机械制造装备设计之2――金属切削机床-哈工大(威海)黄博

1、机械制造设备设计，黄波，山东省现代数字医疗设备重点实验室，哈尔滨工业大学(威海)机器人研究所，本课程主要讲述机械制造设备和制造动态机械制造设备的设计方法，金属切削机床典型零件设计，工业机器人设计，机床夹具设计，物流系统设计，加工生产线总体设计，1。机械制造设备和制造动态设备，机械制造工艺：机械制造设备：加工设备，工艺设备，仓储和输送设备，辅助设备加工设备(机床，制造机器的机器，工作机器)金属切削机床(切削余量，以达到尺寸，形状，精度和表面质量)车削，铣削，刨，磨削，钻孔和镗孔一般，特殊和专业；精确度；自动化程度；数控分类、设计方法综述、机械制造设备设计方法的功能要求、一般功能(精度、刚度、热稳

2、定性、耐久性等)分析。)、精确、灵活、自动化、绿色设计类型、创新设计、变型设计、模块化设计方法、典型设计步骤、产品规划、方案设计、技术设计、工艺设计系列化设计(推进“三个转变”)，步骤是：(1)确定主要参数和主要性能、参数分析、系列模式谱模块化设计的制定、根据需求分析确定任务、建立功能结构和模块划分、确定系列模式谱和参数、模块间组合、模块计算机管理系统。合理评价工程机械制造方法，如技术经济评价、可靠性评价、人机工程学评价、结构可制造性评价、产品造型评价和标准化评价。2.机械制造设备设计方法功能要求，一般功能要求加工精度(尺寸精度、表面形状精度、位置精度、粗糙度等)。)；影响因素包括几何精度、传

3、动精度、运动精度、定位精度、运动稳定性等。强度、刚度和抗振性要求；加工稳定性要求(切削热、摩擦热和环境热)；降低热值、散热隔热、保温补偿、控制环境温度等。耐久性要求(磨损导致间隙和精度损失)，设计、工艺、材料、热处理和使用应考虑减少磨损、均匀磨损和磨损补偿。技术和经济要求，费用分摊！柔性产品结构是柔性的；(设备产品的系列化)功能灵活性；(少量软件被调整或修改，功能被改变)，如备用主轴、可调主轴、工具和夹具的分组、软件和工序的数控等。精密微米级亚微米级纳米级；设备本身的精度不能有效，因此需要误差补偿；热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺弹性变形的建模。2.机械制造设备设计方法功能

4、要求，自动凸轮控制、程序控制、数字控制、自适应控制等。机电一体化充分考虑机械、液压、起动、电力电子、计算机软硬件的特点，进行合理的功能配置，按照系统工程和整体优化的方法，有机地形成最佳的技术体系。节材(附加设计)符合工业工程的要求。开发阶段：充分考虑结构的可制造性，提高标准化和通用化程度，采用最佳工艺方案，选择合理的制造设备，减少工时和材料消耗；合理进行设备总体布局，优化操作步骤和方法(分析操作程序，取消不必要的操作，合并和简化重复性和繁琐的工作，缩短操作路线和事件，合理分配双手负荷等)。)，减少工人在操作过程中的体力消耗；调查市场和消费者，确保合理的质量标准两个末端执行器之间的严格运动关系取

5、决于直列传动系统或坐标轴联动装置，以实现机床的数量、运动特性、运动轴之间的关系和运动行程。工件表面和机床运动的任何规则表面的形成方法可视为：一条曲线(或直线)沿另一条曲线(或直线)运动的轨迹(生成线)。刀具的切削刃可分为点切削刃、线切削刃和面切削刃。3.1金属切削机床设计的基本理论，工件加工面上有四种出现线(刀具的切削刃与工件接触并产生相对运动):轨迹法A是直线进给运动E是轨迹法铣削圆柱面成形法(仿形法)B是宽刃车削刀具相切法(旋转切削法)D是相切法铣削圆柱面生成法(滚切法)C是生成法， 支柱与工件之间的复合相对运动n1和n2形成加工表面的方法母线形成方法和线形成方法的组合、生成线1直母线、生

6、成线2圆导线、生成线1渐开线母线、生成线2直导线、3.1金属切割机设计的基本理论、 机床运动分类运动特性分类直线运动和旋转运动功能分类成形运动，完成待加工工件表面几何形状的生成和金属去除任务的运动非成形运动切入运动(刀具切入工件)分度运动(工件与加工刀具之间以给定角度或长度间隔的相对运动)辅助运动(刀具接近、退刀、回位等。 3)调整运动(调整刀具与工件的相对位置或方向)控制运动(一些操纵运动)独立运动和复合运动的分类(运动之间严格的运动关系，如车削螺纹时工件主轴的旋转运动和刀具的纵向直线运动，由直列传动系统或数控联动实现)，3.1金属切削机床设计的基本理论，根据速度和功耗， 机床的成形运动根据

