吉林大学机械制造装备设计第1章

1、1design of mechanical manufacturing machining 机械制造装备设计机械制造装备设计第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计2第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究、检索资机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究、检索资料、料、掌握机床设计的依据掌握机床设计的依据；然后进行然后进行工艺分析工艺分析，拟定出性能先进、经济性好的工艺方，拟定出性能先进、经济性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；案，必要时画出加工示意图；在此基础上在此基础上确定机床总布局确定机床总布局，画出机床联

2、系尺寸图；确定，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的所设计机床的主要技术参数主要技术参数。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计3一、机床应具有的性能指标一、机床应具有的性能指标1. 工艺范围工艺范围也可称之为机床的加工功能。机床工艺范围包括工件类型、也可称之为机床的加工功能。机床工艺范围包括工件类型、加工方法、加工表面形状、毛坯类型、加工尺寸范围等。加工方法、加工表面形状、毛坯类型、加工尺寸范围等。生产模式决定了机床的工艺范围，机床的工艺范围将直接生产模式决定了机床的工艺范围，机床的工艺范围将直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和影响到机床结构的复杂程度、

3、设计制造成本、加工效率和自动化程度。自动化程度。加工功能：是由机床的运动数目决定的；加工功能：是由机床的运动数目决定的；加工范围：运动的有效工作行程决定；加工范围：运动的有效工作行程决定；第一节第一节 机床的基本要求机床的基本要求第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计42. 加工精度加工精度包括尺寸精度、形状精度、相互位置精度及表面粗糙度包括尺寸精度、形状精度、相互位置精度及表面粗糙度，并能在机床长期使用中保持这种状态，机床本身必须具备并能在机床长期使用中保持这种状态，机床本身必须具备的精度称为机床精度。的精度称为机床精度。各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和高精度级。

4、各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和高精度级。在设计阶段应主要从机床的精度分配、元件及材料选择等在设计阶段应主要从机床的精度分配、元件及材料选择等方面来提高机床精度。方面来提高机床精度。机床精度能反映机床本身误差的大小，它主要包括机床的机床精度能反映机床本身误差的大小，它主要包括机床的几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、工作精度及几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、工作精度及精度保持性精度保持性等。等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计51）几何精度）几何精度 指机床空载条件下，在不运动指机床空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不（机床主轴不转或工作台

5、不移动等情况下）移动等情况下）或运动速度较低时，各主要部件的形状、或运动速度较低时，各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度相互位置和相对运动的精确程度。描述机床独立部件相对理想的线或面的形状特征（直线度、描述机床独立部件相对理想的线或面的形状特征（直线度、平面度），位置（平行度、垂直度、重合度、角度等）、平面度），位置（平行度、垂直度、重合度、角度等）、旋转（径向圆跳动、轴向串动、端面圆跳动）、位移偏差旋转（径向圆跳动、轴向串动、端面圆跳动）、位移偏差程度（位置偏差、线性偏差、角度偏差）。程度（位置偏差、线性偏差、角度偏差）。几何精度直接影响加工工件的精度，几何精度直接影响加工工件的精

6、度，是评价机床质量的基是评价机床质量的基本指标。它主要决定于结构设计、制造和装配质量本指标。它主要决定于结构设计、制造和装配质量。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计62）传动精度）传动精度 指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。反映了机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和反映了机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。均匀性。影响传动精度的主要因素是传动系统的设计的合理性、影响传动精度的主要因素是传动系统的设计的合理性、传动元件的制造精度及其装配精度。尤其是末端件的加传动元件的制造精度及其装配精度。尤其是末端件的

7、加工和装配。工和装配。对数控机床而言，其主要影响因素是电动机、驱动器及对数控机床而言，其主要影响因素是电动机、驱动器及控制等。控制等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计73）运动精度）运动精度 指机床空载并以工作速度运动时，机床运动执行件的几何指机床空载并以工作速度运动时，机床运动执行件的几何位置精度。（额定负载运行）位置精度。（额定负载运行）如高速回转主轴的回转精度，工作台运动的位置及方向精如高速回转主轴的回转精度，工作台运动的位置及方向精度等，随着油膜的动压效应及滑动面的形位误差而变化，度等，随着油膜的动压效应及滑动面的形位误差而变化，对高精度机床的影响是不容忽视的

8、，变化量越大，精度越对高精度机床的影响是不容忽视的，变化量越大，精度越低。低。取决于运动链的设计、元件加工和装配质量、运动速度、取决于运动链的设计、元件加工和装配质量、运动速度、动态刚度、热变形程度等。动态刚度、热变形程度等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计8合理设计运动链，提高静刚度和阻尼，来提高动刚度。合理设计运动链，提高静刚度和阻尼，来提高动刚度。对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。重要指标。4 4）定位精度）定位精度 指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。即实际指机床的定位部件运动到达规定位置

