析。 （3）机床试制完成后，在
4、验收时进行技术经济效益的核算和分析，并加以改进。 为了获得一定的经济效益，对所设计的机床一般有如下几方面的基本要求：,第3章 金属切削机床的设计,1. 工艺范围,任何一台机床所能完成的加工零件类型、零件尺寸、毛坯形式和工序都是有一定范围的。通用机床可以完成一定尺寸范围内的各种零件的多种工序加工，而专用机床只能完成一个或几个零件的特定工序。机床工艺范围窄，则机床结构较简单，容易实现自动化，生产率也较高。但机床工艺范围过窄，会限制加工工艺和产品的革新；盲目扩大机床工艺范围将使机床结构趋于复杂；不能充分发挥各部件的性能，甚至影响机床主要性能的提高，增加机床成本。,第3章 金属切削机床的设计,通用机床
5、适用于小批、单件生产，产品多变。机床应能完成尽可能多的工序，适应各种工业部门的需要。这类机床应具有较宽的变速范围和相适应的尺寸参数，以及配有较多的附件等，以便扩大机床的应用范围。专用机床或专门化机床工艺范围较窄，只能担负某几道工序甚至某一道工序的加工，机床只能实现简单的工作循环。加工件的类型、材料和尺寸范围也都限制在很小的范围内，毛坯的种类也是单一的。这类机床一般只能用于大批、大量生产。,第3章 金属切削机床的设计,为了扩大机床工艺范围，可在通用机床，尤其是大型机床和专用机床上增设各种附件，把不同的工艺综合到一台机床上。如车镗床、镗铣床等。有些特形零件，虽然批量不大，但使用通用机床或不能满足要
6、求，或占用通用机床不经济，也须设计专用机床。这时，其工艺范围与批量无关，主要从满足工件要求和简化机床方面考虑。机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。包括在机床上可完成的工序种类；加工零件的类型、材料和尺寸范围；毛坯的种类等。,第3章 金属切削机床的设计,机床功能的增加，将使机床的结构复杂程度增加，制造难度、制造周期及制造成本增加。对于生产率而言，功能的增加可能使生产率下降。就机械制造系统而言，机床功能的增加，将会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，会使总的生产率提高。机床的功能主要根据被加工对象的批量来选择。大批量所用专用机床的功能设置较少，只要满足特定的工艺范围要求，以获得提
7、高生产率、缩短机床制造周期及降低机床成本等效果。单件小批量生产所用通用机床则应扩大机床的功能。,第3章 金属切削机床的设计,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。 所谓空间柔性也就是功能柔性，指的是在同一时期内，机床能够适应多品种小批量的加工，即机床的运动功能和刀具数目多，工艺范围广，一台机床具备有几台机床的功能。 所谓时间上的柔性是指结构柔性，指在不同时期，机床各部件重新组合，构成新的机床功能，通过机床重构，改变其功能以适应产品更新变化的要求。,第3章 金属切削机床的设计,3精度,机床应保证被加工零件达到规定的精度和表面粗糙度。并能在机床长期使
8、用中保持这些精度和表面粗糙度，工件的精度和表面粗糙度是由机床、刀具、夹具，切削条件和操作者等方面的因素决定。就机床方面来说，要保证被加工零件的精度和表面粗糙度，机床本身就须具备一定的几何精度、运动精度、传动精度和动态精度。,第3章 金属切削机床的设计,几何精度是指机床在不运转时部件间相互位置精度和主要零件的形位精度，如主轴中心线相对滑台移动方向的平行度或垂直度，主轴的端面跳动和径向跳动，工作台工作面的平面度等。这些精度是由机床制造和装配精度决定的。运动精度是指机床在以工作速度运转时主要零部件的几何位置精度，如在高速下运动的主轴或工作台的几何位置。随油膜韵动压效应变化及滑动面的形位误差而变化，这
9、种变化对于加工精度要求较高的磨床，坐标镗床等是不能忽视的。,第3章 金属切削机床的设计,传动精度是指机床传动链各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。对于内联系传动链，传动精度尤其重要，如精密丝杠车床主轴和刀架之间的传动链，滚齿机刀具主轴和工件主轴之间的传动链，要求传动链两端保持严格的定传动比。传动精度由传动系统的设计、传动件的制造和装配精度等决定。常用几何精度的检验作为制造机床的精度检验。对于通用机床，国家已规定了检验标准，对专用机床可根据加工零件的要求参照相应的通用机床为检验标准而决定。,第3章 金属切削机床的设计,机床按精度可分为普通精度机床，精密机床，高精度机床和精密工作母机。大多数机床
10、是属于普通精度机床。精密机床是在普通机床的结构基础上，提高了主轴、导轨或丝杠等主要零件的制造精度。以上三种精度等级的机床均有相应的精度标准，其允差若以普通精度级为1，则大致比例为10.40.25。精密工作母机用于制造精密机床的主要零件和传动副，具有更高的精度，是专门制造的。,第3章 金属切削机床的设计,机床由于外部热源(包括阳光照射及环境温度的变化)和内部热源(如电机、齿轮箱、轴承、液压、电器系统和切削热等)的影响，使机床各部分温度发生变化，加上各种材料的热膨胀系数的不同，机床各部分的变形也不同，因此导致机床产生热变形。它不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转。,第
