第一章 机床总体设计 1

机械制造装备设计第一章金属切削机床总体设计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机床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

①具有良好的技术性能，满足使用要求；②造型美观，色彩协调，有良好的人机关系；③经济适用，质量好，成本低。

一、机床的主要技术性能工艺范围柔性加工精度可靠性生产率自动化

主要包括

多品种小批生产——要求机床运动和刀具数目多，加工精度及加工效率高，则工艺范围广。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。

大批量生产——要求加工效率高，则工艺范围窄，机床结构简单。如：组合机床。

单件小批生产——要求机床功能扩大，则工艺范围广，机床结构复杂。如：通用车床，通用钻床等。1.工艺范围生产模式与机床工艺范围的关系

第一节机床的基本要求

大批量生产采用的组合机床立、卧三面组合钻床

第一节机床的基本要求

单件小批生产采用的普通机床车床钻床磨床镗床

多品种小批生产采用的自动加工装备

第一节机床的基本要求加工中心柔性制造系统

结构柔性

对机床的某些部件做少量修改或重组，就可迅速构成满足变型产品加工要求的性能。第一节机床的基本要求

2.柔性

柔性是机床适应加工对象变化的能力，包括功能柔性和结构柔性。

功能柔性

对机床的加工控制软件进行调整或修改，就可改变机床的功能，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：被加工零件的形状位置精度、尺寸准确度、表面粗糙度。3.加工精度

（1）几何精度

是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、相对位置精度、相对运动轨迹精度，是评价机床的基本指标。

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

（2）传动精度

是指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。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

是指机床的零部件运动终了所达到的位置的准确性和机床的调整精度。

5）精度保持性

是指机床的加工精度保持的时间（使用寿命）。

不同类型、不同精度的机床，其精度保持性的要求不同。

3）运动精度

是指机床在额定负载下运动时运动部件的几何位置精度。

运动精度是评价机床的重要指标，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。

大批生产

采用组合机床、数控机床组成自动生产线。单件小批生产

采用数控机床、加工中心构成的柔性制造系统，或柔性制造系统构成的自动化工厂。第一节机床的基本要求

生产率

机床在单位时间内能加工的工件数量，包括切削和辅助两方面。

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

机床在无人工干预的情况下，按规定要求通过机械、电子或计算机的控制，自动完成加工的性能。机床的自动化程度越高，加工精度的稳定性就越好。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。

可靠性是评价机床的技术经济指标，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）

固有可靠性——通过设计、制造赋予机床的可靠性能。

2）

使用可靠性——受使用、维护方式和使用条件的影响。

可靠性

机床在使用寿命期内完成规定加工功能的能力。

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

机型美观大方，色彩协调，噪声低。第一节机床的基本要求

人机关系机床的整体及操纵应符合人的生理和心理特征，能提供舒适、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

机床在满足加工功能、可靠性和人机关系的前提下，还应有良好的经济性，低成本。

三、经济实用

机床成本贯穿在机床的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用、维护和报废处理等费用，是衡量市场竞争力的重要指标。

设计机床时，应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：总体设计，技术设计，零件设计，样机试制，试验鉴定。

加工中心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。

2.工艺分析——

对资料进行工艺分析，初步拟出几个方案，进行效果预测对比，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、运动参数和动力参数。

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。

◆编写机床名细表和机床设计说明书，制订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

根据拟定技术参数，优化设计机床的运动系统，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

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。3.批量生产

进行样机鉴定。根据工业性试验报告、鉴定意见进行改进，完善设计，投入批量生产。2.试验鉴定

首先进行空车试运转，再在额定载荷下进行工作试验。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

①

如何实现所需运动；

②何种部件产生运动；

③工件如何安装加工；④各种运动如何控制；

⑤如何设置合理的操作。

一、机床的总体布局

根据已确定的零件加工方法，以及机床应具有的运动，拟定如下技术方案：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：大、小型外圆磨床工作台和砂轮架的运动。4.运动分配应考虑工件形状

工件的形状不同，所需的运动部件也不一样。如：圆柱件内孔常在车床上加工，工件旋转；箱体件内孔常在镗床上镗孔，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，所需驱动力小，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

③电气传动

能简化传动结构，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，伺服电机传动的进给运动。第三节机床的总体布局