9、的精度。即实际位置与要求位置之间误差的大小。位置与要求位置之间误差的大小。定位精度主要反映机床的测量系统、进给系统和伺服定位精度主要反映机床的测量系统、进给系统和伺服系统的特性。系统的特性。定位精度直接影响被加工工件的尺寸定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度精度和形位精度和形位精度。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计95）工作精度）工作精度 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。工作精度是各种因素综合影响的结果，各种因素中包括机工作精度是各种因素综合影响的结果，各种因素中包括机床自身的精度、刚度、热变形和

10、刀具、夹具及工件的刚度床自身的精度、刚度、热变形和刀具、夹具及工件的刚度及热变形等。及热变形等。所以，所以，工作精度能反映机床的刚度、抗振性、热稳定性等工作精度能反映机床的刚度、抗振性、热稳定性等特性。特性。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计106）精度保持性）精度保持性 指在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。精度指在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。精度保持性又称为机床寿命。保持性又称为机床寿命。该项指标由机床某些关键零件的首次大修期所决定。对该项指标由机床某些关键零件的首次大修期所决定。对于高精度机床，精度保持性是一项重要的评价指标。于高精度机床，精度保

11、持性是一项重要的评价指标。影响精度保持特性的主要因素是影响精度保持特性的主要因素是磨损磨损，而磨损是由结构，而磨损是由结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等因素决定的。因素决定的。提高机床关键零部件的耐磨性，可提高机床的寿命。提高机床关键零部件的耐磨性，可提高机床的寿命。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计113. 生产率和自动化生产率和自动化机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的合格工机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的合格工件数量件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生。机床的切削效

12、率越高，辅助时间越短，则它的生产效率越高。产效率越高。机床本身而言，工艺范围增加，可能使加工效率下降；但机床本身而言，工艺范围增加，可能使加工效率下降；但就工件的制作过程而言，工艺范围增加，减少工件的装卸就工件的制作过程而言，工艺范围增加，减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，有可能提高总生产率。次数，减少安装、搬运等辅助时间，有可能提高总生产率。对用户而言，使用高效率的机床，除可提高生产效率外，对用户而言，使用高效率的机床，除可提高生产效率外，还可以降低工件的加工成本。还可以降低工件的加工成本。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计12机床的自动化程度越高，则加工

13、效率越高，加工精度的机床的自动化程度越高，则加工效率越高，加工精度的稳定性越好，越容易适应自动化制造系统的要求。稳定性越好，越容易适应自动化制造系统的要求。同时，同时，机床的自动化程度高，还可以有效地降低工人的劳动强机床的自动化程度高，还可以有效地降低工人的劳动强度，便于一人看管多台机床，大大地提高劳动生产率。度，便于一人看管多台机床，大大地提高劳动生产率。大批量生产自动化：自动化单机（组合机床、自动机床，大批量生产自动化：自动化单机（组合机床、自动机床，包括数控机床）组成生产流水线。包括数控机床）组成生产流水线。单件小批量生产自动化：数控机床、加工中心等组成的单件小批量生产自动化：数控机床、

14、加工中心等组成的柔性制造系统。柔性制造系统。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计134. 可靠性可靠性机床的可靠性是指机床在整个使用寿命期间内完成规定功机床的可靠性是指机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力。即保证机床在规定的使用条件下、在规定的时能的能力。即保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概率要高。间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概率要高。机床的可靠性是一项重要的技术经济指标。机床的可靠性是一项重要的技术经济指标。可靠性包括两可靠性包括两个方面：一是机床在规定时间内发生失效的概率；二是可个方面：一是机床在规定时间

15、内发生失效的概率；二是可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计14从可靠性考虑，机床不仅要求在使用过程中不易发生故障，从可靠性考虑，机床不仅要求在使用过程中不易发生故障，即即无故障性无故障性；且要求发生故障后容易维修，即；且要求发生故障后容易维修，即维修性维修性。衡量机床可靠性水平高低的各种可靠性数量指标主要有：衡量机床可靠性水平高低的各种可靠性数量指标主要有：可靠度、累积失效概率（不可靠度）、失效率（故障率）、可靠度、累积失效概率（不可靠度）、失效率（故障率）、平均寿命和平均无故障工作时间、

16、可靠寿命、维修度、修平均寿命和平均无故障工作时间、可靠寿命、维修度、修复率、平均修复时间、瞬时有效度、平均有效度以及极限复率、平均修复时间、瞬时有效度、平均有效度以及极限有效度等。有效度等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计15二、人机关系（人机工程学）二、人机关系（人机工程学）产品设计除满足应具有一定的技术性能指标外，还应满足产品设计除满足应具有一定的技术性能指标外，还应满足人机工程学方面的要求，即应有良好的人机关系。人机工程学方面的要求，即应有良好的人机关系。人机工程学是研究人机关系的一门学科，它把人和机作为人机工程学是研究人机关系的一门学科，它把人和机作为一个系统

17、，研究人机系统应具有什么样的条件，才能使人一个系统，研究人机系统应具有什么样的条件，才能使人机实现高度的协调性，人只需付出适宜的代价而使系统取机实现高度的协调性，人只需付出适宜的代价而使系统取得最大的功效和安全。得最大的功效和安全。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到生理学、人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到生理学、解剖学、心理学、劳动卫生学等理论和方法，是一门综合解剖学、心理学、劳动卫生学等理论和方法，是一门综合性的边缘学科。性的边缘学科。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计16人机工程学评价大致包括以下几方面的内容：人机工程学评价大致包括以下几方面的内容

