第三章机床主要参数的确定2009

2、克服移动件质量和摩擦力所需的功率
⎧(mg + f ' F )v60000η
⎪ f ' mgv
⎪⎩ 60000η
升降运动 水平运动
m ——移动部件的质量(Kg)； g ——重力加速度；
F ——由于重心与升降机构不同心而引起的导轨上的挤压力(N)；
f ' ——当量摩擦系数；
v ——移动速度(m/min)。
YC3180(滚齿机），80—表示能加工的最大工件直径是800 mm; 外圆磨床和无心磨床——最大磨削直径； 立式钻床和摇臂钻床——最大钻孔直径； 牛头刨床和插床——最大刨削和插削长度； 拉床——额定拉力。
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二、第二参数
当主参数不足以确定机床的规格时，用它加以补充。 如，车床——最大工件长度；
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，是根据零件的尺寸确定的。
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3 .2 运动参数
指机床执行件的运动速度。
一、主运动参数
主运动——回转运动 主运动参数——主轴转速 转速和切削速度的关系是：
P切 ， P机
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空转功率损失的试验公式：
其中 da
∑ni
d主
∑ P空
=
k1 106
(3.5d a
ni + k2d主n主）
除主轴外，主运动链中所有传动轴轴颈的平均值； 当主轴转速为 n主 时，其他各轴转速之和； 主轴前后轴颈的平均值(mm)；
n主
主轴转速(rpm);
k2
主轴支承修正系数，两支承 k2 = 8.5，三支承 k2 = 10
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三、标准公比和标准数列
1、公比的范围
∵ 机床转速是从小到大递增的
∴ ϕ >1
为了使最大相对转速损失率不超过50%，则：
Amax
=
ϕ − 1 ×100% ϕ
≤
50%
∴ ϕ≤2
∴ 1<ϕ ≤ 2
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2、标准公比和标准数列
为了简化机床的设计与使用，规定了几个公比的标准值如下：
3.3 动力参数
指主运动、进给运动和辅助运动的动力消耗。 动力参数主要由机床的切削载荷和驱动的工件重量决定。
机床各传动件的尺寸参数是根据动力参数确定的，
若动力参数过大
机床笨重，浪费材料和电力；
若动力参数过小
影响机床性能。
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确定方法：调查、试验为主，计算为辅
专用机床 通用机床
相对转速损失率为：
A= n−nj n
最大相对转速损失率为： Amax
= lim n − n j n n→n j+1
= n j+1 − n j n j+1
=1− nj n j+1
若每个转速的使用机会相等，则
Amax
=1−
nj n j+1
=
const
任意两级转速之间的关系应为：
n j+1 = n jϕ
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∑ ∑ J =
k
Jk
( ωk ω
)2
+
i
mt
(
vi
ω
)2
其中
J k ——各旋转件的转动惯量(Kg·m2 ) ；
ωk ——各旋转件的角速度(rad/s)；
mt ——各直线运动件的质量(Kg)；
vi ——各直线运动件的速度(m/s)；
ω ——电动机的角速度(rad/s)。
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×100%
Rn
= nmax n min
= n1ϕ z−1
n1
= ϕ z−1
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例: 一台车床，主轴转速(r／min)共l 2级，分别为31.5、45、 63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400，公 比：
ϕ = 1.41
则最大相对转速损失率：
则， dmax=(0.5~0.6)Dmax;
dmin=(0.2~0.25)Dmax; 摇臂钻床， Dmax——最大钻孔直径，
则， dmax=Dmax;
dmin=(0.2~0.25)Dmax;
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总结：由于v, d随加工情况不同，变化范围大，所以应该使变速范围
Rn足够大。一旦v, d选定，nmin,nmax即可定出，Rn就确定了.
