机床设计 总体- 简化版

基
础
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第二节 机床总体设计
机
床 设
一、型谱制定
计
二、几何运动设计
机
三、总体结构方案设计
械
制
造
技
术
基
础
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二、几何运动设计
1．几何表面的形成
机
1）组成零件结构的基本形状表面
床
设
基本形状表面有：
计
平面、圆柱面、
圆锥面、各种成形面
机 （螺旋面、渐开线表
械
制 面、回转曲面等）。
造 技 术 基 础
加剧机床磨损、引起噪声。提高抗振能力的措施如下：
机 提高机床的刚度；
械
制 提高固有频率；
造
技 改善阻尼性能；
术
基 改善运动件的动平衡状况。
础
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一、机床设计的基本要求
4．机床的性能
机
（4）噪声
床 设
金属切削机床噪声测量标准规定：
计
普通精度机床噪声不大于85dB（A）；
精密机床噪声不大于75dB（A）。
械 持严格运动关系，不能
制 造 技
独立，共同组成一个复 合的运动。
术
基
础
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二、几何运动设计
3．机床运动的分类
机
1）表面成形运动
床 设 计
直接形成被加工零件表面的运动，称之为表面成形运 动（简称成形运动）。
（1）主运动
切除工件上的被切削层，使之转变为切屑的主要运动。
机 械
主运动的转速高，消耗的功率大。 运动形式有：
计 精密机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、光
电子技术和管理技术于一身。
机
机床也象一般机电装备一样，要完成一定的功能
械
制 作业，如形成加工对象的一定表面形状。但与一般机
造 技
电装备具有显著不同的方面，对作业有极高的质量要
术 基
求，即必须保证加工对象的精度和表面质量。
础
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第一节 概述
机
床
机床设计，大量的采用数字化设计方法和手段。
机 影响加工精度。机床的静刚度是动刚度的基础。
械
制
影响机床刚度的主要有支承件及主要零部件的刚度、
造 技
部件间的连接刚度和接触面的接触刚度。局部的薄弱环
术 基
节对整机的刚度影响极大。
础
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一、机床设计的基本要求
4．机床的性能
机
（3）抗振能力
床 设
指抵抗受迫振动和自激振动的能力。
计
振动影响加工质量、降低刀具耐用度，生产率降低，
基 稳定性等。
础
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一、机床设计的基本要求
2．精度
机 床
（7）精度保持性
设
指机床在工作中长期保持其原始精度的能力。
计
一般以机床关键零部件（如主轴、导轨等）的首次
大修期来决定。
机
械
主要取决于机床关键零部件的耐磨性、内应力引起
制 造
的永久变形程度和机床使用的保养。
技
术
基
础
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一、机床设计的基本要求
机
2）成形法
床
切削刃为与发生线完全吻合的切削线。
设
不需任何运动，可获得所需发生线。
计
发生线的形状完全取决于切削刃的形状。
机
械
制
造
技
术
基
础
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二、几何运动设计
2．形成发生线的方法与运动
机
3）相切法
床 刀具作旋转运动，刀具运动轨迹的包络线形成发生线。 设 形成一条发生线需要两个独立运动。 计 两个运动之间没有内在的运动联系。
用下式表示：
机 械
η=P/Pm≈（Pm－P0）/ Pm =1－P0/ Pm
制 造
式中 η——机床传动效率；
技
P——机床输出功率；
术 基
Pm——电动机输出功率；
础
P0——机床空载功率。
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一、机床设计的基本要求
4．机床的性能
机
（1）传动效率
床
设
机床功率损失引起摩擦热，造成运动副的磨损和机
计 床的热变形。
3．机床的生产率
机
指机床在单位时间内所能加工的零件数量。即：
床 设 计
Q1
1
t t1 t2 t3 / n
式中 t——单个零件的平均加工时间；
t1——单个工件的切削加工时间；
机
t2——单个工件加工过程的辅助时间；
械 制
t3——加工一批零件的准备和终结时间；
造
n——一批零件的数量。
技 术 基
机床总体设计
机 床 设 计
机 械 制 造 技 术 基 础
机床设计内容
概述
机
床
机床总体设计
设
计
主传动系设计
进给传动系设计
机
主轴部件设计
械 制
进给传动部件设计
造 技
支承件设计
术 基
导轨设计
础
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第一节 概述
机
金属切削机床，是机械制造的基础装备。
床
设