18、：1）人的因素方面）人的因素方面产品设计时应充分考虑与人体有关的问题，如人体静态与产品设计时应充分考虑与人体有关的问题，如人体静态与动态的形体尺寸参数、人对信息的感知特性，人的反应及动态的形体尺寸参数、人对信息的感知特性，人的反应及能力特性，人在劳动中的心里特征等。使设计的产品符合能力特性，人在劳动中的心里特征等。使设计的产品符合人们的生理和心理特点，具有一个安全、舒适、可靠和高人们的生理和心理特点，具有一个安全、舒适、可靠和高效的工作条件。效的工作条件。人的因素主要反映在人体静态尺寸、动态尺寸、操纵力以人的因素主要反映在人体静态尺寸、动态尺寸、操纵力以及视觉和听觉特性等方面及视觉和听觉特性等

19、方面。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计172）机器因素方面）机器因素方面机器因素主要包括信号显示装置设计、操纵装置设计、安机器因素主要包括信号显示装置设计、操纵装置设计、安全保障技术以及人体舒适性和使用方便性等几方面。全保障技术以及人体舒适性和使用方便性等几方面。3）环境因素方面）环境因素方面环境因素主要包括作业空间、物理环境和化学环境等。环境因素主要包括作业空间、物理环境和化学环境等。4）人机系统方面）人机系统方面机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。另外机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。另外应降低噪声，减少噪音污染。应降低噪声，减少噪音污染。第

20、一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计18第二节第二节 金属切削机床的设计步骤金属切削机床的设计步骤一、总体设计一、总体设计1. 掌握机床的设计依据掌握机床的设计依据根据设计要求，进行调查研究，检索有关资料，通过市场根据设计要求，进行调查研究，检索有关资料，通过市场调研，掌握机床设计的依据。调研，掌握机床设计的依据。2. 工艺分析工艺分析将获得的资料进行工艺分析，拟定出几个加工方案，进行将获得的资料进行工艺分析，拟定出几个加工方案，进行经济效果预测对比，选出最优方案，绘制加工示意图。经济效果预测对比，选出最优方案，绘制加工示意图。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机

21、床的总体设计193. 总体布局总体布局按照确定的工艺方案，进行机床总体布局。进而确定机床按照确定的工艺方案，进行机床总体布局。进而确定机床刀具和工件的相对运动，确定各部件的相对位置。刀具和工件的相对运动，确定各部件的相对位置。步骤：分配机床运动，选择传动形式和机床的支承型式，步骤：分配机床运动，选择传动形式和机床的支承型式，安排操作位置，拟定提高动刚度的措施，造型设计与色彩安排操作位置，拟定提高动刚度的措施，造型设计与色彩选择等。选择等。另外，应绘制传动原理图、主要部件的结构草图、液压系另外，应绘制传动原理图、主要部件的结构草图、液压系统原理图、电气原理图、操纵控制系统原理图。绘出机床统原理图

22、、电气原理图、操纵控制系统原理图。绘出机床联系尺寸图联系尺寸图机床原始总图。机床原始总图。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计20总体设计阶段应采用可靠性设计原理，进行预防故障设计。总体设计阶段应采用可靠性设计原理，进行预防故障设计。即按下述六原则进行设计：即按下述六原则进行设计：采用成熟的经验或经分析试验验证了的方案；采用成熟的经验或经分析试验验证了的方案；结构简单，零部件数量少；结构简单，零部件数量少；多用标准化、通用化零部件；多用标准化、通用化零部件；重视维修性，便于检修、调整和拆换；重视维修性，便于检修、调整和拆换；重视关键零件的可靠性和材料选择；重视关键零件的可

23、靠性和材料选择；充分运用故障分析成果，及时反馈，尽早改进。充分运用故障分析成果，及时反馈，尽早改进。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计214. 确定主要的技术参数确定主要的技术参数机床的主要技术参数包括机床的主要技术参数包括主参数和基本参数主参数和基本参数，后者可包括，后者可包括机床的机床的尺寸参数、运动参数及动力参数尺寸参数、运动参数及动力参数。机床的机床的主参数代表机床规格大小及反映机床最大工作能力主参数代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数的一种参数。机床的。机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数，数，它与机床的加工性能

24、影响较大；它与机床的加工性能影响较大；运动参数是指机床执运动参数是指机床执行件的有关运动参数行件的有关运动参数；动力参数包括机床驱动的各种电动动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达、伺服电动机或步机的功率、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进电动机的额定转矩等。等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计22二、技术设计二、技术设计根据已确定的主要技术参数设计机床的传动系统，绘出机根据已确定的主要技术参数设计机床的传动系统，绘出机床的传动系统图。床的传动系统图。设计部件装配图时可采用计算机辅助设计、可靠性设计以设计部件装配图时

