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1、*,1,*,2,计算机辅助设计（CAD）计算机辅助工程（CAE）,计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑,的广泛应用,*,3,*,4,*,5,*,6,4.1.1 机床设计应满足的基本要求 1.工艺范围（加工功能）加工方法 工件类型 加工表面形状、尺寸等,工艺范围,*,7,2.精度具有精度、保持精度,机床精度,几何精度,传动精度,运动精度,定位精度,精度保持性,普通精度级、精密级和高精度级,工作精度,空载精度,*,8,1）几何精度 几何精度是指机床空载条件下，在不运动或低速运动时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。,*,9,2）运动精度 运动精度是指
2、机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度。如高速回转主轴的回转精度。,*,10,3）传动精度 传动精度是指机床传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。,*,11,4）定位精度 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。,*,12,5）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,*,13,6）精度保持性 在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度,*,14,3.刚度（1）概述 机床刚度指机床系统抵抗变形的能力，通常用下式表示 KF/y式中K机床刚度（Nm）；F 作用在机床上的载荷（N）y 在载荷作用下，机床或主要零、部件的变形,*,15,静载荷 静刚度动载
3、荷 动刚度,（2）整机刚度整机在静载荷作用下抵抗变形的综合能力,各部件的刚度,结合部的刚度,优化,*,16,4.抗振性 交变载荷作用下，抵抗变形的能力。（1）受迫振动（2）自激振动（切削稳定性）（3）振动影响因素,a）机床的刚度b）机床的阻尼特性c）机床系统固有频率,*,17,5.热变形 1）概述 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，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形，使加工工件产生误差。最大可占全部误差的70左右。热源：内部（电机、液压系统、摩擦、切削热等）外部（环境温度、热辐射等）2）热平衡的温度场,*,18,6.低速运动平
4、稳性（一）爬行现象和机理（二）爬行的度量（1）爬行量 用机床部件位移时间曲线表示（2）速度波动量 用机床部件速度时间曲线表示（3）爬行的临界速度 vc=Ff/(2km)0.5（三）消除爬行的措施,*,19,进给传动的力学模型,*,20,1）减小静、动摩擦系数之差；2）提高传动机构的刚度；3）提高阻尼比和降低移动件质量。,滚动摩擦卸荷导轨、静压导轨减摩材料润滑,*,21,7.噪声 1）概述 2）噪声的度量指标 1客观度量 20lg p/p0 2噪声的主观度量,*,22,3）机床噪声 1）机械噪声 2）液压噪声 3）电磁噪声 4）空气动力噪声,*,23,8.生产率 9.自动化 10.可靠性 11.
5、成本 12.生产周期 13.柔性 14.开放性 15.宜人性,*,24,4.1.2 机床设计步骤,*,25,主要技术指标设计,工艺范围生产率性能指标主要参数驱动方式结构原理成本及生产周期,1.确定结构原理方案,材料,质量,形状及尺寸,*,26,传动方式,传动原理图,传动系统图,尺寸参数,运动参数,动力参数,2.总体设计,运动功能设计基本参数设计传动系统设计总体结构布局设计控制系统设计,个数,形式,功能,排列顺序,运动功能分配,总体布局结构形式,总体结构方案图,控制方式及控制原理,控制系统图,总体方案综合评价与选择总体方案的设计修改或优化,*,27,3.结构设计4.工艺设计5.机床整机综合评价6
6、.定型设计,*,28,4.2.1 机床的运动学原理 1、机床的工作原理 基本功能：是提供切削加工所必须的运动和动力。基本工作原理：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，达到其精度要求。,4.2 机床总体设计,*,29,2、机床的运动,（1）主运动切削运动,（2）形状创成运动形成发生线,*,30,*,31,3、机床运动功能的描述方法,机床总体坐标系：直角坐标系,1）坐标系,X，Y，Z,沿轴的直线运动及运动量,A，B，C,绕X，Y，Z轴的回转运动,绕X，Y，Z轴的回转运动量,*,32,（l）局部坐标系固定在运动部件上；（2）运动方向与
7、机床坐标系轴线平行时，取各局部坐标系与机床坐标系方向一致，取运动方向为Zi 轴；（3）当有斜置式运动时，可混合选取。,局部坐标系的选取,*,33,运动功能式表示机床的运动个数、形式、功能（主运动、进给运动、非成形运动，分别用下标p，f，a表示）及排列顺序。左边写工件，用W表示；右边写刀具，用T表示，中间写运动，按运动顺序排列，并用“”分开。,2）机床运动功能式,*,34,WCp，Zf，XfT,车床的运动功能式,三轴升降台式铣床的运动式,WXf，Yf，Zf，Cp/T,*,35,3）机床运动功能图,*,36,车床,三轴升降台铣床,*,37,龙门刨床,*,38,外圆磨床,摇臂钻床,*,39,坐标镗床
8、,*,40,*,41,4、并联运动和串联运动,特点：精度高、刚度高、运动部件质量小、速度高,并联运动,虚拟串联运动,*,42,六个运动并联,三个运动并联,*,43,运动功能分配设计是确定运动功能式中“接地”的位置，用“”符号表示。“”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“”接地符号后，可称为运动分配式。,4.2.3 机床总体结构方案设计,1、运动功能分配设计,*,44,铣床的运动功能式 WXf，Zf，Yf，Cp/T，其运动分配式有：1）W Xf，Zf，Yf，CpT；2）WXf Zf，Yf，CpT；3）WXf，Zf Yf，CpT；4）WXf，Zf，Yf CpT
