23金属切削机床总体设计

第三节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、机床总体结构方案的设计四、机床主要参数的设计一、机床系列型谱的制订我国对金属切削机床分为11大类，每类机床又分别分为10组、每组分为10系。首先对用途最广、需求量最大的某类组机床，将其主参数规格化，作为该类组机床的“基形系列”。在此基础上，根据各类用户的需要，派生出若干变形系列，形成“变形系列”，并将各种机床精度等级化。型谱制定即完成某类种机床的“基形系列”、“变形系列”及其精度等级化的工作。中型卧式车床简略系列型谱如P76表2-1所示。在该系列中，以普通卧式车床为基型，派生出马鞍式等车床，基型和变型都有主参数系列。在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性。主参数和主要性能指标的确定参数分级制定系列型谱应最大程度地反映产品的工作性能和设计要求尽可能采用优先系数P26通常是二维甚至多维的其中一维是主参数其它维是主要性能指标N10回顾第一章：系列化设计参数分级经过技术和经济分析，将产品的主参数和主要性能指标按一定规律进行分级，制订参数标准。产品的主参数应尽可能采用优先数系。回顾第一章：系列化设计型式最大工件直径/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，——变型表2-1中型卧式车床简略系列型谱表产品系列化的设计目的是：1．科学地规划产品的种类与规格，最大范围经济地满足社会需求；2．基型和变型的大部分零部件可通用化，不同规格产品的同类零部件相似，便于组织设计和生产、缩短制造周期；3．易于提高可靠性，方便维修和配件供应，降低制造和使用成本。主参数规格制定方法，已在第二章系列化设计中介绍。国家对各类通用机床的主参数已有国家标准。一、机床系列型谱的制订二、机床运动功能设置主要任务：画出机床运动功能图1.工艺分析确定典型零件→工艺分析→加工方法2.机床运动功能设置加工方法→运动功能设置二、机床运动功能设置1.工艺分析：确定典型零件→工艺分析→加工方法工艺方案对机床的结构影响很大。不同的表面可采用不同的加工方法，相同的表面也可采用不同的加工方法。如平面加工可选择铣、刨、拉、车、磨等。在平面铣削中又可以用圆柱刀具或端铣刀加工，前者为卧式主轴、后者为立式主轴。因此机床的布局各不相同。根据是否同时加工可分为单刀或多刀加工、单件或多件加工；按作业形式分为平行作业、顺序作业等。根据加工要求、生产批量等，选择出最适应的工艺方案。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5.绘制机床传动原理图二、机床运动功能设置这几步内容参考上节课三、机床总体结构方案设计1.结构布局设计机床结构布局形式：立式、卧式、斜置式基础支承件形式：底座式、立柱式、龙门式基础支承件结构：一体式、分离式设计依据：刚度、占地面积、可接近性结果：机床总体结构布局形态图五轴镗铣机床结构布局形式图2.机床总体结构的概略形状与尺寸设计了解。1)确定末端执行件的概略形状和尺寸2)设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸3)确定下一个功能部件的概略形状和尺寸4)重复，直到全部基础支承件设计完毕5)初步进行造型与色彩设计6)机床总体结构方案的综合评价四、机床主要参数的设计（一）主参数和尺寸参数机床主参数是代表机床规格和大小及反映机床最大工作能力的一种参数。根据《金属切削机床型号编制方法》选择。机床尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数。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。2)标准化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。主参数基本参数尺寸参数运动参数动力参数通用机床的主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示，专用机床的主参数一般以与通用机床相对应的主参数表示。