机械制造装备设计(第一章)
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1、工艺范围
机床适应不同生产要求的能力。包括： 工序种类 被加工零件的类型 材料和尺寸范围 毛坯的种类 适应的生产规模
专用机床：工艺范围窄→结构简单、自动化程度高。
普通机床：工艺范围宽→结构复杂、自动化程度低。
2、加工精度和精度保持性
加工精度：被加工零件在形状、位置、尺寸的准确 度以及表面的粗糙程度。 精度等级：普通级、精密级、高精度级和超精密级。 基本组成： 几何精度－机床在不运动或空载低速运动时的精度， 是评价机床质量的基本指标。 传动精度－内联系传动链两末端件执行相对运动时 的精度。
2、分级变速时的主轴转速数列
主轴转速的最佳选择：无级变速。
现状：绝大部分普通机床的主轴变速采用分级变速装置。
如：X6132铣床主轴共有 Z=18级转速
n1＝30 n2＝37.5 n3＝47.5 n4＝60 n10＝236 n11＝300 n12＝375 n13＝475 n11＝ n10
n14＝ 4n10
② 可简化变速传动系统
Rn＝ Z－1
Z＝p1×p 2……p n
（1-6）
式中 Z —主轴转速级数；
pn — 第n个滑移齿轮变速组的传动副数。
从机床结构复杂程度来看：在Rn相同的情况下
公比 ↑ Z↓ P或n ↓ 机床结构 复杂性↓
3、标准公比
表1-1 标准公比
从表中可以看到： 1）标准公比都是在1＜ ≤2之间；
（1-3）
K —系数，根据对现有机床使用情况的调查来
确定，如摇臂钻床K＝1，普通车床K＝0.5； Rd — 计算直径范围(Rd＝0.2～0.25)。
vmax、vmin的确定
刀具材料
影响因素
工件材料 进给量 切削试验
确定方法
查切削用量手册 生产调查
实例：400mm普通车床nmax和nmin的确定
第一章 金属切削机床的总体设计
§1-1 机床的基本要求 §1-2 金属切削机床的设计步骤 §1-3 机床工艺方案拟定 §1-4 机床的总体布局
§1-5 主要技术参数的确定
本章基本要求与重点：
1、了解机床设计的要求、步骤；
2、了解机床工艺方案的拟定及总体布局； 3、理解机床的Baidu Nhomakorabea要技术参数、各参数的定义；
以及各部件的相对位置。
尺寸参数 运动参数 动力参数。
4、确定主要技术参数
传动原理图 主要部件的结构草图 输出 结果
液压系统原理图
电气原理图 操纵控制系统原理图
二、技术设计
传动系统图 部件装配图 输出 结果
三、零件设计及资料编写
零件图 输出 结果 修改部件装配图 修改总图 技术文档
电气系统安装接线图 液压系统装配图 控制操作系统装配图 总装配图
3）其它尺寸参数：刀架最大回转直径 210mm，
主轴内孔直径 48mm。
这些是与被加工零件尺寸有关的参数。
⑵
运动参数
1）主运动速度：10～1400 r/min 24级
2）进给运动速度：0.028～6.33mm/r，
横、纵进给各64级 3）快移速度： 4m/min ⑶ 动力参数
1）主电机功率：7.5KW（与进给电机共用） 2）快移电机功率：370W
2）标准公比是2的E2次方根，其数列每隔N项增大或缩 小2倍（便于采用双速电动机 ）； 3）标准公比是10的E1次方根，便于设计和使用机床。
表1-2 标准公比之间的关系
1.06 1.12 1.26 1.41 1.58 1.78 2
1.062 1.064 1.066 1.068 1.0610 1.0612 1.122 1.123 1.124 1.125 1.126
确定转速级数
通用机床主轴转速的确定： 1、nmax和nmin的确定 1）调查和分析所设计机床可能进行的工序； 2）选择要求最高与最低转速的典型工序； 3）按照典型工序的切削速度和刀具或工件直
径来计算主轴的nmax、nmin和变速范围Rn。
nmax
计 算 公 式
1000 vmax d min
② nmin的计算
nmin
1000 vmin d max
