第7章 机床主要参数的确定.ppt

1 机床主要技术参数包括机床的主参数和基本参数 尺寸参数 运动参数 动力参数 7 1尺寸参数机床尺寸参数的确定 主要是确定影响机床加工性能的一些尺寸 其中包括机床的主参数 第二主参数和其他一些尺寸参数 一 主参数机床的主参数是最为重要的 是代表机床规格大小的一种参数 主参数必须满足以下要求 1 直接反映出机床的加工能力和特性 2 能决定其他基本参数值的大小 3 作为机床设计和用户选用机床的主要依据 第7章机床主要技术参数的确定 2 对于通用机床 主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示 对各种类型机床 GB T15375 94标准统一规定了主参数的内容 摇臂钻床的主参数 最大钻孔直径 为 25 40 63 80 100 125mm 卧式车床是以床身上被加工工件的最大回转直径作为主参数 齿轮加工机床是最大工件直径 外圆磨床和无心磨床是最大磨削直径 龙门刨床 龙门铣床 升降台铣床和矩形工作台的平面磨床是工作台工作面宽度 卧式铣镗床是主轴直径 3 卧式铣镗床是主轴直径 立式钻床和摇臂钻床是最大钻孔直径 牛头刨床和插床是最大刨削和插削长度 以上单位均为nm 也有的机床不用尺寸作为主参数 如拉床的主参数是额定拉力等 专用机床的主参数 一般以与通用机床相对应的主参数表示 4 第二主参数是为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围 在主参数后面标出另一参数值 称为第二主参数 如最大工件长度 最大跨度和最大加工模数等如车床的第二主参数是最大工件长度 铣床和龙门刨床是工作台工作面长度 摇臂钻床是最大跨距等 二 第二主参数 5 其他尺寸参数包括与工件 工 夹 量具 机床结构有关的参数 与工件主要的有关参数 如摇臂钻床还要确定主轴下端面到底座间的最大和最小距离 其中包括了摇臂的升降距离和主轴的最大伸出量等 龙门铣床还应确定横梁的最高和最低位置等 与工 夹 量具有关的参数 如卧式车床的主轴锥孔 与机床结构有关的参数 如床身宽度等 三 其他尺寸参数 6 运动参数是指机床执行件 如主轴 工作台 刀架 运动的速度 即主轴的最高转速 最低转速 主轴转速数列 进给量最大值和最小值 进给量数列等 一 主运动参数主运动为旋转运动时 机床的主运动参数是主轴转速 r min 主运动为往复直线运动时 如刨床 插床等 主运动参数是刀具或工件的每分钟往复次数 次 min 对于通用机床 必须确定主轴的变速范围 最高与最低转速 无级或有级变速 对于专用机床 根据特定工序实际使用的切削速度和工件 或刀具 的直径确定主轴转速 7 2运动参数 7 1 主运动速度范围 变速范围Rn 对于通用机床 在确定切削速度时 应考虑到多种工艺需要 切削速度与刀具材料 工件材料有关 选择vmin和vmax时 是根据机床上几种典型加工情况来考虑的 车床vmax 硬质合金刀具半精车钢件时的速度车床vmin 高速钢刀具车螺纹时的速度Dmin Dmax vmax时经常加工工件直径d值的较小值 较大值 8 例如1 400mm的中型车床用硬质合金车刀 半精车钢料时合理的最高切削速度vmax取200m min 这时加工轴类工件最小直径dmin取50mm 主要考虑工件变形 精加工丝杠螺纹的合理切削速度 一般取vmin 1 5m min 加工丝杠最大直径dmax取400mm 通常推荐的dmax和dmin值 对于车床 如用D表示最大回转直径 主参数 dmax 0 5 0 6D dmin 0 2 0 25dmax 摇臂钻床 如用D表示最大钻孔直径 主参数 dmax D dmin 0 2 0 25dmax 9 2 有级变速的转速数列通用机床采用有级变速时 机床的主传动系统的转速数列或进给量数列 多数采用等比数列 设某变速箱共有Z级转速 分别为 对于有级变速传动 加工某一工件所需的最有利的切削速度为v 相应的转速为n 通常情况最有利的转速n介于两个相邻转速nj和nj 1之间 即 选用较低的转速nj 这时转速的损失为 n nj 如用相对转速损失表示 则 10 最大的相对转速损失是当所需的最有利的转速n趋近于nj 1时 即 从上式可以看到 最大相对转速损失是取决于两相邻转速之比 在其他条件 加工直径 进给 背吃刀量 不变的情况下 相对转速的损失就反映了生产率的损失 对于通用机床 可以认为每个转速的使用机会均等 同时 应使任意相邻两转速间最大相对转速损失相等 即 11 由此可以看出 任意相邻两转速之间的关系为 即机床的转速是按等比数例 几何级数 分级 其公比为 各级转速为 12 最大相对转速损失为 两边取对数得 例如2 X62W型铣床的主轴从30 1500r min共18级转速 公比 则最大相对转速损失率 为什么采用等比数列排列 