7、其完成的功能可分为：主运动(高速、大功率消耗)进给运动(低速、小功率消耗)主运动(金属去除，也称为切削运动)工件主轴在车削过程中旋转； 铣削过程中铣刀主轴的旋转运动：磨削时，砂轮主轴旋转(工件不旋转)；滚齿时，滚刀主轴的旋转运动形状产生运动(实现曲面几何的生成，即母线和线的生成)。结合上图，说明直母线需要F(进给)，圆导线需要N(主运动)；车削宽刃短外圆时，直母线不需要移动，圆导线需要旋转N(主运动)；纵向磨削外圆时，直母线需要F(进给)，圆导线需要N(主运动)。对于切线铣削，直母线1需要旋转运动N(主运动)，圆导线需要f1和f2(进给)轨迹铣削，直母线需要旋转运动N(主运动)和F(进给)，当

8、圆导线需要旋转(成形)滚齿时，渐开线母线需要生成n1和n2，直导线需要线性运动F，3.1金属切削机床设计的基本理论，3.1金属切削机床。它比运动功能风格更直观、更全面。包括：机床运动轴的数量、形式和排列顺序；两个末端效应器和每个移动轴的空间相对方向。典型运动原理图车床：Cp主运动，ZfXf进给运动；车床具有C轴功能，C轴可与Z轴或X轴组合，如车削螺纹或非圆回转面；铣床：Cp主运动，XfYfZf进给运动刨床：往复直线运动Xp主运动，直线运动Yf进给；咱是切入运动。3.1金属切削机床设计的基本理论，典型运动示意图(续)数控外圆磨床：Cp为主要运动，Cf、Zf和Xf为进给运动；Ba是Xf和Zf的结合

9、体，可以用蝶形砂轮磨削长锥面或任意旋转面；Cf和Zf复合可磨螺旋面：长轴纵向进给磨削时，Xf为Xa，为切削运动；(由进给运动符号表示)径向钻床：Cp是主运动，Zf是进给运动；XaZaCa是一台调整运动镗床：Cp为主要运动，Zf1和Zf2为镗削时工件和镗杆的进给运动；Yf是刀具的径向进给，Ba是分度运动，Xa和Ya是调整运动(也可以进给到铣削平面)，3.1金属切削机床设计的基本理论，典型运动原理图(续)滚齿机：Cp是主要运动，Cf和Zf是进给运动；两根碳复合渐开线Cf和Zf复合螺旋线，可加工斜齿轮；Ba是调整运动，调整刀具的安装角度，并使刀具的齿向与工件一致；线性运动亚切割成径向运动。用径向进给

10、法加工汽轮机时，亚是进给；有些还有Za滚刀的轴向切削运动(加工涡轮时的径向进给运动):Zp是主要运动；Cf1和Cf2进给，并复合以产生渐开线；亚切削运动、3.1金属切削机床设计的基本理论、典型运动示意图(续)直齿锥齿轮刨床Zp刨床的主要运动，Cf和Cf复合生成，Ca为分度运动，Za为后退运动；Ba调整，使刀具运动方向平行于工件齿根。螺旋锥齿轮铣床Cp铣刀的主旋转运动，Cf摇架的摆动；Cf工件旋转时两个Cf的复合生成；Ca是工件的分度运动；Za方法和务虚会；巴是调整运动的，关于四铣床的运动分布，3.1金属切削机床设计的基本理论，运动功能分布设计(进一步明确了运动功能)，基本支撑不明确，即“接地”

11、没有用“符号”明确表示，以及“.”的左侧由工件完成；正确的工具完成了。例如，带xf、Zf、Yf、CP/t(龙门铣床、落地镗床和铣床)带Xf、YF、CP/t带Xf、zfyf、Cp/T(立式转塔铣床)的卧式移动铣床带Xf、Zfyf、Cp/T(立式转塔铣床)带机床传动示意图(传动关系，同时表示动力源和执行机构之间的运动和关系)可从书上的图表中读取；a代表线性运动；b代表旋转运动；Uv代表主传动比；Uf代表进给传动比；Ui代表内联传动比。3.1金属切削机床设计的基本理论精度、几何精度空载条件下，当机床不移动或低速移动时，机床主要独立部件的形状(直线度、平面度)和相互位置(平行度、垂直度、重合度、等距度