据分析，下列两道工序所要求的主轴转速中较低 的一个为主轴最低转速。
刀具 材料 Ⅰ 高速钢 工件 材料 铸铁 零件 形状 盘类 工 序 粗车 端面 dmax vmin 15 nmin 24 (mm) (m/min) (r.p.m)
Ⅱ 高速钢
合金 钢材
圆棒料
粗车梯 形螺纹
40
1.5
11.9
根据上表的计算结果，应该选择： nmin＝11.9（r.p.m）
③ nmax、 nmin的确定
根据上述计算以及调查、比较的结果，并考虑有一
定的技术储备，确定主轴的转速为：
nmax＝1600（r/min） nmin＝10（r/min）
Rn＝160
一、尺寸参数
定义：影响机床加工性能的一些尺寸，包括： 1、主参数－代表机床规格的大小。 由GB/T 15375-1994《金属切削机床型号编 制方法》统一规定，每种机床的主参数按等 比数列排列。 2、第二主参数－补充确定机床的规格。 3、其它一些尺寸参数－与机床上被加工工件尺 寸 有关。
二、运动参数
定义：机床运动执行件，如主轴、工作台或刀架的转
速或运动速度。 常用运动参数如下： 主运动 进给运动 辅助运动
旋转 主轴转速(r.p.m) 转台或头架进 给量（r.p.m） 运动
工作台或滑枕 工作台或刀架 直线 进给量 的双行程数
运动
（双行程数/ min）
（ r/min、mm/min）
工作台或刀 架的快移速 度（m/min）
nmin
1000 vmin d max
（1-2）
nmax Rn nmin
式中，dmax或dmin并不是指机床上可能加工的最 大或最小直径，而是指常用的经济的最大或 最小加工直径。
dmax、dmin的确定
d max K D d min Rd d max
式中，D — 可能加工的最大直径(mm)；
—
1.262 —
— —
1.263 1.412
附表：公比＝1.06的标准数列 1.0 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.12 2.24 2.36 2.5 2.65 2.8 3 3.15 3.35 3.55 3.75 4.0 4.25 4.5 4.75 5.0 5.3
⑴ 主轴转速等比数列特点
① 转速范围内的最大转速相对损失均匀
Amax lim n nj nj n j 1 n j n j 1 1 nj n j 1 1 1 100% （1-5）
n n j 1
从生产率的角度来看：
公比 ↑ 转速相对损失A↑ 生产率↓
四、样机试制和鉴定
§1-3 机床工艺方案的拟定
加工方法
主要内容
刀具类型
工艺基准
夹紧方式
通 用 机 床 专 用 机 床
工艺方案可参照已有的成熟工艺来设计。在传
统工艺基础上，扩大工艺范围，以增加机床的
功能和适应新工艺发展的需求。 工艺方案的拟定，通常根据特定工件的具体加 工要求，确定出多种工艺方案，通过方案比较 加以确定。
单臂式支承
龙门式支承
卧 式 机 床
立 式 机 床
卧式支承 “—”
立 式 支 承 “|”
单 臂 支 承 “ ⊏”
龙 门 式 支 承 “□”
§1-5 主要技术参数的确定
尺寸参数 机床主要技术参数
运动参数
动力参数
例：CA6140型普通车床的主要技术参数 ⑴ 尺寸参数
1）主参数：工件最大回转直径400mm； 2）第二参数：最大工件长度1000mm；
n18＝ 17n1
n5＝75
n6＝95
n14＝600
n15＝750
nmax＝ 17nmin
Rn＝nmax/nmin ＝ Z－1
（1-4）
n7＝118
n8＝150 n9＝190
n16＝950
n17＝1180 n18＝1500
结论：主轴转速数列是按等比级数排列的等比数 列，其公比用符号 表示。
维修困难
专用机床 组合机床(刚性)自动线 数控机床(NC) 加工中心（MC） 工厂自动化(FA)
措施： 大批量生产
单件小批量生产
柔性制造单元/系统(FMC/ FMS ）
5、可靠性
机床在规定使用期间内其功能的稳定程度和性质。
无故障性 － 机床在使用过程中不易发生故障。
维修性 － 机床发生故障后容易维修。
