《机械制造技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造技术（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 2 章 机床总体方案设计2.1 概述金属切削机床是机械制造业的基础装备，它随着科学技术突飞猛进的发展和微电子、航 天、国防等工业的发展需要，正朝着高精度、自动化、柔性化、微型化和集成化方向迅速发 展。计算机控制技术的发展与应用，使得机床的传动与结构发生了重大变化，伺服驱动系统 可以方便地实现机床的多轴联动，简化了机械传动系统设计，使其结构及布局也发生了变 化。计算机技术和分析技术的进步，为机床设计理论和技术的发展提供了有力的技术支撑。 计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)已广泛应用于机床设计的各个阶段，改变了传 统的经验设计方法，由定性设计向定量设计，由静态和线性分析向动态仿
2、真和非线性分析， 由可行性设计向最优化设计过渡。2.1.1 基本概念1机床精度 机床精度是反映机床零部件加工和装配误差大小的重要技术指标，会直接影响工件的尺 寸误差、形位误差和表面粗糙度。(1) 几何精度。指最终影响机床工作精度的那些零部件的精度，包括尺寸、形状、相互位 置精度等，如直线度、平面度、垂直度等，是在机床静止或低速运动条件下进行测量，可反 映机床相关零部件的加工与装配质量。(2) 传动精度。机床内联系传动链两端件之间相对运动的准确性，反映传动系统设计的合 理性及有关零件的加工和装配质量。(3) 运动精度。机床主要零部件在工作状态速度下无负载运转时的精度，包括回转精度 (如主轴轴心漂
3、移)和直线运动的不均匀性(如运动速度周期性波动)等。运动精度与传动链的设 计、加工与装配质量有关。(4) 定位精度。机床有关部件在直线坐标和回转坐标中定位的准确性，即实际位置与要求 位置之间误差的大小，主要反映机床的测量系统、进给系统和伺服系统的特性。(5) 工作精度。机床对规定试件或工件进行加工的精度，不仅能综合反映出上述各项精 度，而且还反映机床的刚度、抗振性及热稳定性等特性。2 机床性能 机床在加工过程中产生的各种静态力、动态力以及温度变化，会引起机床变形、振动、 噪声等，给加工精度和生产率带来不利影响。机床性能就是指机床对上述现象的抵抗能力。 由于影响的因素很多，在机床性能方面，还难于
4、像几何精度检验那样，制定出确切的检测方 法和评价指标。(1) 刚度 又称静刚度，是机床整机或零部件在静载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果机床刚度 不足，在切削力等载荷作用下，会使有关零部件产生较大变形，恶化这些零部件的工作条 件，特别会引起刀具与工件间产生较大位移，影响加工精度。(2) 抗振能力机床的抗振能力是指抵抗产生受迫振动和切削自激振动 (切削颤振)的能力，习惯上称前 者为抗振性，后者为切削稳定性。机床的受迫振动是在内部或外部振源、即交变力的作用下 产生的，如果振源频率接近机床整机或某个重要零部件的固有频率时，会产生“共振”，必 须加以避免。切削颤振是机床刀具工件系统在切削加工中，由于内
5、部具有某种反馈机制 而产生的自激振动，其频率一般接近机床系统的某个固有频率。机床零部件的振动会恶化其工作条件、加剧磨损、引起噪声；刀架与工件间的振动会直 接影响加工质量、降低刀具寿命，是限制机床生产率发挥的重要因素。(3)噪声 机床在工作中的振动还会产生噪声，这不仅是一种环境污染，而且能反映机床设计与制 造的质量。随着现代机床切削速度的提高、功率的增大、自动化功能的增多，噪声污染问题 也越来越严重，降低噪声是机床设计者的重要任务之一。根据有关规定，普通机床和精密机 床不得超过85dB，高精度机床不超过75dB，对于要求严格的机床，前者应压缩到78dB，后 者应降低到70dB。除声压级以外，对噪
