金属切削机床总体设计ppt

机械制造装备设计第一章金属切削机床总体设计 机械与动力工程学院 第一章金属切削机床总体设计 第一节机床的基本要求 第二节机床的设计步骤 第三节机床的总体布局 第四节机床主要技术参数的确定 一 机床应具有的性能指标 二 人机关系 第一节机床的基本要求 1工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 一 机床应具有的性能指标 第一节机床的基本要求 第一节机床的基本要求 1 工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 一 机床设计应满足的基本要求 第一节机床的基本要求 1 工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 一 机床设计应满足的基本要求 第一节机床的基本要求 第一节机床的基本要求 1 工艺范围 工艺范围 指机床适应不同生产要求的能力 也可称之为机床的加工功能 一般包括可加工工件类型 加工方法 加工表面形状 材料 工件和加工尺寸范围 毛坯类型等 机床工艺范围取决于使用什么生产模式 单件小批生产模式 通用机床大批量生产模式 专用机床多品种小批量生产模式 专门化机床 机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度 设计制造成本 加工效率和自动化程度 数控机床的发展 一 机床设计应满足的基本要求 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 机床在空载条件下 在不运动或运动速度比较低时各主要部件的形状 相对位置和相对运动的精确程度 它主要决定于结构设计 制造和装配质量 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 机床空载并以工作速度运动时 执行部件的几何位置精度 运动精度是评价机床质量的一个重要指标 与结构设计及制造等因素有关 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 传动精度是指机床传动系统各末端执行件之间运动协调性和均匀性 影响传动精度的主要因素是传动系统的设计 传动元件的制造和装配精度 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度 定位精度直接影响到被加工工件的尺寸精度和形位精度 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 机床的工作精度是指规定的试件的加工精度 工作精度是各种因素综合影响的结果 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 运动精度 传动精度 定位精度 工作精度 几何精度 精度保持性 在规定工作时间内 保持机床所所要求精度的能力 称为精度保持性 影响精度保持性的主要因素是磨损 4 精度 加工过程中获得零件加工精度等级的能力 第一节机床的基本要求 5 刚度 指机床受载时抵抗变形的能力 静刚度 动刚度 指加工过程中 在切削力作用下 抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力 整机刚度的概念 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会产生变形 这些变形直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移 此位移的大小代表了机床的整机刚度 第一节机床的基本要求 6 机床抗振能力 机床在交变载荷作用下 抵抗变形的能力 受迫振动 自激振动 抗振性 切削稳定性 影响原因 1 机床的刚度2 机床的阻尼特性3 机床的固有频率 改进措施 第一节机床的基本要求 7 热变形 由于机床各部位的温升不同 不同材料的热膨胀系数不同 机床各部分材料产生的热膨胀量不同 就会导致机床床身 主轴和刀架等构件产生变形 称之为机床热变形 通过温度场分析机床热源及其对热变形的影响 设计机床时采取相应措施 第一节机床的基本要求 10 自动化程度 11 生产率 13 生产周期 14 可靠性 15 造型与色彩 12 生产成本 第一节机床的基本要求 一 总体设计 二 技术设计 第二节机床的设计步骤 三 零件设计 四 样机试制和实验鉴定 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 产品规划 方案设计 技术设计 工艺设计 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 根据初步设计方案 在充分理解原理解的基础上 确定被设计机床的主要结构原理方案 1 机床的工艺范围 2 加工工件类型 生产率 批量要求 3 机床性能指标 4 确定机床主要参数 5 驱动方式 6 结构原理等在此基础上对主要功能结构进行构思 初步确定机床材料形状等 进行粗略的结构设计 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 将结构原理方案进一步具体化 主要包括 1 机床的运动功能设计 2 主要参数设计 3 机床总体结构方案 包括运动功能分配 总体结构布局和结构方案图等 4 系统原理设计 包括传动系统 液压系统 控制系统等 5 经济核算等在此阶段 可对多种方案进行综合评价 选择好的方案 机床设计步骤 