11、3章 金属切削机床的设计,特别是对精密机床、大型机床和自动化机床，热变形的影响尤其不能忽视。目前，机床个别部件或整机在热稳定状态下的平均温升的计算只能在一定的简化条件下进行。温度场的分布还是通过实测或电模拟方法确定，近年来发展了模型试验和用有限元法来计算温度场分布和热变形。机床长时间保持其合格精度的性能称为机床精度保持性。精度保持性差的机床不仅降低了设备利用率，而且增加了机床维修工作量。,第3章 金属切削机床的设计,4. 刚度,机床刚度指机床系统抵抗变形的能力。作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动干扰力等。按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷，即不随时间变化或
12、变化极为缓慢的力称静载荷，如重力、切削力的静力部分等。凡随时间变化的力如冲击振动力及切削力的交变部分等称动态力。故机床刚度相应地分为静刚度及动刚度，后者是抗振性的一部分。,第3章 金属切削机床的设计,机床是由许多构件结合而成的，在载荷作用下各构件及结合部都要产生变形，这些变形直接或间接的引起刀具和工件之间相对位移，这个位移的大小代表了机床的整机刚度。因此，机床整机刚度不能用某个零、部件的刚度评价，而是指整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。显然，刀具和工件间的相对位移影响加工精度，同时静刚度对机床抗振性、生产率等均有影响。,第3章 金属切削机床的设计,因此，在机床设计中对如
13、何提高其刚度十分重视。在设计中即要考虑提高各部件刚度，同时也要考虑结合部刚度及各部件间刚度匹配。各个部件和结合部对机床整机刚度的贡献大小是不同的，设计中应进行刚度的合理分配或优化。机床的动态精度是指机床在重力、夹紧力、切削力、各种激振力和温升的作用下主要零部件的形位精度。,第3章 金属切削机床的设计,影响动态精度的主要因素有机床的刚度、抗振性和热变形等。 机床的刚度越大则动态精度越高。机床的刚度包括构件本身刚度和构件之间接触刚度。机床的构件本身刚度取决于构件本身的材料性质；构件的截面形状和大小、壁厚、筋板的布置、窗孔的影响等。,第3章 金属切削机床的设计,机床的接触刚度不仅与接触面的材料、几何
14、尺寸、硬度有关，而且还与接触面的表面粗糙度、几何精度、加工方法、相对运动方向、接触面间的介质、预紧力等因素有关。切削过程中机床的振动降低了加工精度。工件表面质量和刀具耐用度，影响了生产率的提高，加速了机床的损坏。机床的振动可分为强迫振动和自激振动两类。,第3章 金属切削机床的设计,强迫振动的振源来自机床内外部，如高速回转零件的不平衡等。机床强迫振动的频率与振源激振力的频率相同，振幅与激振力大小及机床阻尼比有关。当激振频率与机床的固有频率接近时，机床将呈现“共振”现象。机床是由许多零、部件及结合部组成的复杂振动系统，它属于多自由度系统，具有多个固有频率。在其中某一个固有频率下自由振动时，各点振幅
15、的比值称为主振型。对应于最低固有频率的主振型称为一阶主振型，依次有二阶、三阶等阶主振型。机床的振动乃是各阶主振型的合成。,第3章 金属切削机床的设计,自激振动包括切削自激振动和摩擦自激振动，它是由机床、工件、刀、夹具振动系统与切削过程相互作用而产生的振动，通常是由切削过程的动态不稳定或导轨上运动质量的动态不稳定等原因造成的。机床抵抗受迫振动的能力称为抗振性。习惯上把抵抗切削自激振动的能力称为切削稳定性。而把抵抗摩擦自激振动的能力称为低速运动稳定性。,第3章 金属切削机床的设计,机床的抗振性和机床的刚度，阻尼特性，固有频率等有关。机床结构的阻尼包括构件材料的内、阻尼和部件结合部分的摩擦阻尼两部分
16、。机床结构的阻尼主要是由综合部分的摩擦阻尼决定，而结合部分的摩擦阻尼又决定于接触面积，表面状态和预紧力等因素。提高机床系统的阻尼是提高机床抗振性最主要和最有效的途径。,第3章 金属切削机床的设计,5. 噪声,从生理学观点，把人们不需要听到的声音，统称为噪声。噪声损伤人的听觉器官和生理功能，妨碍语言通讯，降低劳动生产率，属环境污染，必须采取措施予以降低。由于机床切削速度的提高，功率的增大，其噪声已经成为机床设计和制造中一个不容忽视的问题。机床噪声的测量应按照金属切削机床噪声测量标准草案的要求进行，一般机床允许噪声不大于86分贝，精密机床不大于75分贝。,第3章 金属切削机床的设计,机械噪声 如齿轮、滚动轴承及其它传动元件的振动、摩擦等。一般速度增加一倍噪声增加6dB。载荷增加一倍噪声增加3dB。故机床速度提高，功率加大都可能增加噪声污染。 液压噪声 如泵、阀、管道等的液压冲击，气穴，紊流产生噪声。 电磁噪声 如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声。 空气动力噪声 如电动机风扇、转子高速旋转对空气的搅动等产生噪声。,第3章 金属切削机床的设计,
