机械制造装备设计第2章-1b

第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计第一节概述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第五节进给传动系设计第六节机床控制系统设计第四节主传动系设计第二章金属切削机床设计2.1概述•金属切削机床：用切削工具，去除金属，以达到形状、尺寸、表面质量要求的加工设备；•按加工原理分类：车、铣、刨、磨、镗、拉、螺纹加工…….•俗称工作母机：–制造机器的机器；–性能要求高；–设计方法处于变革中：纯机械设计在减少，机电匹配设计在增加…….第二章金属切削机床设计2.1概述一、机床设计应满足的基本要求二、机床总体方案的创新设计方法三、机床模块化设计方法四、机床设计步骤第二章金属切削机床设计1.工艺范围：能干什么、尺寸范围多大2.柔性：适应加工对象变化的能力，功能柔性、结构柔性3.与物流系统的可亲性:机床与物流系统之间（工件、工具、切屑）流动的方便程度4.刚度：在切削力作用下，抵抗刀具与工件相对位置变化的能力。母机—刚度要求更高。5.精度：几何精度与工作精度。6.噪声：设计过程应考虑对象的噪声污染及控制2.1.1机床设计应满足的基本要求第二章金属切削机床设计7.生产率：单位时间出产量，切削效率、辅助时间8.自动化:自动化程度的提高可提高效率和稳定性，降低劳动强度。9.成本：制造成本、使用成本…….10.生产周期:新机型设计投产周期，竞争力11.可靠性：规定条件、时间、功能，无故障运行的能力12.造型与色彩：尽量按人机工程学要求进行设计13.合适的设计方法：创新设计、系列化设计、模块化设计…….2.1.1机床设计应满足的基本要求第二章金属切削机床设计2.1.2机床总体方案的创新设计方法基型产品需要进行创新设计；机床总体方案的创新设计：寻求机床总体方案的原理解，然后从中求出最优或次优解；代表性设计方法：分析式设计与创成式设计两种，但后者还不成熟。第二章金属切削机床设计2.1.3机床模块化设计方法机床模块化设计方法主要用于机床的组合、变型产品设计。它在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用模块，根据市场需求，对这些模块进行选择组合，就可以构成不同功能，或功能相同但性能不同、规格不同的组合、变型产品。模块划分技术的关键是如何能够以尽可能少的模块种类，组成尽可能多种类的不同功能、不同性能、不同规格的组合、变型产品。模块组合技术的关键是模块与模块之间连接的结合部设计要能满足所组成的各种变型产品的性能要求（精度，动、静、热刚度）以及能够实现模块的快速装配和快速更换第二章金属切削机床设计1、总体设计；（1）机床主要技术指标设计；（2）总体方案设计；（3）总体方案综合评价与选择；（4）总体方案的设计修改或优化2.1.4机床设计步骤2、详细设计；（1）技术设计；（2）施工设计4、定型设计。3、机床整机综合评价；第二章金属切削机床设计2.2金属切削机床设计的基本理论2.2.1机床的运动学原理机床运动学：实现机床期望的加工功能所需要的运动及功能配置。是研究机床工作原理的学问。几何表面的成形原理任何表面都可看做是一条曲线沿另一条曲线运动的轨迹，这两条曲线称为发生线，且前者叫母线，后者叫导线。有些面的母线与导线可以互换，有些则不行。发生线的形成方法轨迹法点运动轨迹而成线成型法刀刃就是线相切法工件不动，刀具相切包络展成法展成运动而形成通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成。第二章金属切削机床设计机床运动的分类按运动性质分：直线运动和回转运动按功能分：成形运动（与发生线的生成有关）与非成形运动（与发生线的生成无关：进退刀、切入、分度等）按运动之间的关系分：独立运动、复合运动/车螺纹时第二章金属切削机床设计成形运动主运动完成金属切削，消耗大部分动力。形状创成运动用来形成加工表面的发生线。有些运动既是主运动又是形状创成运动，如车床的主轴的旋转。