技术设计任务书 确定结构原理方案 总体设计 结构设计 工艺设计 机床整机综合评价 定型设计 满足设计要求 否 是 产品规划 方案设计 技术设计 工艺设计 虚拟样机 第二节机床的设计步骤 第三节金属切削机床设计的基本理论 一 机床的运动学原理 不同的机床因其加工功能 加工方法 工件类型 加工表面形状等 的不同 实现加工功能所需要的运动也不同 第二节金属切削机床设计的基本理论 机床中严格的运动关系在机械传动的机床中是靠严格的内联动齿轮来实现的 在数控机床中是通过坐标轴的联动来实现的 所谓机床运动学是研究 分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置 即配置什么样的运动功能才能实现机床所需要的加工功能 一 机床的工作原理 机床的基本工作原理 通过刀具与工件之间的相对运动 由刀具切除工件上多余的金属材料 使工件具有要求的尺寸和精度的几何形状 第二节金属切削机床设计的基本理论 车外圆面 车成形面 车床上镗孔 磨外圆面 钻孔 铣平面 铣成形面 一 机床的工作原理 可以看出 工件的加工表面是通过机床上刀具与工件的相对运动而形成的 第二节金属切削机床设计的基本理论 分析机床的工作原理就要分析机床的运动功能 分析机床的运动功能需要了解工件表面的形成方法 第二节金属切削机床设计的基本理论 二 工件表面的形成方法 1 几何表面的形成原理 任何一个表面可以看作一条曲线 直线 沿着另一条曲线 直线 运动的轨迹 发生线母线导线 几何表面的形成原理图示 1 2 a 平面 1 2 b 圆柱面 1 2 c 平面 1 2 d 圆锥面 1 母线 2 导线 2 e 自由曲面 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 第二节金属切削机床设计的基本理论 2 发生线及加工表面的形成方法 发生线形成方法有四种 1 轨迹法 2 成形法 3 相切法 4 展成法 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 因此 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导线所需相对运动的组合 第二节金属切削机床设计的基本理论 三 运动分类 1 按运动的功能来分 完成一个表面的加工所需要的最基本的运动 根据运动在表面形成中的功能 又可分为主运动和形状创成运动 图3 3举例说明 切入运动 分度运动 辅助运动 控制运动 1 成形运动 2 非成形运动 一般机床多用主运动和进给运动描述 第二节金属切削机床设计的基本理论 三 运动分类 2 按运动间关系来分 1 独立运动 2 复合运动 第二节金属切削机床设计的基本理论 四 机床运动功能描述方法 1 坐标系的建立机床坐标系 X Y ZA U V W 局部坐标系 第二节金属切削机床设计的基本理论 四 机床运动功能描述方法 2 机床运动功能式运动功能式表示机床的运动个数 运动形式 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表下标p f a表示 及运动排列顺序 例如 车床运动功能式 W Cp Zf Xf T三轴铣床运动功能式 W Xf Yf Zf Cp T 第二节金属切削机床设计的基本理论 机床运动功能图 运动功能图是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来 是认识 分析和设计机床传动系数的依据 图3 5机床运动功能图举例 运动功能图形符号 a 回转运动 b 直线运动 四 机床运动功能描述方法 第二节金属切削机床设计的基本理论 4 机床传动原理图 机床的运动功能图只表示机床运动的个数 形式 功能及排列顺序 不表示运动之间的传动关系 若将机床动力源与执行件 各执行件之间的关系同时表示出来 就是传动原理图 图3 6传动原理图主要符号及示例 四 机床运动功能描述方法 定比传动机构 传动比和传动方向固定不变的传动机构 如定比齿轮副 蜗杆蜗轮副 丝杠螺母副等换置机构 根据加工要求可以变换传动比和传动方向的传动机构 如挂轮变速机构 滑移齿轮变速机构 离合器换向机构等 第二节金属切削机床设计的基本理论 4 机床传动原理图 四 机床运动功能描述方法 第二节金属切削机床设计的基本理论 5 并联机床原理简介 四 机床运动功能描述方法 并联机床简介 并联机床原理 机床运动功能方案设计 1 工艺分析 2 选取坐标系 3 写出机床运动功能式 4 画出机床运动功能图 5 绘制机床传动原理图 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 一 机床系列型谱的制定 二 机床的运动功能设计 三 机床总体结构方案设计 四 机床主要参数的设计 第三节金属切削机床总体设计 一 机床系列型谱的制定 第三节金属切削机床总体设计 国家根据机床的生产和使用情况 规定了每一种通用机床的主参数系列 主参数系列是一个等比级数的数列 变型系列 基型系列 主参数标准 系列型谱 按照机床主参数标准 先确定一种用途最广 需求量较大机床作为基型系列 在此基础上 根据用户需求派生出若干种变型机床 形成变型系列 中型卧式机床的简略系列型谱表 注 基型 变型 一 机床系列型谱的制定 纵向 系列 横向 型谱 机床的系列型谱 机床的系列型谱综合表明机床产品规格参数的系列性与结构相似性 第三节金属切削机床总体设计 机床运动功能方案 工艺分析 二 机床的运动功能设置 机床运动功能式 机床运动功能图 机床加工范围分析 