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1、重庆理工林园分校,毛国平 副教授,机械制造装备设计,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,返回主页,退出,上一页,下一页,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、机床设计方法,三、机床设计步骤,上一页,下一页,退出,返回主页,返回本章,第二章 金属切削机床设计,（一）工艺范围（二）柔性（三）与物流系统的可亲性（四）刚度（五）精度（六）噪声（七）生产率和自动化（八）成本（九）生产周期（十）可靠性（十一）造型与色彩（十二）设计方法,退出,返回本节,机床设计应满足的基本要求
2、,返回主页,下一页,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,机床设计方法,返回主页,下一页,（一）机床设计正在向着“以系统为主的机床设计”方向发展，即在机床设计时要考虑它如何更好的适应FMS等先进制造系统的要求，例如要求具有时、空柔性，与物流的可亲性等等。,（二）机床设计方法是根据其设计类型而定。通用机床采用系列化设计方法。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变形设计类型。有些类型，如组合机床属组合设计类型。,（三）在创新设计类型中，机床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。,第二章 金属切削机床设计,（二）总体设计,退出,返回本节,机床设计内容及步骤,返回主页,进入下一节,（三）
3、结构设计,（一）确定结构原理方案,（六）定型设计,（五）机床整机综合评价,（四）工艺设计,创新设计方法,模块化设计方法,虚拟样机,实物样机,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,（一）,上一页,下一页,退出,返回主页,机床的运动学原理,机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置,返回本章,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,金属切削机床的基本功能是提供切削加工所必须的运动和动力。其基本工作原理是：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，并达到其精度要求。,工件表
4、面的形成方法,机床运动功能方案设计,2.2.2 机床的运动功能设计,几何表面的形成原理图示,1,2,a)平面,1,2,b)圆柱面,1,2,c)平面,1,2,d)圆锥面,1,母线,2,导线,发生线的形成图示,1,f,n,n,1,.,f,n1,n2,1,a),c),b),f,n1,n2,f,d),e),a)点刃车刀车外圆柱面 b)宽刃车刀车外圆柱面 c)砂轮磨外圆柱面 d)盘铣刀铣外圆柱面 e)滚齿加工,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,工件表面的形成方法,返回主页,下一页,几何表面的形成原理图示,发生线的形成图示,发生线的形成：1）轨迹法（描述法）2）成型法（仿形法）3）相切法（旋切法）
5、4）范成法（滚切法）,机床坐标系的规定标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。,2.3.2 机床运动功能方案设计,机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。,机床的坐标轴与运动方向,机床各坐标轴及其正方向的确定原则是：(1)先确定Z轴。以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴，若有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴，Z坐标则平行于该主轴
6、轴线。若没有主轴，则规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。如立式铣床，主轴箱的上、下或主轴本身的上、下即可定为Z轴，且是向上为正；若主轴不能上下动作，则工作台的上、下便为Z轴，此时工作台向下运动的方向定为正向。,机床的坐标轴与运动方向,(2)再确定X轴。X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。在工件旋转的机床(如车床、外圆磨床)上，X轴的运动方向是径向的，与横向导轨平行。刀具离开工件旋转中心的方向是正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平(如卧式铣床、镗床)，则沿刀具主轴后端向工件方向看，右手平伸出方向为X轴正向，若Z轴为垂直(如立式铣、镗床，钻床)，
