第一章-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,第二节金属切削机床的设计步骤,第三节机床的总体布局,第四节主要技术参数的确定,第一节机床的基本要求,机床的基本要求具有良好的技术性能，满足使用要求；柔性化、精密化、自动化、机电一体化造型美观，色彩协调，有良好的人机关系；经济适用，质量好，成本低。,一、机床的主要技术性能,多品种小批生产要求机床运动和刀具数目多，加工精度高，加工效率高，工艺范围广。如：数控机床，加工中心，柔性制造系统。,第一节机床的基本要求,工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力（或功能）。包括可加工的零件类型、表面形状和尺寸，加工方法等。,不同的生产模式对机床的工艺范围要求不同。大批量生产要求加工效率高，工艺范围窄，机床结构简单。如：组合机床。单件小批生产要求扩大机床功能，工艺范围广，机床结构复杂。如：通用车床，通用钻床等。,1.工艺范围,第一节机床的基本要求,大批量生产采用的机床是组合机床,立、卧三面组合钻床,第一节机床的基本要求,单件小批生产采用：普通的车、铣、钻、镗、磨等机床,车床,铣床,钻床,磨床,镗床,多品种小批生产采用：数控机床，加工中心，柔性制造系统。,第一节机床的基本要求,数控机床,加工中心,柔性制造系统,第一节机床的基本要求,结构柔性指对机床的某些部件只做少量修改或重组，就可迅速构成适应产品更新要求的新型加工机床。,2.柔性柔性是指机床适应加工对象变化的能力。机床的柔性包括功能柔性和结构柔性。,功能柔性指对机床的加工控制软件进行调整或修改，就可方便的改变机床的加工功能，适应变型零件的加工要求。,第一节机床的基本要求,零件的加工精度指被加工零件的形状位置精度、尺寸准确度、表面粗糙度。反映机床本身误差的大小。,3.加工精度,1）几何精度指机床不运动或空载低速运动时的精度。几何精度反映机床主要零部件的几何形状精度、相对位置、相对运动轨迹精度，是评价机床质量的基本指标。几何精度取决于零部件的结构设计和制造装配精度。,机床的精度包括：,2）传动精度指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。传动精度取决于传动件的制造精度和传动系统的设计合理性。,第一节机床的基本要求,4）定位精度指机床工作零部件运动终了时所达到的位置的准确性和机床的调整精度。,5）精度保持性指机床加工精度应保持的时间，也称使用寿命。不同类型、不同精度的机床，其精度保持性是不同的。,3）运动精度指机床在额定负载下运动时主要零部件的几何位置精度。运动精度是评价机床的重要指标，它取决于运动部件的制造精度、机床零部件的动态刚度和热变形程度。,自动化的大批生产采用组合机床、数控机床组成自动生产线。自动化的单件小批生产采用由数控机床、加工中心构成的柔性制造系统。或由柔性制造系统构成自动化工厂。,第一节机床的基本要求,生产率指机床在单位时间内能加工的工件数量。包括切削和辅助时间等。机床的生产率是衡量生产技术的先进性、生产组织的合理性和工人工作积极性的重要指标。,4.生产率和自动化,自动化指机床在无人工干预的情况下，按规定动作要求通过机械、电子或计算机的控制，自动完成加工的性能。机床自动化程度越高，加工精度的稳定性越好，能有效减少工人的劳动强度。,第一节机床的基本要求,5.可靠性,可靠性的衡量指标：平均无故障工作时间及有效度。,可靠性是机床重要的技术经济指标，它包括两个方面：机床在规定时间内发生失效的难易程度；可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。,1.信号指示显示方式、显示器的位置等应该易于操作者无误的接受。2.操纵件符合人的动作习惯，操纵灵活方便、迅速、省力，不易产生误操作或故障。3.造型、色彩和噪声机型应美观大方，色彩协调，噪声低。,第一节机床的基本要求,机床的整体及操纵应符合人的生理和心理特征，实现人机环境协调统一，提供舒适、可靠、高效的工作条件。,二、人机关系,第一节机床的基本要求,经济实用是指机床在满足应有的加工功能、可靠性和人机关系的前提下，还要求有良好的经济性，即成本低。,三、经济实用,机床的成本低贯穿在机床的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、实用、维护、再利用和报废处理等费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标。,设计机床时，应尽可能在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。,数控分度车床,第二节金属切削机床的设计步骤,机床设计步骤包括：总体设计，技术设计，零件设计，样机试制，试验鉴定。,第二节金属切削机床的设计步骤,1.调研、检索和收集各种信息、掌握机床设计依据。市场、技术、可行性2.工艺分析对资料进行工艺分析，拟出几个加工方案，进行经济效果预测对比，找出性能优良、经济适用的工艺方案。3.总体布局根据确定的工艺方案，分配机床运动，选择传动和支承形式，安排操作位置，拟订提高动刚度的措施，造型与色彩设计。画出各种传动原理图、部件结构草图、操纵控制系统原理图、机床联系尺寸图。4.确定主要技术参数主参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。,一、总体设计（总体方案拟定）,绘制机床零件图，完善部件装配图和总图。编写机床零件名细表和机床设计说明书，制定机床的验收方法和标准、使用说明书等。,第二节金属切削机床的设计步骤,根据确定的技术参数设计机床的运动系统，采用优化设计法，画出主传动系统图、部件装配图、液压传动和电气操作控制系统图，完善机床联系尺寸图等。,二、技术设计,三、零件设计及资料编写,1.样机试制设计人员跟踪机床试制全过程，特别注重关键零件，及时指导修正其加工和装配工艺。（1-2台，检验正确性、可行性和可靠性）,3.批量生产根据工业性试验总结，鉴定意见改进完善设计，投入批量生产。（小批量试制5-10台验证生产工艺、装备工艺、经济性）,2.试验鉴定先进行空车试运转，再在额定载荷下进行工作试验。工作一段时间后，检测其精度，写出试验总结。,第二节金属切削机床的设计步骤,四、样机试制和鉴定,第三节机床的总体布局,如何实现所需运动；何种部件产生运动；工件如何安装加工；各种运动如何控制；如何设置合理操作位置。,一、机床的总体布局,机床的总体布局是根据已确定的零件加工方法和应具有的运动来确定如下设计：,第三节机床的总体布局,3.