现代金属切削机床，凝聚了当代科技的成果，集
术
基
满足不同批量生产要求的机床，其设计的思路有所不同。
础
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一、机床设计的基本要求
2．精度
机
国家对各种类型机床的三
床 设
保证被加工零件达到的尺寸精度和表面粗糙度要求， 种等级精度，规定了相关精度
并能在机床长期使用中得以保持。
计
标准。若以普通精度级允许误
加工精度和表面粗糙度差取单决位于为机1床，、三刀种具等、级夹精具度、的
制
（1）旋转运动。单位：r/min。如车床主轴、磨床的砂
造 轮主轴、钻床和镗主轴；
技
（2）往复直线运动。单位：往复行程次数/min。如牛
术 基
头刨床的滑枕、龙门刨床的工作台。
础
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二、几何运动设计
3．机床运动的分类
1）表面成形运动
机 床
（2）进给运动
设
不断把被切削层投入切削，逐渐切出整个工件表面运
机
（5）驱动方式：指选择电动机或液压驱动方式
械
制
（6）结构原理
造 技
（7）成本及制造周期
术
基
础
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二、机床设计步骤
2．总体设计
机
（1）运动功能设计
床
主要有机床所需运动的数量、形式、功能等。
设 计
（2）基本参数设计
包括尺寸参数、运动参数和动力参数。
（3）总体结构布局设计
包括运动功能分配、总体布局和总体结构方案。
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二、几何运动设计
1．几何表面的形成
机
2）成形表面的发生线
床 设
任何一种线性表面，由一根母线沿着导线运动而形成。
计
平普面通：螺由纹一的直螺线旋（面
母：线由）“沿V“着形另线一（根母直线线）
（沿导螺线旋）线运（动导形线成）。运动
机 形成圆；柱、圆锥面：是 械 由一根直直齿圆线柱（齿母轮线的）渐沿 制 着开一线个齿圆廓（表导面：线渐）开运线动
设 了加工零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。与传动
计 精度、刚度，控制系统的动态特性和测量系统的精度有
关。 （5）重复定位精度
机
指机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复
械 定位时，位置的一致程度。
制 造
（6）工作精度
技
对规定的试件，用规定的条件加工所达到的精度。
术 是机床精度的综合反映，包括机床的刚度、抗振性及热
对于机床方面，影响生产率的有机床的布局、刚度、 功率、运动参数和自动化程度等。
础
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一、机床设计的基本要求
4．机床的性能
机
机床在加工过程的静态力、动态力、温度变化，将
床 引起机床的变形、振动、噪声等，机床的性能就指抵抗
设 上述现象的能力。
计
（1）传动效率
用于评价机床有效利用电动机输出功率的能力。可
造 形（成母；线）沿直线（导线 技 ）运动形成。
术
基
础
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二、几何运动设计
2．形成发生线的方法与运动
机
1）轨迹法
床
理论上将切削刃与工件视为点接触，切削刃沿着发生
设 线作轨迹运动。
计
采用轨迹法形成一条发生线，需要一个独立的运动。
机
械
制
造
技
术
基
础
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二、几何运动设计
2．形成发生线的方法与运动
注意：刀
具回转中
机 心的运动
械 轨迹与发
制 造 技
生线（ A2 ） 一
术 般不相同
基。
础
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二、几何运动设计
2．形成发生线的方法与运动
机
4）范成法（又称展成法）
床 设 计
切削刃是发生线共轭的切削线，刀具与工件作相对运 动时所形成的包络线，即所需的发生线。
范成法需要2个运动
机 ，两个运动之间必须保
计 精度。如主轴的回转精度，直线运动的均匀性等。与零
部件的设计、制造和装配质量有关。
机
（3）传动精度
械
制
指内联系传动链两端件相对运动的准确性和协调性。
造 技
反映了传动链设计合理性，制造和装配质量。
术
基
础
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一、机床设计的基本要求
2Biblioteka Baidu精度
机
（4）定位精度
床
指机床执行件到达指定位置的准确程度。直接影响
计
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
机 形系列”及其精度等级化的工作。
械
中型卧式车床简略系列型谱中，以普通卧式车床为
制 造 技
基型，派生出马鞍式等车床，基型和变型都有主参数系 列。
术
在系列型谱中的同种类的产品有一定的相似性。
4．机床整机综合评价
机
对机床的功能、性能、工艺性、经济性等进行评价。
械
制
造
技
术
基
础