7、则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出方向为X轴正向。,机床的坐标轴与运动方向,(3)最后确定Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。,机床坐标系示例(a)卧式车床；(b)立式铣床,机床的坐标轴与运动方向,车床坐标系,铣床坐标系,镗铣床坐标系,上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。但在实际机床加工时，有很多都是刀具相对不动，而工件相对于刀具移动实现进给运动的情况。此时，应在各轴字母后加上“”表示工件运动坐标系。按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X=X+Y=Y+Z=Z+A=A+B=B
8、+C=C,此外，如果在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其他轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R，如图所示。绕X、Y轴的 辅助回转轴用D、E等表示，与机床基准坐标系坐标方向不平行的斜置运动轴坐标系用加“”表示，如沿斜置坐标系的Z轴运动用 Z 表示。,多轴机床坐标系示例(a)卧式镗铣床；(b)六轴加工中心,机床的坐标轴与运动方向,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,运动功能图形符号,机床运动功能式与机床运动原理图,运动功能分配设计 确定运动功能式中“接地”的位置，用符号“”表示运动功能式左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成，称为运动
9、分配式。,传动原理图 为了便于研究机床的传动原理,用一些简明的符号把动力源、执行件之间的传动联系表示出来的示意图。并不表达实际传动机构的种类和数量。,机床运动功能分配与机床传动原理图,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,（二）,（三）,（四）,上一页,下一页,退出,返回主页,（五）,（六）,3、,1、,6、,5、,2、,4、,精度,运动精度,传动精度,定位精度,工作精度,几何精度,精度保持性,刚度,抗振性,热变形,噪声,返回本章,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、机床的运动功能设置,三、机床总体结构方案设计,上一页,下
10、一页,退出,返回主页,四、机床主要参数的设计,返回本章,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,2.3.1 机床系列型谱的制定,返回主页,下一页,中型卧式机床的简略系列型谱表,注：基型，变型,1.工艺分析2.选取坐标系2.写出机床运动功能式4.画出机床运动原理图(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,退出,返回本节,返回主页,下一页,运动功能图形符号,a),回转运动,b),直线运动,Zf,Ba,Ya,Cp,Cf,W/CfYaZfBaCp/T,2.3.2 机床运动功能设置,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,下一页,（一）运动功能分配设计,（二）结构布
11、局设计：立式、卧式、斜置式,2.3.3 机床总体结构方案设计,（三）机床总体结构的概略形状与尺寸设计,设计的主要依据是：机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的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。,评价的主要因素有：1）性能 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,退出,返回本节,返回主页,下一页,（一）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
12、动力参数。,机床主参数:代表机床规格大小既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。机床尺寸参数的确定，主要是确定影响机床加工性能的一些尺寸。其中包括机床的主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数。,机床的主参数是代表机床规格大小的一种参数，各类机床以什么尺寸作为主参数已有统一的规定。卧式车床是床身上工件的最大回转直径；齿轮加工机床是最大工件直径；外圆磨床和无心磨床是最大磨削直径；龙门刨、铣床，升降台铣床和矩形工作台平面磨床是工作台工作面宽度；卧式铣镗床是主轴直径；立式钻床和摇臂钻床是最大钻孔直径；牛头刨床和插床是最大刨削和插削长度也有的机床不用尺寸作为主参数，如拉床的主参数是额
