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三金属切削机床设计总体设计.ppt
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1、第三章第三章金属切削机床设计金属切削机床设计n概述概述 n机床总体设计机床总体设计 n主传动系设计主传动系设计n进给传动系设计进给传动系设计n主轴部件设计主轴部件设计n进给传动部件设计进给传动部件设计n支承件设计支承件设计n导轨设计导轨设计第一节第一节概述概述金属切削机床,是机械制造的基础装备。金属切削机床,是机械制造的基础装备。现代金属切削机床,凝聚了当代科技的成果,集精现代金属切削机床,凝聚了当代科技的成果,集精密机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、光电子密机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、光电子技术和管理技术于一身。技术和管理技术于一身。机床也象一般机电装备一样,要完成一定的功
2、能作机床也象一般机电装备一样,要完成一定的功能作业,如形成加工对象的一定表面形状。但与一般机电装业,如形成加工对象的一定表面形状。但与一般机电装备具有显著不同的方面,对作业有极高的质量要求,即备具有显著不同的方面,对作业有极高的质量要求,即必须保证加工对象的精度和表面质量。必须保证加工对象的精度和表面质量。机床设计,已逐步从传统的经验设计方法走向定量机床设计,已逐步从传统的经验设计方法走向定量设计与实验研究相结合,由静态设计向动态设计、由几设计与实验研究相结合,由静态设计向动态设计、由几何实体设计、静态分析向动态仿真、由可行性设计向最何实体设计、静态分析向动态仿真、由可行性设计向最佳化设计方向
3、发展。机床设计大量的采用数字化设计方佳化设计方向发展。机床设计大量的采用数字化设计方法和手段。法和手段。第一节第一节概述概述一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求二、机床设计步骤二、机床设计步骤一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求1工艺范围工艺范围指机床上完成的加工方法,适应的工件类型、可加指机床上完成的加工方法,适应的工件类型、可加工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等,主要反映工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等,主要反映机床的加工功能。机床的加工功能。根据工艺范围分为:通用机床、专门化机床和专用根据工艺范围分为:通用机床、专门化机床和专用机床三大类。机床三大类。机床的功能
4、越多,适应的范围就越广,但结构越复机床的功能越多,适应的范围就越广,但结构越复杂。结构设计中,要考虑的因素越多,其技术难度越大。杂。结构设计中,要考虑的因素越多,其技术难度越大。数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更广。广。满足不同批量生产要求的机床,其设计的思路有所满足不同批量生产要求的机床,其设计的思路有所不同。不同。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 保证被加工零件达到的精度和表面粗糙度要求,并保证被加工零件达到的精度和表面粗糙度要求,并能在机床长期使用中得以保持。能在机床长期使用中得以保持。加工精度和表面粗糙度取决于
5、机床、刀具、夹具、加工精度和表面粗糙度取决于机床、刀具、夹具、切削条件和操作者等方面的因素。切削条件和操作者等方面的因素。机床本身必须具备的精度称为机床精度。机床本身必须具备的精度称为机床精度。机床按精度分为:普通精度级、精密级(机床按精度分为:普通精度级、精密级(M)、高)、高精度级(精度级(G)。)。国家对各种类型机床的三种等级精度,规定了相关国家对各种类型机床的三种等级精度,规定了相关精度标准。若以普通精度级允许误差单位为精度标准。若以普通精度级允许误差单位为1,三种等级,三种等级精度的比例大致为:精度的比例大致为:1:0.4:0.25。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度
6、精度 机床的精度指标包括:机床的精度指标包括:(1)几何精度)几何精度指最终影响机床工作精度的主要零部件及其相互间指最终影响机床工作精度的主要零部件及其相互间的尺寸精度、形状精度和位置精度。如主轴前端内孔的的尺寸精度、形状精度和位置精度。如主轴前端内孔的尺寸和形状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的尺寸和形状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的平行度和垂直度等。平行度和垂直度等。几何精度是机床在空载条件下,在静止或低速状态几何精度是机床在空载条件下,在静止或低速状态中测量。主要反映机床的制造装配质量是否达到设计时中测量。主要反映机床的制造装配质量是否达到设计时制定的标准。制定的标准。一、机