13 转速数列采用等比数列排列有下列优点 1 对于某一个公比 任意两个相邻转速之间的最大相对速度损失Amax为一个常数 因而转速分布的疏密程度比较均匀合理 2 这种转速数列可以由几个变速组的不同传动比搭配相乘得到 能用较少的齿轮实现较多级的转速 使传动系统得到简化 例如3 X62W型铣床的主传动系统的三个变速组用3 3 2共8对齿轮可得到18级成等比数列的转速数列 14 机床的进给运动大多数是直线运动 进给量用工件或刀具每转位移表示 即mm r 如车床 钻床 也可以用每一往复行程的位移表示 如刨床 插床等 机床进给量的变换可以采用无级变速和有级变速方法 采用有级变速方式时 进给量一般为等比数列 螺纹加工机床和普通车床的进给量按照加工标准螺纹导程数列来选取 进给量数列为分段等差数列 刨床和插床采用棘轮机构实现进给运动 进给量大小靠每次拨动一齿 二齿或几个齿来改变 进给量也是等差数列 自动车床 其进给量就不是按一定规则排列的 二 进给运动参数 15 机床转速是从小到大递增的 所以规定标准公比 并且规定相对速度损失的最大值Amax不大于50 则相应不大于2 所以 为了简化机床设计和使用 规定了几个标准值 这些数值是选取2或10的某次方根 见表7 1 三 标准公比和标准数列 表7 1标准公比 16 这些公比的特性如下 1 公比是2的某次方根 其数列每隔若干项增加或缩小2倍 如 数列为10 12 6 16 20 25 32 40等 每隔三项增大2倍 2 公比是10的某次方根 其数列每隔若干项增大或缩小10倍 这特性符合常用十进制习惯 如 数列为10 16 25 40 63 100 160 250 400 630等 每隔五项增大10倍 使数列整齐好记 当选定标准公比之后 从表7 2可查出转速数列 表7 2适用于转速 双行程数和进给系列 而且可以用于机床尺寸和功率参数等数列 17 表7 2标准数列表 18 公比选取的一般原则如下 从使用性能考虑 选取公比最好小一些 以便减少相对速度损失 但 小一些 级数z增多 会使机床的结构复杂化 用于大批大量生产的自动化与半自动化机床 要求较高的生产率 相对转速损失要小 因此 要小些 选取1 12或1 25 大型机床加工大尺寸工件 机动时间长 选择合理的切削速度对提高生产率作用较大 应小些 取1 12 1 25 中型通用机床 万能性较大 要求转速级数多 但结构又不能过于复杂 公比 常选取1 25或1 41 小型机床切削加工时间常比辅助时间少 结构要求简单 机动时间短 变速级数不多 公比 常取1 58或1 78 四 公比的选用 19 动力参数包括电动机的功率 液压缸的牵引力 液压马达 伺服电动机或步进电动机的额定转矩等 各传动件的参数 轴或丝杠的直径 齿轮与蜗轮的模数等 都是根据动力参数设计计算的 如果动力参数定得过大 将使机床过于笨重 浪费材料和电力 如果定得过小 又将影响机床的性能 动力参数可以通过调查 试验和计算的方法进行确定 这里将主要讨论电动机功率的确定 7 3动力参数 一 主传动功率的确定 机床主运动的功率 包括切削功率 空转功率损失和附加机械摩擦损失三部分 20 进行切削加工时 要消耗切削功率P切 它与刀具材料 工件材料和所选用的切削用量的大小有关 如果是专用机床 则工作条件比较固定 也就是刀具与工件的材料和切削用量的变化范围较小 这时计算值也比较接近实际情况 若是普通机床 则刀具与工件的材料和切削用量的变化都相当大 通常 可根据机床检验时所要求的重负荷切削条件来确定 设计机床时 当主传动的结构方案尚未确定前 用下面的公式估算主电动机功率P主 单位为kW 对于通用机床 对于直线运动的通用机床 结构简单的取大值 复杂的取小值 21 当主传动的结构方案确定后 可用下面的公式估算主电动机功率P主 kW 机床主运动空转时 要消耗电动机的一部分功率 这部分消耗称为空转功率损失 用P空 kW 表示 机床的空转功率损失只随主轴和其他各轴转速的变化而改变 引起空转损失的主要因素是 各传动件在空载运转时的摩擦损耗 传动件的搅油和克服空气阻力的功率损耗 它与有无载荷以及载荷大小无关 而随传动件转速的增加而增大 传动件愈多 转速愈高 胶带和轴承的预紧力越大 装配的质量越差 则空载功率越大 主传动链机械效率 等于主传动链中各传动副的机械效率的乘积 22 中型机床主传动链的空转功率损失可用下列的试验公式进行估算 式中da 主运动链中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径 如果主运动链的结构尺寸未确定 则可按电动机功率P选取 当1 5 P 2 8kw da 30mm 2 5 P 7 5kw da 35mm 7 5 P 14kw da 40mm n主 主轴转速 r min d主 主轴前后轴颈的平均值 m 当主轴转速为n主时 