6、声的品质也有严格要求，不能有尖叫声和冲击声，应 达到所谓“悦耳”的要求。机床噪声源包含机械噪声、液压噪声、电磁噪声和空气动力噪声 等不同成分，在机床设计中要提高传动质量，减少摩擦、振动和冲击，减少机械噪声。(4)热变形 机床工作中由于受到内部热源和外部热源的影响，使机床各部分温度发生变化，引起热 变形。机床热变形会破坏机床的原始精度，引起加工误差，还会破坏轴承、导轨等的调整间 隙，加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转。据统计，热变形引起的加工误差可达总误差 70以上，特别是对于精密机床、大型机床以及自动化机床，热变形的影响是不容忽视的。机床的内部热源有电动机发热，液压系统发热，轴承、齿轮等摩擦
7、传动发热以及切削热 等；机床的外部热源主要是机床的环境温度变化和周围的辐射热源。机床设计中要求采取各种措施减少内部热源的发热量、改善散热条件、均衡温度、减少 温升和热变形；还可采用热变形补偿措施，减少热变形对加工精度的影响等。2.1.2 机床总体设计的基本内容和要求1 工艺范围机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力。任何一台机床所能完成的加工工件 类型、工件材料和尺寸、毛坯形成和工序等都是有一定范围的。一般说来，工艺范围窄（如专 用机床），则机床的结构较为简单，容易实现自动化，生产效率也较高。但机床工艺范围过 窄，会限制加工工艺和产品的更新；而盲目扩大机床工艺范围，将使机床的结构趋于复杂
8、， 不能充分发挥机床各部件的性能，甚至影响机床主要性能的提高，增加机床的生产成本。机 床的功能主要根据被加工对象的批量来选择。大批量生产用的专用机床的功能设置较少，只 要满足特定的工艺范围要求就行了，以获得提高生产率、缩短机床制造周期及降低机床成本 等效果。单件小批量生产用的通用机床则要求在同一机床上能完成多种多样的工作，还要适 应不同工业部门行业的需要，故通用机床的工艺范围较宽。为了扩大机床的工艺范围，可以在通用机床，尤其是大型机床上增设一些附件，或把不 同的工种综合在一台机床上，如车镗床、镗铣床等。2 刚度机床的刚度将影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。刚度包括静态 刚度、
9、动态刚度、热态刚度。为了提高机床的刚度，机床应尽量形成框架式结构。例如龙门 刨床、龙门铣床、坐标镗床、立式车床等都采用龙门框架式结构以增强刚性。有的机床，例 如单臂龙门刨床为了加大被加工工件的尺寸范围而不用龙门式结构，这时刚度将有所降低。3 加工精度要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须满足更高的精度要求。设计 加工精度和表面质量要求较高的机床时，在机床布局阶段要注意采取措施，尽量提高机床的 传动精度和刚度，减少振动和热变形，例如精度要求较高的机床常使液压传动的油箱与床身 分开，以减少热变形的影响。此外，应减小机床加工中的振动，精密和高速机床常采用分离 传动，将电动机和变速箱等振
10、动较大的部件与工作部件（如主轴）分装在两个地方。为了提高机床的传动精度，除了适当地选择传动件的制造精度外，应尽量缩短传动链。 在设计传动精度要求特别高的机床，例如精密丝杠车床时，为了缩短传动链，就取消了卧式 车床所用的进给箱。从主轴到刀架之间只经过挂轮架，另外还把传动丝杠移在床身的两导轨 之间，以减少刀架的颠覆（侧转）力矩。4 便于操作、观察与调整机床的布局必须充分考虑到操纵机床的人，处理好人机关系，满足人机工程学的设计准 则。充分发挥人与机床各自的特点，使人机的综合效能达到最佳。在进行机床的总体设计， 考虑达到技术经济指标的同时，必须注意到操作者的生理和心理特点。机床各部件相对位置的安排，应
11、考虑到便于操作和观察加工的情形。例如卧式车床的床 头箱在左面，而镗床的镗头在右边，都是为了适应右手操作的习惯和便于观察测量。卧式车床由于车刀和刀架较小，为便于操作，刀架一般布置在工件前面；外圆磨床的砂轮架较大， 为便于操作者接近工件，一般布置在工件的后边。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。为适应一般操作者的 身高，对安装工件位置较低的机床，应将床腿或底座垫高；安装工件位置较高的大型机床， 应备有相应的脚踏板。倾斜式床身的布局可便于安装工件、更好地观察加工情况，还可避免 操作者弯腰工作，以减轻疲劳。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