25、可采用计算机辅助设计、可靠性设计以及优化设计，对主要零件进行分析计算或优化。及优化设计，对主要零件进行分析计算或优化。绘制液压部件装配图，绘制电气控制系统图和相应的电气绘制液压部件装配图，绘制电气控制系统图和相应的电气系统安装接线图。系统安装接线图。修改和完善部件装配图和总联系尺寸图；绘制机床总装配修改和完善部件装配图和总联系尺寸图；绘制机床总装配图。图。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计23三、零件设计三、零件设计设计机床的全部自制零件图，编制标准件、通用件和自制设计机床的全部自制零件图，编制标准件、通用件和自制件明细表。撰写设计说明书和使用说明书，制定机床的检件明细

26、表。撰写设计说明书和使用说明书，制定机床的检验方法和标准等技术文档等。验方法和标准等技术文档等。四、样机试制和鉴定四、样机试制和鉴定在机床设计完成后，可进行实物样机的试制。在机床设计完成后，可进行实物样机的试制。样机的试制后应进行空运转试验和工业性试验。样机的试制后应进行空运转试验和工业性试验。进行样机鉴定，改进完善设计，进行批量生产。进行样机鉴定，改进完善设计，进行批量生产。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计24工艺分析只确定零件的加工方法，以及机床要获得零件加工艺分析只确定零件的加工方法，以及机床要获得零件加工表面要求应具有的运动。如何实现这些运动，由哪个部工表面要

27、求应具有的运动。如何实现这些运动，由哪个部件执行运动以及怎样产生所需的运动，工件加工时的安装件执行运动以及怎样产生所需的运动，工件加工时的安装方位，机床运动的控制以及操作的位置等，将是机床总体方位，机床运动的控制以及操作的位置等，将是机床总体布局阶段所要解决的问题。布局阶段所要解决的问题。合理确定机床的总体布局，是机床设计的重要工作，它对合理确定机床的总体布局，是机床设计的重要工作，它对机床的设计、制造与使用都有很大的影响。机床的设计、制造与使用都有很大的影响。第三节第三节 机床的总体布局机床的总体布局第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计25一、分配机床的运动一、分配机床

28、的运动1. 将运动分配给质量将运动分配给质量小的运动部件小的运动部件运动部件质量小，惯运动部件质量小，惯性小，需要的驱动力性小，需要的驱动力就小，传动机构体积就小，传动机构体积小，一般其制造成本小，一般其制造成本较低。较低。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计26第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计27第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计28第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计292. 运动分配应有利于提高工件的加工精度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。运动部件不同，加工精度不同

29、。3. 运动分配应有利于缩小机床的占地面积运动分配应有利于缩小机床的占地面积运动应分配给刚度高的部件。运动应分配给刚度高的部件。4. 运动的分配应视工件的形状而定运动的分配应视工件的形状而定不同形状的工件，需要的运动部件也不一样。不同形状的工件，需要的运动部件也不一样。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计30二、选择传动形式和支承型式二、选择传动形式和支承型式机床传动和支承相互配置的目的是为工件和刀具产生相对机床传动和支承相互配置的目的是为工件和刀具产生相对运动而实现加工过程。机床支承结构的目标和功能在于：运动而实现加工过程。机床支承结构的目标和功能在于：支承完成加工过程

30、的运动部件支承完成加工过程的运动部件承受加工过程的切削力或成形力承受加工过程的切削力或成形力承受部件运动所产生的惯性力承受部件运动所产生的惯性力承担加工过程和运动副摩擦所产生热量的影响。承担加工过程和运动副摩擦所产生热量的影响。机床结构设计的挑战就是如何保证机床结构在各种力载荷机床结构设计的挑战就是如何保证机床结构在各种力载荷和热的作用下变形最小，同时又使材料和能源的消耗最小。和热的作用下变形最小，同时又使材料和能源的消耗最小。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计31机床型式是指主运动执行件（多为主轴）的布置方式机床型式是指主运动执行件（多为主轴）的布置方式；支承型式则是

31、指支承件的结构形状特征支承型式则是指支承件的结构形状特征。当支承件的高度。当支承件的高度方向尺寸小于长度方向尺寸时称为卧式支承，当支承件的方向尺寸小于长度方向尺寸时称为卧式支承，当支承件的高度方向尺寸大于长度方向尺寸时称为立式支承。高度方向尺寸大于长度方向尺寸时称为立式支承。机床型式与支承形式并没有绝对的对应关系，卧式机床可机床型式与支承形式并没有绝对的对应关系，卧式机床可以采用卧式支承（鲜有立式支承）；立式机床可采用卧式以采用卧式支承（鲜有立式支承）；立式机床可采用卧式支，也可用立式支承。支，也可用立式支承。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计32卧式支承的机床，重心低

32、，刚度大，是中小型机床的首选卧式支承的机床，重心低，刚度大，是中小型机床的首选支承型式。支承型式。通常工人在机通常工人在机床的前面进行床的前面进行操作，适于加操作，适于加工细而长的工工细而长的工件或需要加工件或需要加工行程较长的工行程较长的工件。件。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计33立式支承的机床具有占地面立式支承的机床具有占地面积小，工人所处的操作位置积小，工人所处的操作位置比较灵活的特点；某些大型比较灵活的特点；某些大型立式机床可将基础部分装入立式机床可将基础部分装入地坑中，使工作台面略高于地坑中，使工作台面略高于地表面，使工人便于操作。地表面，使工人便于操作。