选择合适的加工方法 根据加工范围分析和确定的的加工方法 进行运动功能设置 包含分析式设计和解析式设计两种方法 1 运动功能分配设计运动功能分配设计是确定运动功能式中 接地 的位置 用符号 来表示 运动功能式中符号 左侧的运动由工件完成 右侧运动由刀具完成 第三节金属切削机床总体设计 三 机床总体结构方案设计 运动功能式 运动分配式 1 运动功能分配设计机床运动功能分配的原则 1 运动分配给质量小的零部件2 运动分配有利于提高工件的加工精度3 运动分配应有利于提高运动部件的刚度4 运动分配应考虑工件的形状 第三节金属切削机床总体设计 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 制作成本低 如 铣床上铣刀的运动2 运动分配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 钻床上钻头的运动3 运动分配应有利于提高运动部件的刚度运动分配给刚度高的部件 如 磨床工作台和砂轮架的运动4 运动分配应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 箱体类内孔在镗床或钻床上加工 刀具旋转 工件移动 第三节金属切削机床总体设计 一个运动功能方案 经过运动功能的分配设计 可以得到多个运动分配式 各分配式对应不同的机床形式 第三节金属切削机床总体设计 W Xf Zf Yf Cp TW Xf Zf Yf Cp TW Xf Zf Yf Cp TW Xf Zf Yf Cp T 落地镗铣床卧式立柱移动式铣床卧式升降台铣床卧式升降台铣床 铣床一个三轴铣床的运动功能式为 W Xf Zf Yf Cp T 运动功能式的评价原则 避重就轻 2 结构布局设计机床结构布局 立式 卧式 斜置式基础支承件 底座式 立柱式 龙门式一体式 分离式 第三节金属切削机床总体设计 三 机床总体结构方案设计 同一运动分配式可以有多种结构布局形式 评价依据 定性分析机床的刚度 占地面积 与物流系统的可接近性等 该阶段设计结果 获得机床总体结构布局形态图 3 机床总体结构的概略形状与尺寸设计 第三节金属切削机床总体设计 三 机床总体结构方案设计 该阶段主要进行功能 运动 支承 部件的概略形状和尺寸设计 设计过程 设计的主要依据是 机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局形态图 驱动与传动设计结果 机床动力参数及加工空间尺寸参数 以及机床整机的刚度及精度分配 末端执行件概略形状与尺寸 末端执行件与下一功能部件结合部的概略形状与尺寸 全部基础支撑件的设计 下一功能部件结合部的概略形状与尺寸 造型色彩及评价 3 机床总体结构的概略形状与尺寸设计 第三节金属切削机床总体设计 三 机床总体结构方案设计 该阶段设计结果 获得机床总体结构方案图 如图3 10示例 评价的主要因素有 1 性能2 制造成本3 制造周期4 生产率5 与物流的可亲性6 外观造型7 机床总体结构方案设计修改与确定 最后确定机床总体结构方案 主要参数 第四节机床主要技术参数确定 主参数 基本参数 尺寸参数 运动参数 动力参数 一 主参数和尺寸参数 机床主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数 通用机床的主参数和主参数系列国家已制定有标准 专用机床主参数是以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示 一般也参照类似的通用机床主参数系列选取 机床尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数 包括 与被加工零件有关的尺寸 标准化工具或夹具的安装面尺寸 第四节机床主要技术参数确定 二 运动参数 机床运动参数是机床执行件如主轴 工件安装部件如工作台的运动速度 主运动参数 进给速度 进给量 1 主运动参数 主运动为回转运动 主运动为直线运动 主轴的变速 有级变速 无级变速 第四节机床主要技术参数确定 1 最低 最高转速的确定 最高转速确定需要考虑因素 D为机床最大加工直径 k为系数 Rd为计算直径范围系数 1 机床主传动类型2 采用的刀具类型 材料等 第四节机床主要技术参数确定 2 有级变速主轴转速的合理排列确定了机床的nmax和nmin后 如采用有级变速 应进行转速分级 如采用无级变速 有时也需要用分级变速机构扩大无级变速范围 主轴转速数列常采用等比级数排列 公比用符号j表示 转速级数用Z表示 主轴转速数列采用等比级数排列的主要原因 1 各级转速产生的相对转速损失率相同 2 等比数列主轴转速 可借助串联若干滑移齿轮来实现 第四节机床主要技术参数确定 3 标准公比值j和标准转速数列标准公比确定原则 公比大于1 Amax不大于50 则公比小于2 表3 5标准公比 表3 6标准数列 第四节机床主要技术参数确定 4 标准公比值j的选用 j小则相对转速损失小 但变速范围一定时变速级数将会增多 使变速箱复杂 通用机床 机动时间在加工周期中占得比重不是很大转速损失不会引起加工周期过多延长 为使机床变速箱不过于复杂 可取较大公比j 1 26或1 41 专用机床 专门化机床及自动机 不经常变速 采用小公比 j 1 12或1 26 非自动机小型机床 切削时间远小于辅助时间 转速损失大些影响不大 可采用大公比 j 1 58或1 78甚至2 重型机床取j1 26 1 12 1 06 加工时间长 如果小 转速损失率就小 机床效率高 第四节机床主要技术参数确定 