9、。,*,45,2、结构布局设计 机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等；其中基础支承件的形式又有底座式，立柱式，龙门式等；基础支承件的结构又有一体式和分离式等等。,*,46,*,47,3、机床总体结构的概略形状与尺寸设计,1）首先确定末端执行件的概略形状与尺寸。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）根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程尺寸，确定下一个功能部件的概略形状与尺寸；4）重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。,*,48,5）若要进行机床结构模块设计、则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取与设置。6）初步
10、进行造型与色彩设计。7）机床总体结构方案的综合评价。8）机床总体结构方案设计修改与确定。,*,49,*,50,4.2.4 机床主要参数的设计,1、主参数和尺寸参数 主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数，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。,*,51,通用机床主参数：国家标准，选用专用机床的主参数：以零件或被加工面的尺寸参数来代表。,*,52,尺寸参数：机床的主要结构尺寸参数通常包括：1）与被加工零件有关的尺寸 2）标准化工具或夹具的安装面尺寸,*,53,2、运动参数 运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台、刀架）的运动速度。1
11、）主运动参数主运动为回转运动的机床主轴转速；主运动为直线运动的机床如插、刨机床，主运动参数是插刀或刨刀每分钟往复次数（次分）。,*,54,专用机床和组合机床：通常主轴只须一种固定转速 n=1000v/d 式中 n主轴转速（rmin）；v切削速度（mmin）；d工件或刀具直径（mm）。通用机床：主轴具有多转速。确定变速范围设计时应考虑 确定变速方式（无级变速和有级变速）确定有级变速的级数,*,55,（1）最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定,D 机床能加工的最大直径（mm）；K 系数；Rd 计算直径范围。0.20.25,*,56,例：确定400mm卧式车床主轴的最高、最低转速。,（采用硬
12、质合金车刀半精车小直径外圆时转速最高）,（采用高速钢车刀精车合金钢材料的梯形螺纹时转速最低）,*,57,（2）主轴转速的合理排列 机床主轴转速是按等比级数排列，其公比用符号表示。则转速数列为:,转速呈等比级数排列的原因：,转速相对损失均匀；,设计简单方便。,*,58,相对转速损失率：,最大损失率：,若：,则：,*,59,因此，转速分配如下：,最大相对损失率,变速范围,*,60,（3）标准公比值和标准转速数列 标准公比的确定依据如下原则：1 2 我国机床专业GC58-60规定了7个标准公比：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2注：在设计其他机械时也常常采用这个标准；当机
13、械的变速级数过多时，往往采用两个以上公比。,*,61,*,62,（4）公比的选用 对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取1.26或1.41；对于大批，大量生产用的专用机床，专门化机床及自动机一般取1.12或1.26，因其生产率高，转速损失影响较大，且又不经常变速，可用交换齿轮变速，非自动化小型机床，加工中切削时间远小于辅助时间，转速损失大些影响不大，故可取1.58、1.78甚至2。,*,63,表3-6 标准数列,*,64,（5）变速范围Rn，公比 和级数 Z 的关系 由等比级数规律可知,两边取对数,注意：a)计算出的公比应该圆整为标准值;b)级数应该圆整为整数。同时修正
14、Rn,*,65,例：有一台机床，主轴共有12级转速，分别为：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400。公比为=1.41，则,最大相对转速损失率：,变速范围：,*,66,例：设计一台机床，nmin=12.5r/min，nmax=2000r/min，=1.26。查表确定各级转速。,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,80,100,125,160,200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1600,2000,所以：每隔3个数取一个数得到下面数列,查表3-6找到最低转速12.5,因为：1.26=
15、1.064,*,67,2）进给量的确定数控机床 无级变速 无级变速普通机床 等比级数（加工外圆、端面）有级变速（普通车床加工螺纹）等差数列（螺纹车床）（刨床、插床等棘轮 机构进给机床）,*,68,3.动力参数电动机的功率或扭矩1）主电动机功率的确定 P主=P切+P空+P附式中 P切切削功率（有效功率）（kW）；P空空载功率（kW）；P附附加摩擦损耗功率（kW）。,（1）切削功率,*,69,（2）空载功率,（3）摩擦损耗功率,则,*,70,主电机功率的估算：,*,71,2）进给驱动电动机功率的确定 机床进给运动驱动源可分成如下几种情况：1）进给运动与主运动合用一个电动机，如卧式车床、钻床等。进给运动消耗的功率远小于主传动 2）进给运动中工作进给与快速进给合用一个电动机时，由于快速进给所需功率远大于工作进给的功率，且二者不同时工作，所以不必单独考虑工作进给所需功率。3）进给运动采用单独电动机驱动，则需要确定进给运动所需功率（或扭矩）。,*,72,3）快速运动电动机功率的确定 快速运动电动机启动时消耗的功率最大，要同时克服移动件的惯性力和摩擦力 P快=P惯+P摩,*,73,*,74,