如果“形状创成运动”中不包含“主运动”时，它和“进给运动”是等价的。第二章金属切削机床设计成形运动主运动？形状创成？进给？第二章金属切削机床设计关于X、Y、Z的回转分别运动叫A、B、C。平行X、Y、Z的辅助轴用U、V、W及PQR，但钻床、镗床只用X、Y、Z。使刀具远离工件的方向为方向。机床功能的描述方法（JB/T3051）坐标系Z-机床主轴（如果没主轴则垂直工件装卡面）X-水平，平行装卡面Y-由XZ确定第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计C第二章金属切削机床设计机床功能的描述方法机床运动功能式机床运动功能的公式表达：W/CpZfXf/T•左边写工件W、右边写刀具T，中间写运动，三部分“/”分开•运动按顺序排列：从工件到刀具•下标p—主运动•下标f—进给，可省略•下标a—非成形运动，可省略•如果有的运动既可以是进给，又可以是非成型运动时优先用f下标。第二章金属切削机床设计机床功能的描述方法运动原理图运动功能式的图示表达。第二章金属切削机床设计第二章金属切削机床设计运动功能分配设计任务：“接地”位置的确定，符号“·”表示原则：避重就轻W/·Xf,Yf,Zf,Cp/TW/Xf·Yf,Zf,Cp/TW/Xf,Yf,·ZfCp/TW/Xf,YfZf,·Cp/T第二章金属切削机床设计练习：写出如图机床运动功能式及运动原理图ZaYfWaXpW/YfWa▪XpZa/T第二章金属切削机床设计机床传动原理图将动力源、执行件，各执行件之间的运动及传动关系同时表达出来。（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(例：滚齿机）（5）绘制机床传动原理图第二章金属切削机床设计ZfBaYaCpCfW/CfYaZfBaCp/T机床运动功能方案设计步骤第二章金属切削机床设计2.2.2精度几何精度：空载、不运动时的精度运动精度：空载、运动时精度传动精度：传动系统头尾协调性与均匀性精度定位精度与重复定位精度：工作精度：加工规定试件时能达到的精度精度保持性：规定时间内保持要求精度的能力，抗磨损能力。第二章金属切削机床设计2.2.3刚度定义：机床受载时抵抗变形的能力K=F/y(N/μm)载荷：重力、夹紧、切削、传动、摩擦、冲击受载件：构件及柔性结合部，关键是结合部：影响刚度的50%、影响阻尼的50~80%第二章金属切削机床设计2.2.4振动受迫振动如高速回转轴不平衡引起的振动，应避免共振。自激振动切削稳定性-频率与固有频率接近，大载荷时易发生。影响振动的主要因素机床的刚度机床的阻尼特性机床系统固有频率消除激振源？第二章金属切削机床设计2.2.5热变形热源：内热源（摩擦、切削）、外热源（环境）热变形的影响：可占全部加工误差的70%热平衡时间：形成稳定温度场的时间热变形控制措施热源：减少发热、位置选择均热：导热管温度自动控制：控制、补偿、隔热材料：如树脂混凝土床身（隔热）第二章金属切削机床设计2.2.5热变形第二章金属切削机床设计2.2.6噪声声压级：dB机械噪声：速度加倍，噪声增加6dB；载荷加倍，噪声增加3dB第二章金属切削机床设计2.2.7低速运动平稳性爬行：低速运动时产生的运动不平稳性根源：摩擦产生的自激振动现象，摩擦系数随速度增大而减小及传动系统刚度不足措施：减少动静摩擦系数差提高传动机构刚度降低移动件质量第二章金属切削机床设计2.2金属切削机床设计的基本理论（归结）机床的运动学原理精度刚度振动热变形噪声低速平稳性课后思考题：•机床设计的基本理论包括哪些内容？•工件表面的形成方法？•机床运动功能式的含义是什么？•机床运动原理图和传动原理图的区别是什么？课堂练习题（上交）：1.试写出某镗床的运动功能式及运动原理图，并注明“接地”方式。要求：•工件可在两个方向调整角度，可在水平面内两个方向调整位置；•刀具：可调整镗孔中心线高度；镗孔深度；与镗孔直径大小。1.试写出某镗床的运动功能式及运动原理图，并注明“接地”方式。