变速范围为：
Amax
=
1.41 − 1 ×100% 1.41
=
29%
Rn = 1.4112−1 = 1.4111 ≈ 45
等比数列同样适用于直线往复主运动(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。
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二、进给运动参数
有三种表示方法： 1）工件或刀具每转的位移，单位为mm／r，如车、钻及滚齿
1.58。
１）生产率要求较高的普通机床，要减少相对转速损失，取较小 的公比，如1.26或1.41；
２）非自动化小型机床，辅助时间相对较长，转速损失的影响不 很大，为简化机床构造，公比可取大一些，如1.58或2；
３）自动机床，减少相对转速损失率的要求更高，取公比1.12或 1.26。
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二、进給运动功率的确定
1、进給运动与主运动共用电动机。进給运动所需功率远小 于与主运动，可忽略不计。
2、进給运动与快速移动共用电动机，因快移所需功率远大 于进給运动，可只考虑快移所需功率或转矩。
3、进給运动采用单独电动机。则进給运动的功率可按下式 估算：
Ps
=
FQvs
60000ηs
Ps ——进給电动机功率（Kw）；
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1、克服惯性所需要的功率
P1
=
Ta n
9550η
Ta ——克服惯性的转矩（N·m);
n ——电动机转速 (r/min);
η ——传动系统的机械效率。
其中
Ta
=
J
ω
ta
J ——传动件折算到电动机主轴上的当量转动惯量（Kg·m2);
ω ——电动机的角速度 (rad/s);
ta ——电动机的启动时间（s）。
k1
润滑油粘度影响系数，32＃ k1 = 0.9 ， 46＃ k1 = 1 。
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主电动机功率又可写为：
P主
=
P切
+
P空
+
P机
=
P切
η机
+
P空
其中
η机 = η1η2η3 Κ
η i ——主运动链中各传动副的机械效率
一般，在决定主电动机功率时， 主传动结构方案尚未确定，可用 下式估算：
n1, n2, n3, …, nj, nj+1, …, 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，
nj<n<nj+1
1) 选nj, 则出现n-nj的转速损失，生产率降低； 2)选nj+1,则刀具磨损较快，不经济。
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为了不降低刀具耐用度，一般采用较低的转速nj, 则
根据特定工序的切削用量计算确定； 根据机床检验时所要求的重负荷切削条件来确定。
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一、主运动功率的确定
P主 = P空 + P切 + P机
P主
机床主运动功率(Kw)
P空
空转功率损失(Kw)
传动件 ，转速 ，轴承的预紧力 ，装配质量 ， P空
P切
切削功率(Kw)
P机
附加机械摩擦损失功率(Kw)
变速的实现方法：
无级变速——直流、交流伺服电动机（数控机床、重型机床）； 分级变速——传动机构（普通机床、数控机床）。
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2、分级变速时的主轴转速数列
从nmin
nmax, 各级转速广泛使用等比数列的排列规律。
设某机床共有Z级转速，其中n1＝nmin，nz＝nmax， Z级转速分别 为：
FQ ——进給牵引力（N）；
vηss
——进給速度（m/min）； ——进給传动系统的机械效率。
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FQ 牵引力的计算：
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
FQ = kFZ + f ' (FY + G)
FQ = kFZ + f ' (FX + FY + G)
标准公比值的制定原则是：
（1）限制最大相对速度损失Amax≤50％，因此1<Φ≤2 ； （2）公比选为2的某次方根后，便于采用转速成倍数关系的双速电动机。另外
，便于记忆和写出等比数列。如公比为1.41时，在数列中每隔一级就出 现2倍关系。如n1=10r/min，数列为：10, 14, 20, 28, 40,….； （3） 因为通常计数采用10进位，公比采用10的某次方根后，在数列中每隔几 级就出现10倍关系。
机等； 2）每往复一次的位移，单位为mm/往复行程，用于直线往复
运动的机床，如刨、插床； 3）每分钟的位移量，单位为mm／min，多刃刀具，如铣床
和磨床等
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进给量的调整： 无级调整——数控机床、重型机床 有级调整——普通机床