应视工件的形状而定。
铣 床 的 几 种 布 局
二、选择传动形式和支承形式
1、传动形式 交流电动机 驱动电动机 直流电动机 机械传动 主运动传动 液压无级传动 电主轴 机械传动 进给运动传动 液压无级传动 直线电机
卧式
2、机床形式－机床主运动执行件的状态。
立式
卧式支承
立式支承
3、支承形式－指支承件的形状。
运动精度－机床在额定负载下运动时的主要零部件
的几何位置精度。
定位精度－机床工作零部件运动终了时所达到的位 置准确性和机床的调整精度。
精度保持性：机床保持其原始加工精度的能力。
机床精度
机床刚度
影响因素 机床抗振性 残余应力引起的变形 热变形 磨损
3、生产率
生产率：单位时间内机床所能加工出的工件数量， 它受到生产纲领的制约。
二、经济效益
制造部门 设计费用 制造费用
措施 机床的金属消耗量小
机床结构工艺性好
零件数量少
使用部门
机床的加工效率 机床的可靠性
三、 人机关系
研究对象：“人-机械-环境”的综合体。 目的：通过对人体尺度、生理特点和心理要求的研 究，为操纵人员提供高效、安全方便的劳动条件，
发挥人机最高工作效能。
设计时的考虑因素： 机床的造型和色彩； 操纵控制机构应适应操作者的生理特点； 避免和减少对环境的污染，特别是噪声污染；
安全防护、冷却、排屑及照明等。
§1-2 金属切削机床的设计步骤
一、总体设计
1、调研→掌握机床设计依据。 2、工艺方案的拟定→确定零件的加工方法，以及 获得零件表面所需的运动。 3、总体布局 →确定刀具和工件之间的相对运动，
§1-4 机床的总体布局
基本要求：
保证工艺方案中所要求的工件和刀具之间的相对
运动和相对位置。 保证机床具有与所要求的加工精度和表面质量相 适应的刚度、抗振性和热变形特性。 使用方便（便于操作、调整、修理机床；便于输 送、装卸工件、排除切屑），造型美观且经济效 益高。
步骤：
1、分配机床的运动
4、掌握运动参数和动力参数的确定方法。
本章难点：机床主轴转速的确定。
§1-1 机床的基本要求
机床种类繁多，如何来衡量一台机床的好坏？ 质量好 工艺性好 制造部门 结构简单 使用部门 重量轻 效率高 操作维护方便 价格低廉
技术先进 →性能（技术）指标
基本要求
经济合理 →经济效益
使用宜人 →人机关系
一、性能（技术）指标
主运动为旋转运动的机床－其运动参数是主轴 转速，它同切削速度的关系是：
1000 v n d
式中 v —切削速度(m/min)； n —主轴转速(r.p.m)； d —工件或刀具的直径(mm)。
（1-1）
专用机床： 加工特定工件 的特定工序
通用机床： 工艺范围较广
主轴需要不同的转速 主轴只需一种 固定的转速n 分级 变速 主轴的变速范围 最高、最低转速
5.6 6
10 18 31.5 56 10.6 19 33.5 60
① nmax的计算 nmax
1000 vmax d min
据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材，半精车外 圆时，主轴n最高，按经验并参考切削用量手册。 取 vmax＝200m/min，k＝0.5，Rd＝0.25 则 dmax＝K×D＝0.5×400＝200(mm) dmin ＝Rd×dmax＝50 (mm) nmax＝1273(r.p.m)
2、选择传动形式和支承形式
3、安排操作部位（自学） 4、提高动刚度的措施（自学） 5、造型设计（自学）
一、机床的运动分配
基本原则： 将运动分配给质量小的零部件；
运动件质量小→惯性小→驱动力小→传动机构体 积小→成本低。
应有利于提高工件的加工精度；
如：深孔钻削。
应有利于提高运动部件的刚度；
运动应分配给刚度高的部件，可减少变形。
公式： Q＝1/T总＝1/(T切＋T辅＋T准/n)
提高生产率的方法：缩短T切、T辅和T准/n
提高切削用量 ↓T切
采用多刀加工
机械化
自动化 ↓T辅和T准/n
采用多件加工
采用多工位加工
快速装夹
快速换刀
4、自动化程度
操作方便 控制系统较复杂