12、、角度)；旋转位移(径向圆跳动、周期性轴向运动、端部圆跳动)的精度是评价机床质量的基本指标，它取决于结构设计、制造和装配质量，如(EZZ/EXZ/EYZ) Z坐标运动部件在各个方向的位置偏差；(eczebzeaz坐标移动部件围绕ZYX轴的角度偏差；运动精度当机床以工作速度卸载和移动时，执行部件的几何位置精度传动精度机床传动系统两端执行部件之间运动的协调性和一致性。传统机床受传统系统设计、制造和传动部件装配精度的影响。数控机床受电机、导轨等部件、驱动器和控制器精度的影响。3.1金属切削机床设计的基本理论是精度和定位精度。机床定位部件达到规定位置的精度受到部件和控制系统的精度、刚度和动态特性的影响

13、。重复定位精度：机床运动部件在相同条件下用相同方法重复定位时位置的一致性。它也是影响因素有：磨损。具体：结构设计、工艺、材料、热处理、润滑等。3.1金属切削机床设计的基本理论刚度，指机床承受载荷时抵抗变形的能力，表示为：K=F/y，K为刚度(N/um)；f是负载；y是机床变形(um)载荷：重力、夹紧力、切削力、传递力、摩擦力、冲击振动等。静态载荷(基本上不随时间变化)”静态刚度(通常代表机床刚度)动态载荷(随时间变化)”动态刚度(抗振性)机床由许多部件和柔性接头组成。整个机器刚度的50%取决于接头的刚度；整机50%-80%的阻尼来自关节阻尼设计的关键点，以提高各部件的刚度；关节刚度和部件间刚度

14、的匹配每个部件对整机刚度的贡献不同，因此有必要合理分配和优化刚度。3.1金属切削机床设计的基本理论振动，振动抵抗强迫振动(从内部或外部)。强迫振动频率与振源激振力的频率相同，振幅也与机床的刚度阻尼有关。机床是一个多自由度的复杂振动系统。当它有多个固有频率并以某一固有频率自由振动时，各点振幅的比值称为“主模态”。一阶主模态3354的振动是各阶主模态的合成。一般来说，只考虑几个。自激振动是刀具与工件之间的一种相对振动，是切削过程与机床结构动态特性相互作用产生的，接近机床系统的固有频率。一般认为，加工过程中的干扰因素(机理尚不清楚)，切削力越大，振动越剧烈。影响振动的主要因素是机床的刚度：材料的选择

15、、部件的横截面形状、尺寸和肋的分布；机床阻尼：增加阻尼可以减少振动。提高关节阻尼(占机床系统固有频率的70-90%):远离激励频率(预测各阶固有频率和激励频率)；3.1金属切削机床设计基础理论:稳定的热噪声，热变形和热变形引起的误差可占总误差的70%，逐步热平衡，相对稳定的温度场，需要分析温度场的措施：减少发热，加速散热，热平衡，自动温度补偿和隔热等。机械噪声、液压噪声、电磁噪声和空气动力噪声的测量单位为分贝。低速运动是稳定的低速爬行(当驱动部分低速运动时，从动部分快而慢甚至停止)。原因：摩擦引起的自激振动、摩擦系数变化和刚度不足措施：减小静摩擦系数和动摩擦系数的差异，提高机构的刚度；3.2降

16、低运动部件的质量，金属切削机床的总体设计是。根据国家标准GB/T15375-94，根据加工性能和所用刀具的不同，机床可分为12大类：C A 6 1 40、Cc:类代码(床型)A:结构代码(A结构)6:组代码(卧式车床组)1:部门代码(普通车床系统)40:主要参数代码(最大车削直径400毫米)型谱需基于国家标准主要参数的基本系列，变型系列型谱需根据要求进一步制定。3.2金属切削机床通用设计功能设置。小批量、集中加工，机床功能要求多。根据生产率、加工精度、机床制造成本、操作和维护程度等。运动功能设置分析方法：参照同类型机床的运动功能，分析后提出方案，模拟分析设计方法：用分析方法找出所有可能的方案，通过模拟评估写出机床的运动功能，并绘制机床运动示意图。3.2金属切削机床总体设计总体结构方案设计、结构布局设计结构布局：垂直、水平、倾斜；基础支撑：基础型、柱式、门式等。支撑结构：一体式、分体式等。评价依据：机床刚度、占地面积、物流系统可达性等因素的定性分析。得到五轴镗铣床总体结构的示意性形状和尺寸设计(图2-10或3-10)，并确定末端执行器的大致形状和尺寸；设计末端执行器和下一个功能部件之间的关节(形状和近似尺寸)，以根据轨道关节确定下一个功能部件的近似形状和尺寸；重复上述过程，直至基本支架(底座、立柱和床身)设计完毕，然后