12、寸 和四肢的活动范围。根据四肢能达到的难易程度，还有最大工作区、正常工作区和最佳工作 区之分。为了便于检修，要考虑到人体蹲下时较适于工作的区域，还应考虑到操作者可能达 到的最大视野和反应敏锐的视野区等等。常用的操纵机构，应集中在便于操作的区域；床身 底部结构可容纳脚伸入，使操作者能贴近机床而便于操作：在大型机床上，还可采用悬挂式 按钮站；对于采用人机对话编程的数控机床，显示屏幕和操作键盘都应放在适于操作和观察 的位置上。对于生产率和自动化程度较高的机床，还应注意排屑问题。例如多轴自动车床的凸轮轴 布置在纵刀架的上面就比布置在下面有利于排屑。5 噪声噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染
13、。设计和制造过程中要设法降低噪 声。6 标准化与模块化机床品种系列化、零部件通用化和零件标准化统称为标准化。提高标准化程度对发展机 床品种、规格、数量和质量，对机床的制造、使用、维护和修理，对于新产品设计和老产品 革新等方面有十分重要的意义。标准化是我国一项重要的技术政策，也是产品设计的方向。 系列化包括机床参数标准的制订、型谱的编制和产品的系列设计，主要用于通用机床。不同型号的机床采用相同的零部件称为零部件通用化。这些适用于不同品种机床中的零 部件称为通用件。通用化使零部件品种减少，生产批量增加，便于组织生产，降低机床制造 成本，缩短设计制造周期，加快机床品种的发展。机床的模块化设计，是指对
14、机床上同一功能的单元 （主轴箱、溜板箱、进给箱、尾架 等），将其设计成不同性能相用途的可以互换的部件（又称为模块），通过对这些模块的不同组 合，得到各种不同规格的通用、变型或专用机床。图 2-1 所示为采用标准化模块构成不同用途（或性能）的普通车床。其主轴箱模块有基本变 速范围主轴箱 1、小变速范围主轴箱 2、大变速范围主轴箱 3、可调变速范围主轴箱 4 和双轴 主轴箱模块 5；进给箱模块有用于进给和车螺纹的模块6，仅用于进给的模块7和单速进给模 块 8；夹紧装置有气动夹紧模块 9、液压夹紧模块 10 、电磁夹紧模块 11；刀架模块有仿形刀 架 12 、转位刀架 13、立轴式转塔架 14 和卧
15、轴式转塔刀架 15 ；尾架模块有气动尾架 16、液压尾架 17、钻孔用尾架18和双轴尾架19；快速进给机构有快速行程模块20和双刀架快速进给 机构模块 21，还有双刀架用的床身模块 22。此外，根据需要，还可以设计出其他的许多模 块。而这些模块间的组合，就可形成各种不同规格和相用途的普通车床或专用车床。例如采共设计了 54个基本模块，则由用了模块化设计的仪表车床，最大工件回转直径为200毫米此至少可以组成 202种机床。图 2-1 普通车床的模块化设计一般认为，进行机床模块化设计应遵循的四个基本原则：分离原则，即将机床分离成 满足多种需要，性能合理，只有一种功能的部件模块；统一原则，即统一为结
16、构合理的尺 寸系列，能保证满足多种需要的合理模块；联接原则，确保模块间的联接刚度和装配精 度，模块重复使用时的可靠性；适应原则，以适应可以任意组合成所需要的机床。7 柔性 随着多品种小批量生产的发展，对机床的柔性要求越来越高。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，因此在空间上布置一台高柔性机床，其作用 等于布置了几台机床。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 经过重新组合，构成新的机床功能，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。如有的单件或极小批量FMS作业线上，经过识别装置对下一个待加工的工件进行识 别，根据其加工要求，在作业线上就可自动