优点
生产率高
人为影响少
质量稳定
缺点
机床构造较复杂
制造成本高
机床适应不同生产要求的能力。包括： 工序种类 被加工零件的类型 材料和尺寸范围 毛坯的种类 适应的生产规模
专用机床：工艺范围窄→结构简单、自动化程度高。
普通机床：工艺范围宽→结构复杂、自动化程度低。
2、加工精度和精度保持性
加工精度：被加工零件在形状、位置、尺寸的准确 度以及表面的粗糙程度。 精度等级：普通级、精密级、高精度级和超精密级。 基本组成： 几何精度－机床在不运动或空载低速运动时的精度， 是评价机床质量的基本指标。 传动精度－内联系传动链两末端件执行相对运动时 的精度。
2、分级变速时的主轴转速数列
主轴转速的最佳选择：无级变速。
现状：绝大部分普通机床的主轴变速采用分级变速装置。
如：X6132铣床主轴共有 Z=18级转速
n1＝30 n2＝37.5 n3＝47.5 n4＝60 n10＝236 n11＝300 n12＝375 n13＝475 n11＝ n10
n14＝ 4n10
② 可简化变速传动系统
Rn＝ Z－1
Z＝p1×p 2……p n
（1-6）
式中 Z —主轴转速级数；
pn — 第n个滑移齿轮变速组的传动副数。
从机床结构复杂程度来看：在Rn相同的情况下
公比 ↑ Z↓ P或n ↓ 机床结构 复杂性↓
3、标准公比
表1-1 标准公比
从表中可以看到： 1）标准公比都是在1＜ ≤2之间；
（1-3）
K —系数，根据对现有机床使用情况的调查来
确定，如摇臂钻床K＝1，普通车床K＝0.5； Rd — 计算直径范围(Rd＝0.2～0.25)。
vmax、vmin的确定
刀具材料
影响因素
工件材料 进给量 切削试验
确定方法
查切削用量手册 生产调查
实例：400mm普通车床nmax和nmin的确定
第一章 金属切削机床的总体设计
§1-1 机床的基本要求 §1-2 金属切削机床的设计步骤 §1-3 机床工艺方案拟定 §1-4 机床的总体布局
§1-5 主要技术参数的确定
本章基本要求与重点：
1、了解机床设计的要求、步骤；
2、了解机床工艺方案的拟定及总体布局； 3、理解机床的Baidu Nhomakorabea要技术参数、各参数的定义；
以及各部件的相对位置。
尺寸参数 运动参数 动力参数。
4、确定主要技术参数
传动原理图 主要部件的结构草图 输出 结果
液压系统原理图
电气原理图 操纵控制系统原理图
二、技术设计
传动系统图 部件装配图 输出 结果
三、零件设计及资料编写
零件图 输出 结果 修改部件装配图 修改总图 技术文档
电气系统安装接线图 液压系统装配图 控制操作系统装配图 总装配图
3）其它尺寸参数：刀架最大回转直径 210mm，
主轴内孔直径 48mm。
这些是与被加工零件尺寸有关的参数。
⑵
运动参数
1）主运动速度：10～1400 r/min 24级
2）进给运动速度：0.028～6.33mm/r，
横、纵进给各64级 3）快移速度： 4m/min ⑶ 动力参数
1）主电机功率：7.5KW（与进给电机共用） 2）快移电机功率：370W
2）标准公比是2的E2次方根，其数列每隔N项增大或缩 小2倍（便于采用双速电动机 ）； 3）标准公比是10的E1次方根，便于设计和使用机床。
表1-2 标准公比之间的关系
1.06 1.12 1.26 1.41 1.58 1.78 2
1.062 1.064 1.066 1.068 1.0610 1.0612 1.122 1.123 1.124 1.125 1.126
确定转速级数
通用机床主轴转速的确定： 1、nmax和nmin的确定 1）调查和分析所设计机床可能进行的工序； 2）选择要求最高与最低转速的典型工序； 3）按照典型工序的切削速度和刀具或工件直
径来计算主轴的nmax、nmin和变速范围Rn。
nmax
计 算 公 式
1000 vmax d min
② nmin的计算
nmin
1000 vmin d max
据分析，下列两道工序所要求的主轴转速中较低 的一个为主轴最低转速。