33、立式支承的机床适于加径向立式支承的机床适于加径向尺寸大而轴向尺寸短的工件。尺寸大而轴向尺寸短的工件。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计34龙门框架式支承龙门框架式支承又称为双立柱支又称为双立柱支承，该支承型式承，该支承型式的机床刚度大，的机床刚度大，但结构复杂。但结构复杂。这类支承型式的这类支承型式的机床适于大型工机床适于大型工件加工或多件同件加工或多件同时加工。时加工。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计35机床的传动形式可以分为机械传动、机电结合传动和零传机床的传动形式可以分为机械传动、机电结合传动和零传动三种形式。动三种形式。机械传动形式：变

34、速部分和传动部分均采用机械方式，主机械传动形式：变速部分和传动部分均采用机械方式，主要用于普通机床的主运动和进给运动。要用于普通机床的主运动和进给运动。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计36机电结合传动形式：变速部分采用进给电动机变速（或结机电结合传动形式：变速部分采用进给电动机变速（或结合少量的机械变速），传动部分采用机械方式。进给电动合少量的机械变速），传动部分采用机械方式。进给电动机采用交流伺服电动机、直流伺服电动机或步进电机，通机采用交流伺服电动机、直流伺服电动机或步进电机，通过定比传动过定比传动(齿形带、齿轮齿形带、齿轮)给执行件，用于传统数控机床。给执行件，

35、用于传统数控机床。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计37零传动形式：变速部分采用直线电机、直接驱动电动机零传动形式：变速部分采用直线电机、直接驱动电动机（盘式电机、力矩电动机）变速。直线电动机是将进给电（盘式电机、力矩电动机）变速。直线电动机是将进给电动机和滑台集成一体，盘式电机直接带动回转工作台。动机和滑台集成一体，盘式电机直接带动回转工作台。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计38三、安排操作部位三、安排操作部位机床各部位的相对位置的安排，应保证：机床各部位的相对位置的安排，应保证：便于工件装卸、刀具安装调试、加工情况的观察和测量。便于工件装卸

36、、刀具安装调试、加工情况的观察和测量。 操作者与操纵手柄等操作者与操纵手柄等控制元件的位置适当控制元件的位置适当，有足够的操，有足够的操作空间，做到操作准确、省力、方便。作空间，做到操作准确、省力、方便。操纵件应按相关国家标准选用操纵件应按相关国家标准选用，操纵件之间有合理的距，操纵件之间有合理的距离。离。功能不同的按钮应有不同的颜色功能不同的按钮应有不同的颜色，且这些颜色应和人的，且这些颜色应和人的视觉习惯一致，符合人的心理生理特征，防止误操作。视觉习惯一致，符合人的心理生理特征，防止误操作。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计39四、机床结构优化四、机床结构优化1、结

37、构件与刚度、结构件与刚度机床结构件是指承载工件和刀具的基础件，分为两类：固机床结构件是指承载工件和刀具的基础件，分为两类：固定不动的床身、立柱、横梁和移动的滑座、工作台等。结定不动的床身、立柱、横梁和移动的滑座、工作台等。结构件的优化目标是保证机床的静态和动态性能的前提下是构件的优化目标是保证机床的静态和动态性能的前提下是移动部件轻量化。移动部件轻量化。传统观念是机床刚度越大越好，现代设计观念是越轻越好。传统观念是机床刚度越大越好，现代设计观念是越轻越好。移动部件质量轻：动态性能好，驱动功率小，省材。移动部件质量轻：动态性能好，驱动功率小，省材。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床

38、的总体设计402、有限元分析、有限元分析利用有限元分析对机床的静态、动态和热性能进行分析和利用有限元分析对机床的静态、动态和热性能进行分析和优化，实现机床结构质量最小和加工精度最高。优化，实现机床结构质量最小和加工精度最高。静态分析是忽略时间和阻尼，计算载荷响应，包括应力、静态分析是忽略时间和阻尼，计算载荷响应，包括应力、应变、位移和力等。应变、位移和力等。动态分析是考量机床在动态力作用下的变化，即机床或部动态分析是考量机床在动态力作用下的变化，即机床或部件振动特性：固有频率和模态形状。特别是结构与动态载件振动特性：固有频率和模态形状。特别是结构与动态载荷（切削力、惯性力和阻尼）的相互作用。荷

39、（切削力、惯性力和阻尼）的相互作用。热有限元分析是分析机床热源对机械结构影响，保证精度。热有限元分析是分析机床热源对机械结构影响，保证精度。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计413、拓扑优化、拓扑优化其目标是寻找承受单一载荷或多载荷结构件的最佳材料分其目标是寻找承受单一载荷或多载荷结构件的最佳材料分配方案。用最少的材料满足刚度和动态性能要求。最佳分配方案。用最少的材料满足刚度和动态性能要求。最佳分配方案：配方案：（1）结构刚度不变，体积最小化，减轻构件质量；）结构刚度不变，体积最小化，减轻构件质量；（2）体积不变，刚度最大化，减小变形；）体积不变，刚度最大化，减小变形；