运动分配应有利于提高运动部件的刚度运动应分配给刚度高的部件。如：外圆磨床、平面磨床工作台和砂轮架的运动。,4.运动分配应考虑工件形状不同形状的工件，所需的运动部件不一样。如：圆柱件内孔在车床上加工，工件旋转；箱体件内孔在镗床或钻床上加工，刀具旋转，工件移动。,2.运动分配应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：深孔钻床上钻头的运动。,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，制造成本低。如：铣床上铣刀的运动。,一、分配机床的运动,电气传动可简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，广泛用于数控机床的主运动。其进给运动采用伺服电动机齿轮传动滚珠丝杠螺母。,第三节机床的总体布局,机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数1，因为机床要满足不同工艺需求，需要一系列等比数列转速，所以转速从n1到nmax依次递增。,（4）12，因为大，则Amax大，对机床生产率影响大，所以规定Amax50%，即,3.标准公比,非自动化小型机床取=1.58、1.78、2，因切削时间小于辅助时间，转速损失（Amax）对工作效率影响小，为使机床结构简单，取大值。,专用机床和自动机床取=1.12、1.26，要求高生产效率，受转速损失影响大；不常变速，可用交换齿轮变速，使箱体结构简化。,4.公比选用原则,第四节主要技术参数的确定,已知越小，Amax越小，Rn也越小，如要达到一定的Rn，需增加变速组数目，即增加传动副个数，但整个转动系结构复杂。,通用机床取=1.26、1.41。加工的辅助时间较长，机动时间所占比重不大，且受转速损失影响不大。能使变速箱结构不过于复杂,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。,第四节主要技术参数的确定,（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,第四节主要技术参数的确定,（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,第四节主要技术参数的确定,第四节主要技术参数的确定,动力参数包括驱动机床的各种电动机功率或转矩，液压马达和液压缸的牵引力等。动力参数可决定传动件的结构参数，涉及制造成本和机床的使用寿命。,（1）切削功率P切与刀具、工件材料和选用的切削用量有关。专用机床可直接选择切削用量而计算，通用机床须根据机床检验标准规定的切削条件进行计算。,三、动力参数,1.主电动机功率的确定,机床主运动的功率为P主=P切+P空+P附,第四节主要技术参数的确定,（2）空转功率P空由传动件摩擦、搅油等因素引起。与传动件的预紧程度及装配质量有关，并随传动件转速的增大而增大。中型机床主传动的P空可用设计手册上的经验公式计算。,（3）附加机械摩擦耗损功率P俯指机床切削时，齿轮、轴承上的接触压力增大，所耗损的另一部分机械摩擦功率。并且P切越大，P附越大。,主电动机的功率为,第四节主要技术参数的确定,2.进给运动电动机功率的确定,（2）工作进给与快速移动合用一台电动机快速电动机满载起动，移动部件加速度大，所消耗功率远大于工作进给功率，因此，电动机功率按快速移动功率选取，即,（4）数控机床进给运动，伺服电动机按转矩选择：,第四节主要技术参数的确定,2.进给运动电动机功率的确定,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。,（1）交流异步快速移动电动机功率的确定,1）最大切削负载转矩不得超过伺服电动机的额定转矩,丝杠上的最大轴向载荷（最大轴向进给力与导轨摩擦力之和）；丝杠导程。,3.快速运动电动机功率的确定,（2）伺服电动机选择,第四节主要技术参数的确定,丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦转矩、丝杠轴承的摩擦转矩,3)起动转矩和加速特性直流伺服电动机和步进电动机起动时转速加速过程的时间为机械时间常数的4倍；交流伺服电动机为伺服系统时间常数的一半。交流伺服电动机也可根据电动机的最大转矩计算工作台的加速时间和加速度,第四节主要技术参数的确定,2）电动机的转动惯量负载惯量匹配,根据伺服系统的增益，计算所需工作台的最大加速度，并使略小于。伺服系统增益，数控钻床取小值，数控车床、镗铣加工中心取大值。伺服系统的时间常数，伺服系统要求的最大加速度是在系统常数内，工作台的速度从变为，因此，系统需要的加速度为。,3.快速运动电动机功率的确定,（2）伺服电动机按转矩选择,第四节主要技术参数的确定,系统需要的加速度为,如果结构尚未确定,不能计算部件质量和转动部件惯性时，可根据现有机床，在统计分析的基础上，类比确定。普通机床的快速移动电动机功率及移动速度参见下表,3.快速运动电动机功率的确定,（2）伺服电动机按转矩选择,第四节主要技术参数的确定,3.快速运动电动机功率的确定,（2）伺服电动机按转矩选择,第四节主要技术参数的确定,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。,第四节主要技术参数的确定例题,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。,第四节主要技术参数的确定例题,1、运动参数例题：,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=0.25200=50mm,第四节主要技术参数的确定例题,硬质合金刀具精车钢料最高转速vmax=200m/min，,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：,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：,第四节主要技术参数的确定例题,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。,第四节主要技术参数的确定例题,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和最低转速n1。,解：n1=n3/2=80/1.412=40r/minRn=z-1=1.4112-