刀具 材料 Ⅰ 高速钢 工件 材料 铸铁 零件 形状 盘类 工 序 粗车 端面 dmax vmin 15 nmin 24 (mm) (m/min) (r.p.m)
Ⅱ 高速钢
合金 钢材
圆棒料
粗车梯 形螺纹
40
1.5
11.9
根据上表的计算结果，应该选择： nmin＝11.9（r.p.m）
③ nmax、 nmin的确定
根据上述计算以及调查、比较的结果，并考虑有一
定的技术储备，确定主轴的转速为：
nmax＝1600（r/min） nmin＝10（r/min）
Rn＝160
一、尺寸参数
定义：影响机床加工性能的一些尺寸，包括： 1、主参数－代表机床规格的大小。 由GB/T 15375-1994《金属切削机床型号编 制方法》统一规定，每种机床的主参数按等 比数列排列。 2、第二主参数－补充确定机床的规格。 3、其它一些尺寸参数－与机床上被加工工件尺 寸 有关。
二、运动参数
定义：机床运动执行件，如主轴、工作台或刀架的转
速或运动速度。 常用运动参数如下： 主运动 进给运动 辅助运动
旋转 主轴转速(r.p.m) 转台或头架进 给量（r.p.m） 运动
工作台或滑枕 工作台或刀架 直线 进给量 的双行程数
运动
（双行程数/ min）
（ r/min、mm/min）
工作台或刀 架的快移速 度（m/min）
nmin
1000 vmin d max
（1-2）
nmax Rn nmin
式中，dmax或dmin并不是指机床上可能加工的最 大或最小直径，而是指常用的经济的最大或 最小加工直径。
dmax、dmin的确定
d max K D d min Rd d max
式中，D — 可能加工的最大直径(mm)；
—
1.262 —
— —
1.263 1.412
附表：公比＝1.06的标准数列 1.0 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.12 2.24 2.36 2.5 2.65 2.8 3 3.15 3.35 3.55 3.75 4.0 4.25 4.5 4.75 5.0 5.3
⑴ 主轴转速等比数列特点
① 转速范围内的最大转速相对损失均匀
Amax lim n nj nj n j 1 n j n j 1 1 nj n j 1 1 1 100% （1-5）
n n j 1
从生产率的角度来看：
公比 ↑ 转速相对损失A↑ 生产率↓
四、样机试制和鉴定
§1-3 机床工艺方案的拟定
加工方法
主要内容
刀具类型
工艺基准
夹紧方式
通 用 机 床 专 用 机 床
工艺方案可参照已有的成熟工艺来设计。在传
统工艺基础上，扩大工艺范围，以增加机床的
功能和适应新工艺发展的需求。 工艺方案的拟定，通常根据特定工件的具体加 工要求，确定出多种工艺方案，通过方案比较 加以确定。
单臂式支承
龙门式支承
卧 式 机 床
立 式 机 床
卧式支承 “—”
立 式 支 承 “|”
单 臂 支 承 “ ⊏”
龙 门 式 支 承 “□”
§1-5 主要技术参数的确定
尺寸参数 机床主要技术参数
运动参数
动力参数
例：CA6140型普通车床的主要技术参数 ⑴ 尺寸参数
1）主参数：工件最大回转直径400mm； 2）第二参数：最大工件长度1000mm；
n18＝ 17n1
n5＝75
n6＝95
n14＝600
n15＝750
nmax＝ 17nmin
Rn＝nmax/nmin ＝ Z－1
（1-4）
n7＝118
n8＝150 n9＝190
n16＝950
n17＝1180 n18＝1500
结论：主轴转速数列是按等比级数排列的等比数 列，其公比用符号 表示。
维修困难
专用机床 组合机床(刚性)自动线 数控机床(NC) 加工中心（MC） 工厂自动化(FA)
措施： 大批量生产
单件小批量生产
柔性制造单元/系统(FMC/ FMS ）
5、可靠性
机床在规定使用期间内其功能的稳定程度和性质。
无故障性 － 机床在使用过程中不易发生故障。
维修性 － 机床发生故障后容易维修。
应视工件的形状而定。
铣 床 的 几 种 布 局