13、定拉力等。,有的机床，一个主参数还不足以确定机床的规格，还需第二主参数加以补充：车床的第二主参数是最大工件长度；铣床和龙门刨床是工作台工作面长度；摇臂钻床是最大跨距等。此外，还要确定其他一些尺寸参数：车床常常还要确定在刀架上工件的最大回转直径和主轴孔允许通过的最大棒料直径等；龙门铣床还应确定横梁的最高和最低位置等；摇臂钻床还要确定主轴下端面到底座间的最大和最小距离，其中包括了摇臂的升降距离和主轴的最大伸出量等。当主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数确定后，就基本上确定了该机床所能加工或安装的最大工件的尺寸。机床的尺寸参数是根据零件尺寸确定的。,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页
14、,下一页,（二）运动参数,运动参数：机床执行件如主轴、工作安装部件（工作台、刀架）的运动速度。,主运动参数：(1)最低（nmin）和最高（nmax)转速的确定,(2)主轴转速数列呈等比级数规律分布，转数范围内 的转数相对均匀损失率为：,A=(n-nj)/n,产生的最大转速相对损失为：,A=(nj+1-nj)/nj+1=1-nj/nj+1,一、主运动参数回转主运动的机床，主运动参数是主轴转速。转速（r/min）与切削速度的关系是：式中：n 转速（r/min)；v 切削速度（m/min)；d 工件（或刀具）直径（mm）。主运动是直线运动的机床，如插床或刨床，主运动参数是每分钟的往复次数。对于不同的
15、机床，主运动参数有不同的要求。专用机床和组合机床是为某一特定工序而设计制造的，每根主轴一般只须有一个转速，根据最有利的切削速度和直径而定，故没有变速要求。通用机床是为适应多种零件加工而设计制造的，主轴需要变速。因此需确定它的变速范围，即最低与最高转速。如果采用分级变速，则还应确定转速级数。,1.最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定：,nmin和nmax的比值是变速范围：,在确定切削速度时应考虑到多种工艺的需要。切削速度主要与刀具和工件的材料有关。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷等。工件材料可以是钢、铸铁以及铜铝等有色金属。切削速度可通过切削试验、查切削用量手册和通过调查得到。在确
16、定了 nmax和 nmin后，如采用分级变速（大多数普通机床），则应进行转速分级；如采用变速电动机进行无级变速（大多数数控和重型机床），有时也需用分级变速机构来扩大其调速范围。,2.分级变速时的主轴转速数列：如某机床的分级变速机构共有 Z 级，其中 n1=nmin,nz=nmax,Z 级转速分别为：nl,n2,n3,，nj,nj+l,nz 如果加工某一工件所需要的最有利的切削速度为 v，则相应的转速为n。通常，分级变速机构不能恰好得到这个转速，而是 n 处于某两级转速 nj,nj+l之间：nj n nj+l如果采用较高的转速nj+l，必将提高切削速度，刀具的耐用度将要降低。为了不降低刀具耐用度
17、，以采用较低的转速 nj 为宜。这时转速的损失为 n-nj，相对转速损失率为：,最大的相对转速损失率是当所需的转速 n 趋近于nj+l时，也就是：在其他条件（直径、进给、切深）不变的情况下，转速的损失就反映了生产率的损失。对于普通机床，如果认为每个转速的使用机会都相等，那么应使 Amax为一定值，即：从这里可看出，任意两级转速之间的关系应为：n j十1=nj,最大相对转速损失率为：变速范围为：,机床的转速应该按等比数列（几何级数）分级。其公比为，各级转速应为,例：有一台车床，主轴转速（r/min）共12级，分别为：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、10
18、00、1400，公比为=1.41，则最大相对转速损失率：变速范围：等比数列同样适用子直线往复主运动（刨床、插床）的往复次数数列、进给数列以及尺寸和功率参数系列。,大部分机床的进给量用工件或刀具每转的位移表示，即单位为mm/r，如车床、钻床、镗床及滚齿机等。直线往复运动的机床，如刨、插床，以每一往复的位移表示。铣床和磨床；由于使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移量表示，即单位为 r/min。,二、进给运动参数,数控机床和重型机床的进给为无级调整；普通机床多采用分级调整。如进给链为外联系传动链，为使相对损失为一定值，则进给量的数列也应取等比数列。有的往复主运动机床，例如刨床和插床，进给运动是间
19、歇的，为使进给机构简单，采用了棘轮机构，进给量由每次往复转过的齿数而定，则是等差数列。供大量生产用的自动和半自动车床，常用交换齿轮来调整进给量。这时可以不按一定的规则，而用交换齿轮选择最有利的进给量。卧式车床因为要车螺纹，进给箱的分级应根据螺纹标准而定。螺纹标准不是一个等比数列，而是一个分段的等差数列。,三、标准公比和标准数列,机床转速是从小到大递增的，因此 1。为使最大相对转速损失率不超过 50%，即 则，2，因此1 2。为方便起见，规定了公比的标准值：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,2。当采用标准公比后，转速数列可从表2-5中直接查出。表中给出了以 1.06 为公比的从