7、床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 (2)运动精度)运动精度指机床主要零部件在工作速度下,无负载运行时的指机床主要零部件在工作速度下,无负载运行时的精度。如主轴的回转精度,直线运动的均匀性等。与零精度。如主轴的回转精度,直线运动的均匀性等。与零部件的设计、制造和装配质量有关。部件的设计、制造和装配质量有关。(3)传动精度)传动精度指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性。指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性。反映了传动链设计合理性,制造和装配质量。反映了传动链设计合理性,制造和装配质量。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 (4)定位精度)定位精度指
8、机床执行件到达指定位置的准确程度。直接影响指机床执行件到达指定位置的准确程度。直接影响了加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动了加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动精度、刚度,控制系统的动态特性和测量系统的精度有精度、刚度,控制系统的动态特性和测量系统的精度有关。关。(5)重复定位精度)重复定位精度指机床运动部件在相同条件下,用相同的方法重复指机床运动部件在相同条件下,用相同的方法重复定位时,位置的一致程度。定位时,位置的一致程度。(6)工作精度)工作精度对规定的试件,用规定的条件加工所达到的精度。对规定的试件,用规定的条件加工所达到的精度。是机床精度的综合反映,包括机床的刚
9、度、抗振性及热是机床精度的综合反映,包括机床的刚度、抗振性及热稳定性等。稳定性等。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求2精度精度 (7)精度保持性)精度保持性指机床在工作中长期保持其原始精度的能力。指机床在工作中长期保持其原始精度的能力。一般以机床关键零部件(如主轴、导轨等)的首次一般以机床关键零部件(如主轴、导轨等)的首次大修期所决定。大修期所决定。主要取决于机床关键零部件的耐磨性、内应力引起主要取决于机床关键零部件的耐磨性、内应力引起的永久变形程度和机床使用的保养。的永久变形程度和机床使用的保养。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求3机床的生产率机床的生产率 指机床在单位时
10、间内所能加工的零件数量。即:指机床在单位时间内所能加工的零件数量。即:式中式中t单个零件的平均加工时间;单个零件的平均加工时间;t1单个工件的切削加工时间;单个工件的切削加工时间;t2单个工件加工过程的辅助时间;单个工件加工过程的辅助时间;t3加工一批零件的准备和终结时间;加工一批零件的准备和终结时间;n一批零件的数量。一批零件的数量。对于机床方面,影响生产率的有机床的布局、刚度、对于机床方面,影响生产率的有机床的布局、刚度、功率、运动参数和自动化程度等。功率、运动参数和自动化程度等。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 机床在加工过程的静态力、动态力、温度变化,
11、将机床在加工过程的静态力、动态力、温度变化,将引起机床的变形、振动、噪声等,机床的性能就指抵抗引起机床的变形、振动、噪声等,机床的性能就指抵抗上述现象的能力。上述现象的能力。(1)传动效率)传动效率用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可用下式表示:用下式表示:=P/Pm(PmP0)/Pm=1P0/Pm式中式中 机床传动效率;机床传动效率;P P机床输出功率;机床输出功率;P Pm m电动机输出功率;电动机输出功率;P P0 0机床空载功率。机床空载功率。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 (1)传动效率)传动效率
12、机床功率损失引起摩擦热,造成运动副的磨损和机机床功率损失引起摩擦热,造成运动副的磨损和机床的热变形。床的热变形。对于普通机床,主轴最高转速时的机床空载功率不对于普通机床,主轴最高转速时的机床空载功率不应超过主电动机功率的三分之一。应超过主电动机功率的三分之一。机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 (2)刚度)刚度指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能力。力。