二、选择传动形式和支承形式
1、传动形式 交流电动机 驱动电动机 直流电动机 机械传动 主运动传动 液压无级传动 电主轴 机械传动 进给运动传动 液压无级传动 直线电机
卧式
2、机床形式－机床主运动执行件的状态。
立式
卧式支承
立式支承
3、支承形式－指支承件的形状。
运动精度－机床在额定负载下运动时的主要零部件
的几何位置精度。
定位精度－机床工作零部件运动终了时所达到的位 置准确性和机床的调整精度。
精度保持性：机床保持其原始加工精度的能力。
机床精度
机床刚度
影响因素 机床抗振性 残余应力引起的变形 热变形 磨损
3、生产率
生产率：单位时间内机床所能加工出的工件数量， 它受到生产纲领的制约。
二、经济效益
制造部门 设计费用 制造费用
措施 机床的金属消耗量小
机床结构工艺性好
零件数量少
使用部门
机床的加工效率 机床的可靠性
三、 人机关系
研究对象：“人-机械-环境”的综合体。 目的：通过对人体尺度、生理特点和心理要求的研 究，为操纵人员提供高效、安全方便的劳动条件，
发挥人机最高工作效能。
设计时的考虑因素： 机床的造型和色彩； 操纵控制机构应适应操作者的生理特点； 避免和减少对环境的污染，特别是噪声污染；
安全防护、冷却、排屑及照明等。
§1-2 金属切削机床的设计步骤
一、总体设计
1、调研→掌握机床设计依据。 2、工艺方案的拟定→确定零件的加工方法，以及 获得零件表面所需的运动。 3、总体布局 →确定刀具和工件之间的相对运动，
§1-4 机床的总体布局
基本要求：
保证工艺方案中所要求的工件和刀具之间的相对
运动和相对位置。 保证机床具有与所要求的加工精度和表面质量相 适应的刚度、抗振性和热变形特性。 使用方便（便于操作、调整、修理机床；便于输 送、装卸工件、排除切屑），造型美观且经济效 益高。
步骤：
1、分配机床的运动
4、掌握运动参数和动力参数的确定方法。
本章难点：机床主轴转速的确定。
§1-1 机床的基本要求
机床种类繁多，如何来衡量一台机床的好坏？ 质量好 工艺性好 制造部门 结构简单 使用部门 重量轻 效率高 操作维护方便 价格低廉
技术先进 →性能（技术）指标
基本要求
经济合理 →经济效益
使用宜人 →人机关系
一、性能（技术）指标
主运动为旋转运动的机床－其运动参数是主轴 转速，它同切削速度的关系是：
1000 v n d
式中 v —切削速度(m/min)； n —主轴转速(r.p.m)； d —工件或刀具的直径(mm)。
（1-1）
专用机床： 加工特定工件 的特定工序
通用机床： 工艺范围较广
主轴需要不同的转速 主轴只需一种 固定的转速n 分级 变速 主轴的变速范围 最高、最低转速
5.6 6
10 18 31.5 56 10.6 19 33.5 60
① nmax的计算 nmax
1000 vmax d min
据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材，半精车外 圆时，主轴n最高，按经验并参考切削用量手册。 取 vmax＝200m/min，k＝0.5，Rd＝0.25 则 dmax＝K×D＝0.5×400＝200(mm) dmin ＝Rd×dmax＝50 (mm) nmax＝1273(r.p.m)
2、选择传动形式和支承形式
3、安排操作部位（自学） 4、提高动刚度的措施（自学） 5、造型设计（自学）
一、机床的运动分配
基本原则： 将运动分配给质量小的零部件；
运动件质量小→惯性小→驱动力小→传动机构体 积小→成本低。
应有利于提高工件的加工精度；
如：深孔钻削。
应有利于提高运动部件的刚度；
运动应分配给刚度高的部件，可减少变形。
公式： Q＝1/T总＝1/(T切＋T辅＋T准/n)
提高生产率的方法：缩短T切、T辅和T准/n
提高切削用量 ↓T切
采用多刀加工
机械化
自动化 ↓T辅和T准/n
采用多件加工
采用多工位加工
快速装夹
快速换刀
4、自动化程度
操作方便 控制系统较复杂
优点
生产率高
人为影响少
质量稳定
缺点
机床构造较复杂
制造成本高