5 变速范围Rn 公比j和级数Z之间关系 以上三式给出了Rn j和Z之间关系 第四节机床主要技术参数确定 二 运动参数 1 主运动参数 总结 工艺分析 确定nmax与nmin 机床分析 确定合适公比j 求出转速级数Z Rn j Z关系 确定转速范围Rn 第四节机床主要技术参数确定 二 运动参数 2 进给量的确定 3 变速形式与驱动方式选择伺服电机无极变速 变速箱有极变速电机驱动 液压驱动 对于有极变速 进给量一般为等比数列 确定方法与主轴转速相同 即确定fmax和fmin 选择公比jf或进给量级数Zf 对于螺纹加工机床 为等差数列对于棘轮进给机床 为等差数列 特例 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩 动力参数可通过调查类比法 实验法或计算法来确定 1 主电动机功率的确定 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩 动力参数可通过调查类比法 实验法或计算法来确定 1 主电动机功率的确定 1 P切的计算 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩 动力参数可通过调查类比法 实验法或计算法来确定 1 主电动机功率的确定 2 P空的计算 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩 动力参数可通过调查类比法 实验法或计算法来确定 1 主电动机功率的确定 3 P辅的计算 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩 动力参数可通过调查类比法 实验法或计算法来确定 1 主电动机功率的确定 4 P主的计算 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 2 进给驱动电动机功率的确定 机床进给运动驱动源可分成如下几种情况 1 进给运动与主运动合用一个电机 卧式车床 钻床 铣床 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 2 进给驱动电动机功率的确定 机床进给运动驱动源可分成如下几种情况 2 工作进给与快速进给合用一个电机 此时由于快速进给所需功率远大于工作进给功率 且二者不能同时工作 所以不必单独考虑工作进给所需功率 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 2 进给驱动电动机功率的确定 机床进给运动驱动源可分成如下几种情况 3 进给运动采用单独电动机驱动 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 2 进给驱动电动机功率的确定 机床进给运动驱动源可分成如下几种情况 4 数控机床进给运动 伺服电动机按转矩选择 第四节机床主要技术参数确定 三 动力参数 四 机床主要参数设计 3 快速运动电动机功率的确定 快速运动电动机起动时消耗功率最大 要同时克服移动件的惯性力和摩擦力 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 设计一普通卧式车床 最大加工直径为400mm 试确定主轴的最高和最低转速 D为机床最大加工直径 k为系数 Rd为计算直径范围系数 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 设计一普通卧式车床 最大加工直径为400mm 试确定主轴的最高和最低转速 解 经统计分析 车床的最高转速出现在硬质合金刀具精车钢料工件的外圆工艺中 最低转速出现在高速钢刀具精车合金钢工件的梯形丝杠工艺中 由 工艺手册 可知 硬质合金刀具精车钢料最高转速vmax 200m min 高速钢刀具精车合金钢工件的梯形丝杠速度vmin 1 5m min 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 设计一普通卧式车床 最大加工直径为400mm 试确定主轴的最高和最低转速 解 车床的加工直径D 400mm 对于通用机床dmax KD 卧式车床K 0 5 dmin Rddmax Rd 0 2 0 25 因此 dmax KD 200mmdmin Rddmax 0 25 200 50mm 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 设计一普通卧式车床 最大加工直径为400mm 试确定主轴的最高和最低转速 解 车床的最高转速 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 设计一普通卧式车床 最大加工直径为400mm 试确定主轴的最高和最低转速 解 高速钢刀具精车合金钢工件的梯形丝杠速度vmin 1 5m min 此时加工丝杠最大直径 40 50mm 车床的最低转速 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 设计一普通卧式车床 最大加工直径为400mm 试确定主轴的最高和最低转速 解 经过圆整 取主轴最高转速为1400r min 主轴的最低转速为10r min 与CA6140相同 第四节机床主要技术参数确定 1 运动参数例题 已知某机床主轴转速数列为等比数列 公比 1 41 n3 80r min 转速级数Z 12 试求其主轴转速范围Rn 最高转速n12和