13、在载荷的作用下,刀具与工件的相对位置发生改变,在载荷的作用下,刀具与工件的相对位置发生改变,影响加工精度。机床的静刚度是动刚度的基础。影响加工精度。机床的静刚度是动刚度的基础。影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部的薄弱环部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部的薄弱环节对整机的刚度影响极大。节对整机的刚度影响极大。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 (3)抗振能力)抗振能力指抵抗受迫振动和自激振动的能力。指抵抗受迫振动和自激振动的能力。振动影响加工质量、降低刀具耐用度
14、,生产率降低,振动影响加工质量、降低刀具耐用度,生产率降低,加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的措施如下:加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的措施如下:n提高机床的刚度;提高机床的刚度;n提高固有频率;提高固有频率;n改善阻尼性能;改善阻尼性能;n改善运动件的动平衡状况。改善运动件的动平衡状况。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求4机床的性能机床的性能 (4)噪声)噪声金属切削机床噪声测量标准规定:金属切削机床噪声测量标准规定:普通精度机床噪声不大于普通精度机床噪声不大于85dB(A););精密机床噪声不大于精密机床噪声不大于75dB(A)。)。机床的噪声来源主要有:机械噪声、液压
15、气动噪声、机床的噪声来源主要有:机械噪声、液压气动噪声、电磁噪声和空气动力噪声。电磁噪声和空气动力噪声。(5)热变形)热变形热变形不仅影响加工精度,也改变了相对运动副的热变形不仅影响加工精度,也改变了相对运动副的间隙、润滑状态。间隙、润滑状态。(6)可靠性)可靠性一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求5自动化程度自动化程度 6宜人性宜人性造型与色彩;造型与色彩;操作省力、方便;操作省力、方便;保养、维护容易。保养、维护容易。一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求7成本成本 机床的成本由以下部分构成:机床的成本由以下部分构成:n设备的购买成本;设备的购买成本;n使用中的安装、动力消耗
16、、操作、维修等成本;使用中的安装、动力消耗、操作、维修等成本;n报废成本。报废成本。在设计时,应使机床的金属消耗量小,结构工艺性在设计时,应使机床的金属消耗量小,结构工艺性好。机床的金属消耗量好。机床的金属消耗量M的指标为:的指标为:M=G/N式中式中G机床重量;机床重量;N机床主传动功率。机床主传动功率。机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。第一节第一节概述概述一、机床设计的基本要求一、机床设计的基本要求二、机床设计步骤二、机床设计步骤二、机床设计步骤二、机床设计步骤1 1确定结构原理方案确定结构原理方案(1)用途)用途指机床的工艺范围、
17、加工对象的类型、批量等。指机床的工艺范围、加工对象的类型、批量等。(2)生产率)生产率(3)性能指标)性能指标(5)驱动方式)驱动方式指选择电动机或液压驱动方式指选择电动机或液压驱动方式(6)结构原理)结构原理(7)成本及制造周期)成本及制造周期(4)主要参数)主要参数指机床的加工空间和主参数。指机床的加工空间和主参数。二、机床设计步骤二、机床设计步骤2 2总体设计总体设计 (1)运动功能设计)运动功能设计主要有机床所需运动的数量、形式、功能等。主要有机床所需运动的数量、形式、功能等。(2)基本参数设计)基本参数设计包括尺寸参数、运动参数和动力参数。包括尺寸参数、运动参数和动力参数。(4)传动
18、系统方案设计)传动系统方案设计如传动方式、传动原理图、传动系统图等。如传动方式、传动原理图、传动系统图等。(5)控制系统方案设计)控制系统方案设计包括控制方式、控制原理和控制总体方案。包括控制方式、控制原理和控制总体方案。(3)总体结构布局设计)总体结构布局设计包括运动功能分配、总体布局和总体结构方案。包括运动功能分配、总体布局和总体结构方案。(6)总体方案论证、确定和修改)总体方案论证、确定和修改二、机床设计步骤二、机床设计步骤3 3详细技术设计详细技术设计 (1)技术设计)技术设计包括结构方案、设计计算、装配图设计。包括结构方案、设计计算、装配图设计。(2)施工设计)施工设计包括零件图设计