40、（3）体积不变，一阶固有频率最大化，提高动态性能；）体积不变，一阶固有频率最大化，提高动态性能；拓扑优化后的构件一般形状古怪、不美观、无法加工，所拓扑优化后的构件一般形状古怪、不美观、无法加工，所以需要进一步优化。以需要进一步优化。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计42四、提高动刚度的措施四、提高动刚度的措施按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷。故机床刚按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷。故机床刚度相应地分为静刚度及动刚度。度相应地分为静刚度及动刚度。机床的静刚度是指机床在静载荷作用下抵抗变形的能力，机床的静刚度是指机床在静载荷作用下抵抗变形的能力，而动刚度则

41、是抗振性的一部分。机床抗振能力指机床在交而动刚度则是抗振性的一部分。机床抗振能力指机床在交变载荷作用下抵抗变形的能力。它包括两个方面：抵抗受变载荷作用下抵抗变形的能力。它包括两个方面：抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。前者有时习惯上称迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。前者有时习惯上称之为抗振性，后者常称为切削稳定性。之为抗振性，后者常称为切削稳定性。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计43动刚度是衡量机床结构抗振能力的主要指标，在数值上等动刚度是衡量机床结构抗振能力的主要指标，在数值上等于机床结构产生单位振幅所需的激振力于机床结构产生单位振幅所需的激振力 。动刚度越

42、大，则机床结构在一定激振力作用下，产生的振动刚度越大，则机床结构在一定激振力作用下，产生的振幅越小，其抗振能力越好；反之，抗振能力越差幅越小，其抗振能力越好；反之，抗振能力越差 。在提高结构的动刚度的同时，还应获得经济合理的结构，在提高结构的动刚度的同时，还应获得经济合理的结构，为此需要找出结构刚度过高而造成浪费的部分和刚度不足为此需要找出结构刚度过高而造成浪费的部分和刚度不足而限制机床工作能力的部分，使其得到合理的分配而限制机床工作能力的部分，使其得到合理的分配 ,影响机床动刚度的部件，影响机床动刚度的部件， 主要是主轴系统，主要是主轴系统， 其次是机床其次是机床的大件及其组合情况。的大件及

43、其组合情况。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计44动刚度动刚度kd在数值上等于机床结构产生单位振幅所需的激振力在数值上等于机床结构产生单位振幅所需的激振力 。2222214-dnnnpkkdapakd激振力幅值强迫振动的振幅静刚度=频率比激振频率，固有频率阻尼比频率比动刚度取决于：动刚度取决于：系统的系统的静刚度静刚度激振力激振力的条件（力的的条件（力的大小、频率）大小、频率）系统本身的系统本身的固有条件固有条件（质量，阻尼及固有（质量，阻尼及固有频率）频率）第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计45=1=1时，系统共振，动态刚度最小，时，系统共振，

44、动态刚度最小，k kd d=2dk=2dk，一般用此时，一般用此时值对比各种机床和大件的动刚度值对比各种机床和大件的动刚度 1 1，动刚度接近于静刚度，动刚度接近于静刚度， k kd d=k=k 1 1，动刚度随着，动刚度随着的加大而增大，的加大而增大， k kd d=k=k（1- 1- 2 2 ）相同频率比时，动刚度与静刚度呈正比关系，与阻尼比成相同频率比时，动刚度与静刚度呈正比关系，与阻尼比成正比关系。正比关系。222214dpkkda第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计461.提高机床结构件静刚度和固有频率（1 1）合理设计结构的断面形状和尺寸）合理设计结构的断面形

45、状和尺寸（2 2）合理的布置结构上的肋板和筋条）合理的布置结构上的肋板和筋条（3 3）改善构件间或构件与基础连接处的刚度）改善构件间或构件与基础连接处的刚度（4 4）合理选择构件的壁厚）合理选择构件的壁厚（5 5）合理选择结构上开孔的大小及位置）合理选择结构上开孔的大小及位置2.隔离、减少、降低振源受迫振动：内部震源或外部振源受迫振动：内部震源或外部振源自激振动：切削过程中产生的振动自激振动：切削过程中产生的振动第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计47对来自机床外部的振源，最可靠最有效的方法就是隔离振对来自机床外部的振源，最可靠最有效的方法就是隔离振源。对无法隔离的振源或

46、传动链内部形成的振源，则应：源。对无法隔离的振源或传动链内部形成的振源，则应：选择合理的传动形式，尽量缩短传动链。选择合理的传动形式，尽量缩短传动链。提高传动链，尤其是主轴组件的刚度，提高固有角频率。提高传动链，尤其是主轴组件的刚度，提高固有角频率。大传动件应作动平衡或设置阻尼机构。大传动件应作动平衡或设置阻尼机构。箱体外表面涂刷高阻尼涂层，增加阻尼比。箱体外表面涂刷高阻尼涂层，增加阻尼比。提高各部件结合面的表面精度，增强其局部刚度。提高各部件结合面的表面精度，增强其局部刚度。机床的自激振动机床的自激振动是发生在刀具和工件之间的一种相对振动，是发生在刀具和工件之间的一种相对振动，通过调节切削用