①机械传动

依靠滑移齿轮和挂轮变速，传递功率大，变速范围广，传动比准确。但存在相对转速损失，工作中不能变速。广泛用于通用和专用的中小型机床的主运动和进给运动。

二、传动形式和支承形式的选择

②液压传动

能实现无级变速的直线传动，传动平稳，运动换向冲击小。适用于刨床、拉床的主运动，铣床、磨床及组合机床的进给运动。1.传动形式第三节机床的总体布局

（2）支承形式

是指机床支承件的形状，分有卧式支承、立式支承、悬臂支承和龙门支承。

卧式机床可用卧式支承，也可用立式支承。

（1）机床形式

是指主运动执行件的设置状态。2.支承形式

卧式支承

重心低，支承刚度大，执行件在两个方向运动。广泛用于中小型机床。第三节机床的总体布局

立式机床的立式支承

立式支承

占地面积小，刚度比卧式差，执行件可在纵、横、垂直三个方向运动，常应用于中、大型机床。

龙门支承（框架式）

刚性好，能承受冲击力。但支承件多，结构复杂。适用于大型工件加工，以及多工件同时加工。第三节机床的总体布局

单臂支承、龙门支承

如：摇臂钻床，龙门铣床。

单臂支承立柱上增加了可上下移动的横向悬梁，结构简单，但刚性差。加工时动力头离立柱越远，横臂根部的弯矩越大。第三节机床的总体布局

1.工件的安装位置适当

（1）为便于装卸工件、观察加工、检测工件，工人在操作时距工件的正常视觉应为50~760mm。（2）卧式机床主轴高度900~1200mm，立式大型机床工作台高度700mm左右，立式中小型机床工件安装高度950~1050mm。

2.操作手柄的位置适当

保证操作准确、省力、方便。

（1）单工位中小型机床，手柄应集中设置在操作者正常活动范围内1200mm。

（2）多工位机床，应采用连动控制机构。

（3）大型和重型机床，应设置阶梯操作平台和悬挂按钮。

三、合理安排操纵部件第三节机床的总体布局

3.操纵件的操纵方向

1）操纵件之间应有合理的距离以便旋转。

2）手柄操作方向应与运动件的运动方向相应：

♦

运动件作直线运动——

顺时针转动手轮，运动件应作向右、向上等运动；

♦运动件作旋转运动——

手轮的旋向应与运动件一致；

♦运动件作向心径向运动——手轮应顺时针转动。第三节机床的总体布局4.信号源位置及颜色的设置

1）信号设置应符合人的视线习惯——从左到右，从上到下。

2）信号颜色应易于人眼识别——红色按钮代表危险、禁止；黄色按钮代表提醒、警告；绿色按钮代表安全、工作正常。

第三节机床的总体布局

抗振性机床的工作部件在交变载荷下，抵抗受迫振动和自激振动变形的能力。

四、提高机床的动刚度1.提高抗振性能

影响机床动刚度的因素

受迫振动和自激振动、温升和热变形、振动摩擦和噪声

（2）自激振动受机床阻尼比、刀具和切削用量影响而形成的振动。

预防措施：增大机床主轴组件的阻尼比，调整切削用量，及时修磨刀具。

预防措施：

隔离外振源

主电动机与主轴箱分离，用带轮驱动主运动。

减少传动链内振源①采用变频无级调速或双速电动机，缩短传动链。②提高传动件的刚度。③设置动平衡或阻尼机构。④提高各部件结合面精度，增强局部刚度。第三节机床的总体布局