19、和计算,编制技术文档等。包括零件图设计和计算,编制技术文档等。对机床的功能、性能、工艺性、经济性等进行评价。对机床的功能、性能、工艺性、经济性等进行评价。4 4机床整机综合评价机床整机综合评价第二节第二节机床总体设计机床总体设计 一、型谱制定一、型谱制定二、几何运动设计二、几何运动设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计一、型谱制定一、型谱制定不同类型的的机床,总体方案设计的侧重点有所不不同类型的的机床,总体方案设计的侧重点有所不同。同。对于专用机床,侧重于工件分析和工艺分析;对于专用机床,侧重于工件分析和工艺分析;对于通用机床,侧重于同类型机床的调查、分析、对于通用机床,侧重于同类型机床
20、的调查、分析、改型和科技成果的应用,以及机床品种的系列化、零部改型和科技成果的应用,以及机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。件的通用化和标准化。一、型谱制定一、型谱制定我国对金属切削机床分为我国对金属切削机床分为1111大类,每类机床又分别大类,每类机床又分别分为分为1010组、组、每组分为每组分为1010系。系。首先对用途最广、需求量最大的某类组机床,将其首先对用途最广、需求量最大的某类组机床,将其主参数规格化,作为该类组机床的主参数规格化,作为该类组机床的“基形系列基形系列”。在此基础上,根据各类用户的需要,派生出若干变在此基础上,根据各类用户的需要,派生出若干变形系列,形成形系列,
21、形成“变形系列变形系列”,并将各种机床精度等级化。,并将各种机床精度等级化。型谱制定即完成某类种机床的型谱制定即完成某类种机床的“基形系列基形系列”、“变变形系列形系列”及其精度等级化的工作。及其精度等级化的工作。中型卧式车床简略系列型谱如中型卧式车床简略系列型谱如P76表表2-1所示。在该所示。在该系列中,以普通卧式车床为基型,派生出马鞍式等车床,系列中,以普通卧式车床为基型,派生出马鞍式等车床,基型和变型都有主参数系列。基型和变型都有主参数系列。在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性。在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性。一、型谱制定一、型谱制定产品系列化的设计目的是:产品系列化的设
22、计目的是:1科学地规划产品的种类与规格,最大范围经济地科学地规划产品的种类与规格,最大范围经济地满足社会需求;满足社会需求;2基型和变型的大部分零部件可通用化,不同规格基型和变型的大部分零部件可通用化,不同规格产品的同类零部件相似,便于组织设计和生产、缩短制产品的同类零部件相似,便于组织设计和生产、缩短制造周期;造周期;3易于提高可靠性,方便维修和配件供应,降低制易于提高可靠性,方便维修和配件供应,降低制造和使用成本。造和使用成本。主参数规格制定方法,已在第二章系列化设计中介主参数规格制定方法,已在第二章系列化设计中介绍。绍。国家对各类通用机床的主参数已有国家标准。国家对各类通用机床的主参数已
23、有国家标准。第二节第二节机床总体设计机床总体设计 一、型谱制定一、型谱制定二、几何运动设计二、几何运动设计三、总体结构方案设计三、总体结构方案设计二、几何运动设计二、几何运动设计1几何表面的形成几何表面的形成1)组成零件结构的基本形状表面组成零件结构的基本形状表面基本形状表面有:基本形状表面有:平面、圆柱面、平面、圆柱面、圆锥面、各种成形面圆锥面、各种成形面(螺旋面、渐开线表(螺旋面、渐开线表面、回转曲面等)。面、回转曲面等)。二、几何运动设计二、几何运动设计1几何表面的形成几何表面的形成2 2)成形表面的发生线)成形表面的发生线 任何一种线性表面,由一根母线沿着导线运动而形成。任何一种线性表
24、面,由一根母线沿着导线运动而形成。平平面面:由由一一直直线线(母母线线)沿沿着着另另一一根根直直线(导线)运动形成。线(导线)运动形成。圆圆柱柱、圆圆锥锥面面:是是由由一一根根直直线线(母母线线)沿沿着着一一个个圆圆(导导线线)运运动动形成;形成;普普通通螺螺纹纹的的螺螺旋旋面面:由由“V“形形线线(母母线线)沿沿螺螺旋旋线线(导导线线)运运动动形成;形成;直齿圆柱齿轮的渐直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面:渐开线开线齿廓表面:渐开线(母线)沿直线(导线)(母线)沿直线(导线)运动形成。运动形成。二、几何运动设计二、几何运动设计1几何表面的形成几何表面的形成2 2)成形表面的发生线)成形表面的发生线
25、 形成表面的母线和导线统称为发生线。形成表面的母线和导线统称为发生线。形形成成表表面面的的母母线线和和导导线线可可以以互互换换的的表表面面,称为可逆表面。称为可逆表面。母母线线和和导导线线不不可可互互换换表表面面称称为为不不可可逆逆表表面。面。一一般般说说来来,可可逆逆表表面面可可采采用用的的加加工工方方法法多于不可逆表面。多于不可逆表面。二、几何运动设计二、几何运动设计2 2形成发生线的方法与运动形成发生线的方法与运动1 1)轨迹法)轨迹法理理论论上上将将切切削削刃刃与与工工件件视视为为点点接接触触,切切削削刃刃沿沿着着发发生生线作轨迹运动。线作轨迹运动。采用轨迹法形成一条发生线,需要一个独
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