要求：•工件可在两个方向调整角度，可在水平面内两个方向调整位置；•刀具：可调整镗孔中心线高度；镗孔深度；与镗孔直径大小。XaYaBaCpZf2Zf1Yf1.试写出某镗床的运动功能式及运动原理图，并注明“接地”方式。要求：•工件可在两个方向调整角度，可在水平面内两个方向调整位置；•刀具：可调整镗孔中心线高度；镗孔深度；与镗孔直径大小。第二章金属切削机床设计2.3金属切削机床总体设计一、机床系列型谱的制定二、机床运动功能设置三、机床总体结构方案设计四、机床主要参数的设计第二章金属切削机床设计2.3.1机床系列型谱的制定中型卧式车床的简略系列型谱表型式最大工件直径/mm万能式马鞍式提高精度无丝杠式卡盘式球面加工端面车床2503204005006308001000注：——基型，——变型第二章金属切削机床设计2.3.1机床系列型谱的制定主参数系列：等比数列基型系列：用途最广、需求量最大的系列变形：根据用户需求派生系列系列型谱：主参数系列与变型方案组成的，用于表述产品规格系列性与结构相似性的表格。基型与变型合用的好处：功能扩展、零件通用，减少设计工作量，缩短研发及制造周期……第二章金属切削机床设计方法和步骤:工艺分析选择典型工件，确定加工方法，根据批量情况确定工序的集中与分散。机床运动功能设置参考同类机床的运动功能，提出设计方案并进行评估。写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图（注明接地方式）2.3.2机床运动功能设置任务：写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。第二章金属切削机床设计W/Xf,Yf·Zf,Cp/T第二章金属切削机床设计2.3.3机床总体结构方案设计结构布局设计：根据运动功能分配来进行立式、卧式、斜置式支承件底座式、立柱式、龙门式基础支承件：一体式、分体式……评价依据：定性分析刚度、占地面积、与物流系统的可接近性结果：结构布局形态图第二章金属切削机床设计2.3.3机床总体结构方案设计机床总体结构的概略形状与尺寸设计依据：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。主要内容：各执行件末端概略形状与尺寸设计接合部概略形状与尺寸设计支承件设计……得到总体结构方案图第二章金属切削机床设计2.3.3机床总体结构方案设计机床总体结构方案图第二章金属切削机床设计2.3.3机床总体结构方案设计评价与选优：评价的主要因素1）性能：刚度精度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第二章金属切削机床设计1、主参数和尺寸参数2.3.4机床主要参数的设计机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。主参数：代表机床规格大小即反映机床最大工作能力的一种参数，有些机床还规定有第二主参数。尺寸参数：主要结构尺寸参数。第二章金属切削机床设计2.3.4机床主要参数的设计CZTMSXBLGQ--车钻镗磨丝铣刨拉割其他特性代号GMZBKQCJ--高密自半控轻重简第二章金属切削机床设计2、运动参数2.3.4机床主要参数的设计运动参数是指机床执行件如主轴、工作安装部件（工作台、刀架）的运动速度。卧式车床K1=0.5，钻床K1=1.0，通常K2=0.2~0.25。v-m/min切削速度d--mm工件直径第二章金属切削机床设计其中确定机床主轴的最高转速时应考虑两个因素：主传动的类型机械传动2000rpm机电传动5000~9000rpm零传动10000~15000rpm刀具类型、材质与切削角度镶片车刀经镀层以后，最大切削速度可从60~200m/min提高到200~520m/min。第二章金属切削机床设计练习：400mm卧式车床，刀具最大切削速度200m/min，最小切削速度1.5m/min，卧式车床K1=0.5，K2=0.25。求最大最小主轴转速及变速范围。第二章金属切削机床设计主轴转速采用等比数列排列的原因第二章金属切削机床设计主轴转