为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，可在主参数后面标出第二主参数，如最大工件长度、最大跨距等。（二）运动参数运动参数指机床执行部件如主轴、工作台的运动速度。1.主运动参数(a)对主运动是回转运动的机床，主运动参数是主轴的转速：n=1000v/πd(专用机床)n主轴转速；v切削速度；d工件或刀具直径主运动有无级变速或有级变速两种方式。(b)对主运动是直线运动的机床(插、刨)，主运动参数是刀具或工件每分钟直线往复运动的次数。专用机床可根据特定工序实际使用的切削速度和工件(或刀具)的直径确定主轴转速，且大多数情况只需一种速度。通用机床，为适应各种不同的加工要求，主轴应有一定的变速范围和变速方式(有级或无级变速)。1.主运动参数(1)最低转速(nmin)、最高转速(nmax)nmin=1000vmin/πdmaxnmax=1000vmax/πdminnmax和nmin的比值是变速范围Rn=nmax/nminvmin、vmax查切削用量手册dmax和dmin指用vmin(vmax)时的经济加工直径。dmax=K1D，D是机床能加工的最大直径；K1是系数，卧式车床K1=0.5，摇臂钻床K1=1；dmin=K2dmax通常K2=(0.2～0.25)1.主运动参数确定机床主轴最高转速主要考虑以下因素：(a)机床传动类型普通机床：2000r/min数控机床：5000–50000r/min(b)采用的刀具类型、材质、切削角度镶片车刀：60–200m/min镀层镶片车刀：200–520m/min随着主电机技术、轴承技术、刀具技术的发展，数控机床的主轴转速越来越高。1.主运动参数例题：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vmax=200m/min，最低转速出现在高速工具钢刀具精车合金钢工件的梯形丝杠工艺中vmin=1.5m/min，若车床的主参数为d=400mm，加工丝杠的最大直径d=50mm。则：dmax=K1D=0.5*400=200mmdmin=K2dmax=50mmnmax=1000vmax/πdmin=1000*200/(π*50)=1273r/minnmin=1000vmin/πdmax=1000*1.5/(π*50)=9.55r/min符合CA6140机床。低速下的最大直径注：不同工艺确定的最低和最高转速可能不同，可根据需要选择多种工艺参考，同时考虑技术储备，适当提高nmax和降低nmin1.主运动参数(2)有级变速主轴转速的合理排列(转速分级)主轴的转速数列一般按等比数列排列。这样可以使最大相对转速损失Amax为一常数。最大相对转速损失Amax的计算：如某机床的分级变速系统共有Z级：n1，n2，n3，……nj，nj+1，……nZ加工工件所需的最有利转速为n，而n处在nj与nj+1之间，即:njnnj+1(如5分制百分制)相对转速损失率：A=(n-nj)/n×100％最大相对转速损失:Amax=(nj+1–nj)/nj+1=1–(nj/nj+1)=1–1/φ×100％1.主运动参数(2)有级变速主轴转速的合理安排机床转速按等比数列排列，其标准公比为φ，各级转速为：n1=nmin，n2=n1φ，n3=n2φ=n1φ2，…，nZ=n1φZ-1=nmax变速范围：Rn=nmax/nmim=n1φZ-1/n1=φZ-1例：有一台钻床，主轴转速为：20,28,40,56,80,100,224,315,450,630,900共12级，等比数列，公比φ=1.41。最大相对转速损失:Amax=(1-1/φ)×100%=(1-1/1.41)×100%≈29%1.主运动参数(3)标准公比值φ和标准转速数列标准公比值：1.06;1.12;1.26;1.41;1.58;1.78;2标准公比值能满足以下要求：1)标准公比φ：1φ≤2；2)φ为10的整数次方根；3)多速电机：φ为2的整数次方根。保证Amax不大于50%便于记忆1.主运动参数(4)标准公比值φ的选用当变速范围一定时，φ愈小，级数Z便愈多，使机床的结构复杂。φ愈大，级数Z便愈少，机床的结构简单，但相对转速损失大。