传动链内除主轴外各传动轴的转速之和 如传动链内有不传递载荷但也随之作空运转的轴时 这些轴的转速也应计入 r min 23 k1 润滑油粘度影响的修正系数 用N46号机械油时 k1 1 用N32号机械油时 k1 0 9 用N15号机械油时 k1 0 75 k2 系数 主轴用两支承的滚动轴承或滑动轴承 是k2 8 5 三支承滚动轴承 是k2 10 24 机床在切削时 齿轮 轴承等零件上的正压力加大了 功率的损耗也加大了 比P空多出来的那部分功率损耗 称为附加机械摩擦损失功率P机 切削功率越大 这部分损失也越大 综上所述 主电动机功率 kW 为 主运动链中各传动副的机械效率 25 26 主运动消耗电动机各项功率之间的关系 27 28 对同类型机床进行广泛调查和分析比较 并在同类型 同规格的机床上进行切削实验 实测出的各种切削条件下的功率值作为参考 再考虑了机床最大载荷的情况 同时要考虑采用先进切削方法必须放宽一定的裕量 表7 3是国产常用机床的主要运动参数和动力参数 可供参考 29 30 在进给运动与主运动共用一个电动机的普通机床上 如卧式车床和钻床 由于进给运动所消耗的功率与主运动相比是很小的 因此可以忽略进给所需的功率 在进给运动与空行程运动共用一个电动机的机床上 如升降台铣床 也不必单独考虑进给所需的功率 因为使升降台快速上升所需的空行程运动功率比进给运动的功率大得多 进给运动采用单独的普通电动机的机床 如升降台铣床和龙门铣床 以及用液压缸驱动进给的机床 如仿形车床 多刀半自动车床和组合机床等 都需要确定进给运动所需的功率 通常用参考同类型机床和计算相结合的办法确定 注意比较传动链的长短和低效率传动副 丝杠螺母 蜗杆蜗轮 的数量 进给传动链的机械效率会低至0 15 0 20 二 进给传动功率的确定 31 进给功率Ps kW 可根据进给牵引力FQ N 进给速度v mm min 和机械效率 由如下计算公式决定 滑动导轨进给牵引力FQ N 的估算公式如下 三角形或三角形与矩形综合导轨 矩形导轨 燕尾形导轨 钻床主轴 32 图6 2导轨上的作用力 式中G 移动部件的重力 FX FY FZ 切削力的三向分力 其中FZ沿导轨的纵向 N 见图6 2 f 当量摩擦系数 f 钻床主轴套筒上的摩擦系数 k 考虑颠覆力矩影响的系数 d 主轴直径 mm T 主轴上的转矩 N m 在正常润滑条件下的铸铁一铸铁副导轨 k与f可取如下数值 三角形和矩形导轨 是k 1 1 1 15 f 0 12 0 13 矩形 或f 0 17 0 18 90 三角形 燕尾形导轨 k 1 4 f 0 2 33 三 空行程功率的确定 空行程功率的确定应参考同类型机床 辅之以计算 最好再经试验验证 快速 空 行程电动机往往是满载起动 移动件较重 加速度也较大 因此计算时必须考虑惯性力 各运动件在电机轴上的当量转动惯量 kg m2 可根据动能守恒定理 由下式决定 实心圆柱形件的转动惯量 空心圆柱形件的转动惯量 34 克服惯性的转矩 N m 为 式中ta 电动机起动加速过程的时间 s 中 小型普通机床可取ta 0 5s 大型普通机床可取ta 1s 克服惯性需要的功率 kW 为 快速移动部件多半重量较大 如果是升降运动 则克服质量和摩擦力所需的功率 kW 为 如果是水平移动 则 由此可得空行程电动机的功率 kW 应为 35 应该指出的是 P1仅存在于起动过程 当运动部件达到正常速度 P1即消失 交流异步电动机的起动转矩约为满载时额定转矩的1 6 1 8倍 工作时又允许短时间超载 最大转矩可为额定转矩的1 8 2 2倍 快速行程的时间又很短 因此 可根据式计算出来的P和电动机转速n计算起动转矩 并据此来选择电动机 使电动机的起动转矩大于计算出来的起动转矩就可以了 这样选出来的电动机 其额定功率可小于式的计算结果 一般普通机床的空行程电动机功率和空行程速度列于表7 4 可供参考 36 37 习题 1 写出Z3040 16摇臂钻床下列技术参数属于哪一类 最大跨距1600mm 主电机功率3KW 主轴行程315mm 主轴转速级数 2 机床主要技术参数中的基本参数包括 3 已知等比的主轴转速中 nl 20r min 1 26 求 n7 n10 n11 n17 4 主轴转速数列标准公比的取值范围为 其标准值分别为 5 一台最大加工直径为400mm的普通车床 其典型工序的切削速度为vmax 150m min vmin 6 28m min 计算主轴的nmax nmin 6 在设计机床时 如何选用标准公比 7 主轴转速一般为什么按等比数列排列 38 习题 3 已知等比的主轴转速中 nl 20r min 1 26 求 n7 n10 n11 n17 4 主轴转速数列标准公比的取值范围为 其标准值分别为 5 一台最大加工直径为400mm的普通车床 其典型工序的切削速度为