47、量来调整。通过调节切削用量来调整。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计483.改善机床的阻尼特性（1 1）充分利用结合面间的阻尼）充分利用结合面间的阻尼（2 2）在机床大件内腔充填阻尼材料）在机床大件内腔充填阻尼材料（3 3）在大件表面采用阻尼涂层）在大件表面采用阻尼涂层2. 减小热变形减小热变形机床在工作时受到内部热源和外部热源的影响，使机床各机床在工作时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。因不同材料的热膨胀系数不同，机床部分温度发生变化。因不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。它不仅会破坏各部分的变形不同，导致机床产生

48、热变形。它不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响正机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转。常运转。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计49减少热变形最简单最有效的方法是隔离热源。加强空气流减少热变形最简单最有效的方法是隔离热源。加强空气流通，改善环境温度，也是减少热变形的有效措施。通，改善环境温度，也是减少热变形的有效措施。不能分离的热源，应采取以下措施：不能分离的热源，应采取以下措施：对产生热量较大的热源，进行强制冷却。对产生热量较大的热源，进行强制冷却。热源相对结构对称，或将热源的部份热量移至构件温升热源相对结构对称，或将热源的部

49、份热量移至构件温升较低处以减少构件的温差。较低处以减少构件的温差。使机床部件的热变形转向不影响加工精度处。使机床部件的热变形转向不影响加工精度处。改善排屑状态。改善排屑状态。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计503. 降低噪声降低噪声物体振动是声音产生的源泉。机床工作时各种振动频率不物体振动是声音产生的源泉。机床工作时各种振动频率不同，振幅也不同，它们将产生不同频率和不同强度的声音。同，振幅也不同，它们将产生不同频率和不同强度的声音。这些声音无规律地组合在一起即成噪声。这些声音无规律地组合在一起即成噪声。机床噪声源主要来自四个方面：机床噪声源主要来自四个方面：机械噪声机

50、械噪声 如齿轮、轴承及其它元件的振动、摩擦等。如齿轮、轴承及其它元件的振动、摩擦等。液压噪声液压噪声 如泵、管道的液压冲击、气穴和紊流等噪声。如泵、管道的液压冲击、气穴和紊流等噪声。空气噪声空气噪声 如风扇、转子旋转对空气的搅动等产生噪声。如风扇、转子旋转对空气的搅动等产生噪声。电磁噪声电磁噪声 如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声。如电动机定子内磁滞伸缩等产生噪声。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计51减少齿轮噪声的措施：减少齿轮噪声的措施：缩短传动链，减少传动件的个数。缩短传动链，减少传动件的个数。采用小模数、硬齿面齿轮，降低传动件的线速度。采用小模数、硬齿面齿轮，降低

51、传动件的线速度。提高齿轮的加工精度。提高齿轮的加工精度。采用增加齿轮齿数、减小压力角或采用斜齿圆柱齿轮，采用增加齿轮齿数、减小压力角或采用斜齿圆柱齿轮，增加齿轮啮合的重合度，机床上使用齿轮的重合度应不小增加齿轮啮合的重合度，机床上使用齿轮的重合度应不小于于1.3。提高传动件的阻尼比。提高传动件的阻尼比。增加支承组件的刚度。增加支承组件的刚度。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计52五、造型设计五、造型设计机床的造型必须与功能相适应，功能决定造型，造型表现机床的造型必须与功能相适应，功能决定造型，造型表现功能。如机床的功能是切削加工，在造型上必须表现出工功能。如机床的功能是

52、切削加工，在造型上必须表现出工件和刀具夹持机构的形状和位置。同时，机床的造型也必件和刀具夹持机构的形状和位置。同时，机床的造型也必须建立在系列化、通用化和标准化基础上，同一系列产品须建立在系列化、通用化和标准化基础上，同一系列产品应具有风格一致的造型。应具有风格一致的造型。机床造型总的原则是经济实用，美观大方。良好的外观造机床造型总的原则是经济实用，美观大方。良好的外观造型应从机床造型设计和色彩两方面去评价。型应从机床造型设计和色彩两方面去评价。外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比例协调。外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比例协调。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计

53、53机床的主要参数包括机床的主参数和基本参数，后者可包机床的主要参数包括机床的主参数和基本参数，后者可包括尺寸参数、运动参数及动力参数。括尺寸参数、运动参数及动力参数。一、主参数和尺寸参数一、主参数和尺寸参数机床主参数代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的机床主参数代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数，是机床设计的出发点，并作为决定其他基本参一种参数，是机床设计的出发点，并作为决定其他基本参数值和用户选用机床的主要依据。数值和用户选用机床的主要依据。第四节第四节 主要技术参数的确定主要技术参数的确定第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计54机床的主参数机床的主