(5)变速范围Rn、公比φ、级数Z的关系确定公比φ的值要考虑相对转速损失和机床结构两个方面的因素。公比φ与级数Z有以下关系：由：Rn=nmax/nmin=φZ-1得：Z=(lgRn/lgφ)+1Rn、φ、Z都应该圆整为标准数和整数。如何选用？A原因中型机床不能太大速度损失和结构适中取1.26,1.41大型机床要小可以复杂点，速度损失要小取1.12,1.26小型机床可以大一些结构简单，速度可以牺牲取1.58,1.78专门化机床要小工艺范围小自身结构不复杂取1.06,1.122.进给量的确定机床的进给运动参数以进给量来表示，进给量的变换可采用无级变速或有级变速两种方式。工艺分析→确定最大最小进给量fmax、fmin→选择φf(Zf)→确定Zf(φf)Z=(lgRn/lgφf)+1其中：Rn=fmax/fmin当进给量的变化要影响生产率时，进给量的数列也要按等比数列。对于各种加工螺纹的机床和利用棘轮机构(插床、刨床)实现进给的机床，进给量的数列为等差数列。原因?螺距：0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、差0.05、0.5、0.6、0.7、差0.1、0.7、0.75、0.8、差0.05、0.8、1、差0.2、1、1.25、1.5、1.75、2、差0.25、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、差0.5、3.变速形式与驱动方式选择任务：确定是采用无级变速还是有级变速。确定标准：自动化程度以及成本数控机床：伺服电机无级变速普通机床：有级变速机床运动的驱动方式：电动机驱动、液压（三）动力参数动力参数包括：1)电机功率或扭矩；2)液压缸的牵引力；3)液压马达、伺服电机、步进电机的额定扭矩。各传动件的参数都根据动力参数设计计算。1.主电动机功率的确定机床主运动功率：P主=P切+P辅+P空P切为有效功率(kW)P辅为随载荷增加的机械摩擦损耗功率(kW)P空为空载功率(kW)1.主电动机功率的确定(1)P切的计算P切=Fzv/60000Fz一般选择重负荷时的切削力。(2)P空的计算(P85)平均主主平均空ddCCnCnKdPi1)(9550001.主电动机功率的确定d平均为主运动系统中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径(cm)。1.5P主≤2.5kWd平均=3.0cm5.5P主≤7.5kWd平均=3.5cm7.5P主≤14kWd平均=4.0cmn主为主轴转速；∑ni为传动系统内除主轴外各传动轴的转速和；K为润滑油粘度影响系数，K=30-50；d主为主轴前后轴颈的平均值；C1为主轴轴承系数，两支承主轴C1=2.5，三支承主轴C1=3。1.主电动机功率的确定(3)P辅的计算P辅=P切/η机–P切代入P主得：P主=P切/η机+P空η机为机械效率。粗略估计算法如下：P主=P切/η床η床为机床总机械效率。回转运动：η床=0.7-0.85；直线运动：η床=0.6-0.71.主电动机功率的确定对于电动机短时间内超载的情况，电动机的额定功率可以进行修正：P额定=P主/KK为电动机超载系数，对于连续工作的机床，K=1，对于间断工作的机床，K=1.1-1.25，简断时间越长，取值越大。2.进给驱动电动机功率的确定1)进给运动与主运动共用一个电机(经验)；卧式车床：P进=(0.03-0.04)P主钻床：P进=(0.04-0.05)P主铣床：P进=(0.15-0.20)P主2)工作进给与空行程(快速进给)共用一个电机时，不必单独考虑工作进给功率；3)进给运动采用单独电机或采用液压传动时，需要确定进给运动的功率。P进=Qv进/60000η进Q为进给牵引力；v进为进给速度；η进为进给传动系的机械效率。2.进给驱动电动机功率的确定4)进给牵引力的估算(P86)G为工件重力；Fz,Fx,Fy为切削力在进给方向、垂直于导轨面方向、导轨的侧方向的分力；Ff为钻削进给抗力；f’为当量摩擦因数；f为钻床主轴套筒的摩擦系数；K为考虑颠复力矩影响的系数；T为主轴的转矩。2.进给驱动电动机功率的确定对于数控机床的进给运动，伺服电动机按转矩选择：T进电=9550P进/