（1）受迫振动

指机床部件受到来自机床以外，或传动系内部的振动影响而形成的共振。第三节机床的总体布局2.减少热变形

外热源

电动机、液压泵、各种控制阀、环境温度。

内热源

摩擦热、切削热。

自身因素

热源分布不均，金属材料不同的热膨胀系数。

（1）热源

床身倾斜于主轴后上方，使切屑在自重作用下落入排屑带上。第三节机床的总体布局

隔离热源

将电动机、液压泵和阀、油箱与主机隔离。

控制环境温度

将精密机床、数控机床安排在恒温下工作。

强制冷却热源

采用切削液冷却加工部位、压力润滑油循环冷却主轴轴承；床身设计利于排屑。

（2）措施第三节机床的总体布局3.降低噪声

齿轮振动影响传动系统的平稳性，是机床工作的主要噪声源。

产生齿轮振动因素：齿轮的基节偏差和齿形误差，均由滚刀的制造误差、安装误差以及齿轮的制造误差造成。

（1）噪声源

缩短传动链，采用小模数、硬面齿轮，降低传动件的线速度和提高阻尼比，增加齿轮啮合的重合度和支承组件的刚度。

（2）措施

机械噪声、液压噪声、空气噪声、电磁噪声第四节主要技术参数的确定

主要技术参数：主参数、尺寸参数、运动参数和动力参数。

一、主参数和尺寸参数

主参数

是代表机床规格大小，并反映机床最大工作能力的一种参数。1.主参数

专用机床的主参数：以加工零件或加工面的尺寸参数来表示。

工件回转的机床主参数：工件的最大加工尺寸，如车床、钻床。

工件移动的机床主参数：工作台面的最大宽度。如铣床。主运动为直线运动的机床主参数：最大位移，如刨床。

尺寸参数

是指机床的主要结构尺寸参数，包括：

1）与被加工零件有关的尺寸

如：卧式车床最大加工工件长度。摇臂钻床的立柱外径与主轴之间的最大跨距。

2）标准工具或夹具的安装面尺寸

如：卧式车床主轴锥孔及主轴前端尺寸。

2.尺寸参数第四节主要技术参数的确定

通用机床

要求主轴具有不同的转速和一定的变速范围。如果采用有级变速，则需确定主轴的级数、最低转速和最高转速。第四节主要技术参数的确定

二、运动参数

运动参数

指机床执行件（主轴或工作台、刀架）的运动速度。

专用机床和组合机床用于对某工件进行特定工序的加工。其主轴的转速是固定的，其计算式如下：

主运动为直线运动的机床主运动参数是每分钟往复次数。

主运动为回转运动的机床主运动参数为主轴转速。第四节主要技术参数的确定式中

vmax、vmin

根据刀具和工件材料查手册、切削实验确定；

dmax、dmin

是指实际工况下，采用

vmax或

vmin时，常用的经济加工直径，且

dmax=kD，dmin=（0.2~0.25）

dmax。

首先分析机床可加工的工序，再选择要求最高、最低转速的典型工序。按工序的切削速度v和刀具（或工件）直径d，计算出nmin、nmax

及变速范围

Rn

。1.最低转速和最高转速的确定第四节主要技术参数的确定

如果已知变速范围，并采用有级变速，应进行主轴转速分级，即在变速范围内确定中间各级转速。

主轴转速按等比级数列排列的特点：使主传动系设计简单，使用方便，最大相对转速损失率相等。2.主轴转速的合理排列变速范围为

多数机床主轴转速按等比级数排列，公比为φ

，转速数列为：

将四个等比数列变速组串联，机床主轴可获得24种等比数列转速。设因子数列为a,b,c,d

数列，各数列的项数用Pa，Pb，Pc，Pd

表示；各数列的公比称为级比，级比是公比的整数次幂；幂指数称为级比指数，分别用xa，xb，xc，xd

表示。第四节主要技术参数的确定

某机床的主轴转速是公比为φ

的等比数列，转速级数Z为非质数，且Z=24，则数列可分解为四个等比数列的乘积。

（1）主传动系设计简单Pa=3Pb=2Pc=2Pd=2第四节主要技术参数的确定

由因子数列得：

Z=Pa×Pb×Pc×Pd

，将各级比指数写在各项数的右下角，构成机床主轴转速的结构式：

Pa=3Pb=2Pc=2Pd=2第四节主要技术参数的确定

取对数得

结论

由于d的对数值是v

对数值的一次函数，则函数图象是与切削速度对数坐标轴成450

的斜线。当j=1~Z，可得到Z

条平行间距相等的斜线。

等比数列的转速通式为

切削速度与工件（或刀具）直径关系为

（2）使用方便第四节主要技术参数的确定

考虑刀具寿命，需选择较低的转速

nj，则转速损失为n-nj，相对转速损失率为

当n

趋近于

nj+1时，最大相对转速损失率Amax为：

最大相对转速损失率Amax只与公比φ

有关，即Amax可恒定。

加工某工件的最佳切削速度为

v，相应的转速为

n时，则

（3）最大相对转速损失率相等

标准公比设有1.06，1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2等7个，用于旋转主运动、直线主运动和等比进给运动。无级变速系统也可参考标准公比。第四节主要技术参数的确定

（1）

φ

>1，

机床要满足不同工艺需求，需要一系列等比数列转速，则转速从

n1

到

nmax

是依次递增。

（2）

1<φ

≤2，

因为φ

增大，

Amax也增大，对机床生产率影响大，所以规定Amax≤50%，即3.标准公比

专用机床和自动机床取φ=1.12、1.26。因为要求高生产效率，转速损失率对加工影响大；又不常变速，所以φ小，能使变速箱结构简化。4.公比选用原则第四节主要技术参数的确定

已知φ

越小，Amax越小，Rn也越小，如要达到一定的Rn，需增加变速组数目和传动副个数，使整个转动系结构复杂。

通用机床取φ

=1.26、1.41。因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，故能使变速箱结构不过于复杂

非自动化小型机床取φ=1.58、1.78、2，因为切削时间小于辅助时间，转速损失率Amax

对工作效率影响小，所以为使机床结构简单，φ

取大值。第四节主要技术参数的确定

重型机床取

φ

=1.26、1.12、1.06，因为加工时间长，如果取φ

小值，则转速损失率Amax

也小，所以机床工作效率高。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，涉及机床制造成本和使用寿命。

P切

——为消耗于切削的功率,也称有效功率（kW）；

P空——为空载功率（kW）；

P辅——为随载荷增加的机械摩擦耗损功率（kW）。

三、动力参数1.主电动机功率的确定

机床主运动电动机的功率为

P主=P切+P空+P附第四节主要技术参数的确定

（1）P切

的计算

主运动电动机的功率为

P主=P切+P空+P附

P切