54、参数已规定在已规定在“gb/t 153752008金属切削机床金属切削机床型号编制方法型号编制方法”中，每种机床的主参数按等比级数排列。中，每种机床的主参数按等比级数排列。主参数通常都以机床最大加工尺寸表示。只有在不适于用主参数通常都以机床最大加工尺寸表示。只有在不适于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。为了更完整地表示出机床的工作能力和工作范围，有些机为了更完整地表示出机床的工作能力和工作范围，有些机床还规定有第二主参数。床还规定有第二主参数。专用机床的主参数，一般以加工零件或被加工面的尺寸参专用机床的主参数，一般以加工零件或被加工面的尺

55、寸参数来代表。数来代表。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计55第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计56机床的尺寸参数机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数。通常包括：是指机床的主要结构尺寸参数。通常包括：1）与工件主要尺寸有关的参数）与工件主要尺寸有关的参数最大加工尺寸：如最大加工直径，最大加工模数、螺旋角；最大加工尺寸：如最大加工直径，最大加工模数、螺旋角；主轴通孔直径；最大加工长度等。主轴通孔直径；最大加工长度等。最大工件安装尺寸：如工作台尺寸、主轴端面至工作台面最大工件安装尺寸：如工作台尺寸、主轴端面至工作台面最大距离、主轴中心线至工作台面

56、最大距离或立柱间距等。最大距离、主轴中心线至工作台面最大距离或立柱间距等。最小加工尺寸：如主轴中心线至工作台面距离、最小加工最小加工尺寸：如主轴中心线至工作台面距离、最小加工直径等。直径等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计57部件运动尺寸范围：如刀架、工作台、主轴箱、横梁的最部件运动尺寸范围：如刀架、工作台、主轴箱、横梁的最大行程，刀架、工作台、砂轮架或摇臂的最大回转角度等。大行程，刀架、工作台、砂轮架或摇臂的最大回转角度等。 2）与工、夹、量具标准化有关的参数）与工、夹、量具标准化有关的参数主轴或尾架套筒的锥孔大小；工件头架或尾架的顶尖安装主轴或尾架套筒的锥孔大小；

57、工件头架或尾架的顶尖安装锥度；安装刀具的直径、刀杆断面尺寸等；工作台锥度；安装刀具的直径、刀杆断面尺寸等；工作台t型槽型槽的尺寸及数目等。的尺寸及数目等。3）与机床结构有关的参数）与机床结构有关的参数床身或摇臂的导轨宽度；花盘或圆工作台直径；镗轴直径；床身或摇臂的导轨宽度；花盘或圆工作台直径；镗轴直径；主轴中心线或工作台面至地面的高度等。主轴中心线或工作台面至地面的高度等。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计58二、运动参数二、运动参数运动参数是指机床执行件的有关运动参数，通常包括主运运动参数是指机床执行件的有关运动参数，通常包括主运动参数、进给运动参数和辅助运动参数。动

58、参数、进给运动参数和辅助运动参数。 主运动为旋转运动的机床，其主运动参数为主轴转速。主运动为旋转运动的机床，其主运动参数为主轴转速。式中式中 n 主轴转速（主轴转速（r/min）；）； v 切削速度（切削速度（m/min）；）； d 工件或刀具直径（工件或刀具直径（mm）。）。 min/r1000dn （1-1）第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计59对于专用机床和组合机床用于完成特定的工序，主轴转速对于专用机床和组合机床用于完成特定的工序，主轴转速根据最佳切削速度而定，通常是固定不变的。根据最佳切削速度而定，通常是固定不变的。对于通用机床由于完成工序较多，又要适应一定范

59、围的不对于通用机床由于完成工序较多，又要适应一定范围的不同尺寸和不同材质零件的加工需要，要求主轴应具有不同同尺寸和不同材质零件的加工需要，要求主轴应具有不同的转速（即应实现变速），故需确定主轴的变速范围，即的转速（即应实现变速），故需确定主轴的变速范围，即确定主轴的最高转速和最低转速。确定主轴的最高转速和最低转速。主运动可采用无级变速，也可采用有级变速。若采用有级主运动可采用无级变速，也可采用有级变速。若采用有级变速，还应确定转速级数。变速，还应确定转速级数。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计60主运动为直线运动的机床，如插床、刨床、插齿机，其主主运动为直线运动的机床，

60、如插床、刨床、插齿机，其主运动参数是插刀或刨刀每分钟往复次数（次运动参数是插刀或刨刀每分钟往复次数（次/min），或称），或称为双行程数；也可以是装夹工件的工作台的移动速度。为双行程数；也可以是装夹工件的工作台的移动速度。011000lnr式中式中 nr双行程数双行程数（次（次/min）；）； v切削速度切削速度（m/min）；）； v0回程速度回程速度（m/min）；）； l行程长度行程长度（mm）。）。第一章第一章 金属切削机床的总体设计金属切削机床的总体设计611. 最低转速最低转速 和最高转速和最高转速 的确定的确定分析在所设计的机床上可能进行的工序，从中选择要求最分析在所设计的机床上