20、1-15000 的数值。1.12=1.062,1.26=1.064,1.41=1.066,1.58=1.068,2=1.0612。,四、公比的选用 当确定了最高与最低转速以后，就应选取公比。从使用性能方面考虑，公比最好选得小一些，以便减少相对转速损失。但公比越小，级数就越多，将使机床的结构复杂。对于一般生产率要求较高的普通机床，减少相对转速损失是主要的，所以公比取得较小，如=1.26 或1.41等。有些小型机床希望简化构造，公比可取得大些，如1.58或=2等。对于自动机床，减少相对转速损失率的要求更高，常取1.12 或1.26。由于自动机床都是用于成批或大量生产，变速时间分摊到每一工件，与加工
21、时间相比是很小的，因此采用交换齿轮变速，既满足了相对转速损失小的要求又简化了构造。,第二章 金属切削机床设计,退出,返回本节,返回主页,进入下一节,2.3.4 机床主要参数的设计,（三）动力参数（1）主电动机功率的确定（2）进给驱动电动机功率的确定（3）快速运动电动机功率的确定,动力参数包括电动机的功率，液压缸的牵引力，液压马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。各传动件的参数（轴或丝杠的直径、齿轮与蜗轮的模数等）都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数定得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。金属切削机床实
22、例课外资料,一、主运动功率的确定,机床主运动的功率，包括切削功率、空转功率损失和附加机械摩擦损失三部分。切削功率的确定：进行切削加工时，要消耗切削功率P切。它与刀具材料、工件材料和所选用的切削用量的大小有关。如果是专用机床，则工作条件比较固定，也就是刀具与工件的材料和切削用量的变化范围较小。这时计算值也比较接近实际情况。若是普通机床，则刀具与工件的材料和切削用量的变化都相当大。通常，可根据机床检验时所要求的重负荷切削条件来确定。,空载功率的确定：机床主运动空转时，要消耗电动机的一部分功率，这部分消耗称为空转功率损失，用P空（kw）表示。机床的空转功率损失只随主轴和其他各轴转速的变化而改变。引起
23、空转损失的主要因素是：各传动件在空转时的摩擦，由于加工和装配误差而加大的摩擦以及搅油，空气阻力和其他动载荷等。中型机床主传动链的空转功率损失可用下列的试验公式进行估算：,da 主运动链中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径。如果 主运动链的结构尺寸尚未确定，初步按电动机功率P选取：d 主 主轴前后轴颈的平均值（mm);ni 当主轴转速为n主时，传动链内除主轴外各传动轴的转 速之和。如传动链内有不传递载荷但也随之作空运转 的轴时，这些轴的转速也应计入（r/min);n主 主轴转速（r/min);kl 润滑油粘度影响的修正系数。N46 号机械油，kl=1；N32号机械油，kl=0.9；N15 号机械油
24、，kl=0.75;K2 系数。主轴用两支承的滚动轴承或滑动轴承，k28.5；三支承滚动轴承，k2=10,附加机械摩擦损失功率的确定：机床在切削时，齿轮、轴承等零件上的正压力加大了，功率的损耗也加大了。比P空多出来的那部分功率损耗，称为附加机械摩擦损失功率P机。切削功率越大，这部分损失也越大。综上所述，主电动机功率（kw）为：式中l、2、3 主运动链中各传动副的机械效率。,主运动电机功率的计算：,二、进给运动功率的确定,在进给运动与主运动共用一个电动机的普通机床上，如卧式车床和钻床，由于进给运动所消耗的功率与主运动相比是很小的，因此可以忽略进给所需的功率。在进给运动与空行程运动共用一个电动机的机
25、床上，如升降台铣床，也不必单独考虑进给所需的功率，因为使升降台快速上升所需的空行程运动功率比进给运动的功率大得多。进给运动采用单独的普通电动机的机床，如升降台铣床和龙门铣床，以及用液压缸驱动进给的机床，如仿形车床、多刀半自动车床和组合机床等，都需要确定进给运动所需的功率。通常用参考同类型机床和计算相结合的办法确定。注意比较传动链的长短和低效率传动副（丝杠螺母、蜗杆蜗轮）的数量。进给传动链的机械效率，s会低至。,进给功率（kw）可根据进给牵引力FQ（N)，进给速度vs(m/min）和机械效率s计算滑动导轨进给牵引力FQ的估算公式如下：三角形或三角形与矩形综合导轨：矩形导轨：燕尾形导轨：钻床主轴：
26、,式中：G 移动部件的重力（N），G=mg;Fx、FY、Fz切削力的三向分力。其中 Fz 沿导轨的纵向（N)，见图 7-2。f 当量摩擦系数；f一钻床主轴套筒上的摩擦系数；k 考虑颠覆力矩影响的系数；d 主轴直径（mm);T 主轴上的转矩（Nmm）,导轨上的作用力,三、空行程功率的确定空行程功率的确定应参考同类型机床，辅之以计算，最好再经试验验证。快速（空）行程电动机往往是满载起动，移动件较重，加速度也较大，因此计算时必须考虑惯性力。各运动件在电机轴上的当量转动惯量（kgm2），可根据动能守恒定理，由式决定：,式中：Jk 旋转件的转动惯量（kgm2）k 各旋转件的角速度（rad/s);mi 直线运动件的质量（kg）;vi 直线运动件的速度（m/s);电动机的角速度（rad/s）。,表1 机床部件空行程速度和功率,谢谢使用，再见！,返回主页,