进给量数列的排列规律： 1）进给量的数列通常取等比数列； 2）刨床、插床，进给运动是间歇的，进给机构采用棘轮机构，进 给量按等差数列排列； 3）用于大批量生产的自动和半自动机床，采用交换齿轮来选择最 有利的进给量； 4）普通车床，进给箱进给量是分段等差数列。
第三章 机床主要参数的确定
机床主要参数包括 尺寸参数 运动参数 动力参数
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3 .1 尺寸参数
尺寸参数是影响机床加工性能的一些尺寸，包括机床的主参数、第二 参数和其他参数。
一、主参数
代表机床规格大小。 如，卧式车床——床身上工件的最大回转直径，
CA6140，40—表示床身上工件的最大回转直径是400mm； 齿轮加工机床——工件最大直径，
FQ = kFZ + f ' (FY + 2FX + G)
FQ
= (1 + 0.5 f
)FZ
+
f
2T d
≈
FZ
+
f
2T d
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三、空行程功率的确定
快速移动电动机启动时，要克服移动部件的惯性力和摩 擦力，即
P空 = P1 + P2
P空 ——快移电动机功率（Kw）； P1 ——克服惯性力所需功率（Kw）； P2 ——克服摩擦力所需功率（Kw）。
n = 1000 v
πd
其中，n——转速(r/min); v——切削速度(m/min); d——工件或刀具直径(mm)。
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主运动——直线运动 主运动参数——主运动执行件每分钟的往复次数。
专用机床——主轴转速固定，根据最有利的切削速度和直径而定。 通用机床——主轴需要变速，需要确定机床的变速范围。
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1、最低和最高转速的确定
nmin
=
1000vmin
πd max
定义变速范围
Rn
=
nmax nmin
nmax
=
1000vmax
πd min
v——与刀具和工件材料有关，可通过切削试验或查切削用量手册得到。
d——变化范围大，采用vmax(vmin)时常用的dmin(dmax) 如，车外圆， Dmax——床身上工件的最大回转直径，
P主
=
P切 max
η总
η总 = 0.65 → 0.8
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提高机床效率的方法：
1、提高机械传动效率，可采用传动效率高的传动元件。 2、使空载功率下降，可采用：
¾ ∑ni ， 要求传动链短；
¾使中间轴转速下降； ¾提高装配、制造精度； ¾采用低粘度的润滑油。
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或 n j = const = 1
n j+1
ϕ
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各级转速为：
n1 = nmin
n2 = n1ϕ n3 = n2ϕ = n1ϕ 2
Μ
n z = n z−1ϕ = n1ϕ z−1 = nmax
最大相对转速损失率为：
变速范围为：
Amax
=
⎜⎜⎝⎛1 −
1
ϕ
⎟⎟⎠⎞ ×100%
=
ϕ −1 ϕ
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公比为1.06的标准转速数列如表所示：
如车床，nmin=12.5, nmax=2000r/min, ϕ = 1.26 查表，
１）先找12.5；
２）每隔３个数取一个值，得数列12.5, 16, 20, …, 2000共23级。
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四、公比的选用
针对不同的机床选用不同的公比 ϕ ，一般常用1.26, 1.41,
铣床和龙门刨床——工作台工作面长度； 摇臂钻床——主轴的最大跨距，即主轴中心到立柱母线的
距离。
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三、其他尺寸参数
普通车床——在刀架上工件的最大回转直径; 主轴孔允许通过的最大棒料直径等；
龙门铣床——横梁的最高和最低位置等； 摇臂钻床——主轴下端面到底座间的最大和最小距离，其中包
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注意：
P空 = P1 + P2
1、 P1 仅存在于启动过程中，当电动机正常运行时即消失。
2、交流异步电动机的起动转矩约为满载时额定转矩的1.6--1.8 倍，工作时又允许短时间超载，最大转矩可为额定转矩的 1.8—2.2倍，快速行程的时间又很短。因此，可根据计算 出来的P和电动机转矩M计算起动转矩，并据此来选择电 动机，使电动机的起动转矩大于计算出来的起动转矩就可 以了。