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第二节 机床总体设计
机
床
不同类型的的机床，总体方案设计的侧重点有所不
设
计 同。
对于专用机床，侧重于工件分析和工艺分析；
机
对于通用机床，侧重于同类型机床的调查、分析、
械 改型和科技成果的应用，以及机床品种的系列化、零部
切削条件和操作者等方面的比因例素大。致为：1：0.4：0.25。
机
械
机床本身必须具备的精度称为机床精度。
制
造
机床按精度分为：普通精度级、精密级（M）、高
技 术
精度级（G）。
基
础
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一、机床设计的基本要求
2．精度
机
床
机床的精度指标包括：
设
（1）几何精度
计
指最终影响机床工作精度的主要零部件及其相互间的尺
计 动。进给运动的速度较低，消耗的功率也较小。
运动形式有：
• 直线进给运动
A．连续进给运动。单位：mm/min(铣床、钻床)；
机
mm/r（车床）。
术 基
机床的结构工艺性包括制造、装配和维修的工艺性。
础
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第一节 概述
机
床 设
一、机床设计的基本要求
计
二、机床设计步骤
机
械
制
造
技
术
基
础
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二、机床设计步骤
1．确定结构原理方案
机
床
设
（1）用途：工艺范围、加工对象的类型、批量等。
计
（2）生产率
（3）性能指标
（4）主要参数：指机床的加工空间和主参数。
机 床
指机床上完成的加工方法，适应的工件类型、可加工表
设 面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等，主要反映机床的加
计 工功能。
根据工艺范围分为：通用机床、专门化机床和专用机床
三大类。
机
械
机床的功能越多，适应的范围就越广，结构越复杂，要
制 考虑的因素越多，技术难度就越大。
造
技
数控机床的工艺范围较一般通用机床的工艺范围更广。
术
基
础
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一、机床设计的基本要求
7．成本
机
机床的成本由以下部分构成：
床 设
设备的购买成本；
计
使用中的安装、动力消耗、操作、维修等成本；
报废成本。
在设计时，应使机床的金属消耗量小，结构工艺性
机 好。机床的金属消耗量M的指标为：
械
M=G/N
制 造
式中 G——机床重量；
技
N——机床主传动功率。
制
造 件的通用化和标准化。
技
术
基
础
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第二节 机床总体设计
机
床 设
一、型谱制定
计
二、几何运动设计
机
三、总体结构方案设计
械
制
造
技
术
基
础
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一、型谱制定
我国对金属切削机床分为11大类，每类机床又分别
机 分为10组、 每组分为10系。
床
首先对用途最广、需求量最大的某类组机床，将其
设 主参数规格化，作为该类组机床的“基形系列”。
机
械
（4）传动系统方案设计
制
如传动方式、传动原理图、传动系统图等。
造 技
（5）控制系统方案设计
术
包括控制方式、控制原理和控制总体方案。
基
（6）总体方案论证、确定和修改
础
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二、机床设计步骤
3．详细技术设计
机
（1）技术设计
床
包括结构方案、设计计算、装配图设计。
设
计
（2）施工设计
包括零件图设计和计算，编制技术文档等。
设 发展趋势： 计
从传统的经验设计方法向定量设计与实验研究相
结合
机
械
由静态设计向动态设计
制
造
由几何实体设计、静态分析向动态仿真、
技
术
由可行性设计向最佳化设计方向发展。
基
础
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第一节 概述
机
床 设
一、机床设计的基本要求
计
二、机床设计步骤
机
械
制
造
技
术
基
础
5/63
一、机床设计的基本要求
1．工艺范围
寸精度、形状精度和位置精度。如主轴前端内孔的尺寸和形
状精度、导轨的直线度、主轴与其它部件间的平行度和垂直
机 械
度等。
制
几何精度是机床在空载条件下，在静止或低速状态中测
造 技
量。主要反映机床的制造装配质量是否达到设计时制定的标
术 准。
基
础
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一、机床设计的基本要求
2．精度
机 床
（2）运动精度
设
指机床主要零部件在工作速度下，无负载运行时的
机床的噪声来源主要有：机械噪声、液压气动噪声、
机 电磁噪声和空气动力噪声。
械 制
（5）热变形
造
热变形不仅影响加工精度，也改变了相对运动副的
技 间隙、润滑状态。
术
基
（6）可靠性
础
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一、机床设计的基本要求
机 床
5．自动化程度
设 计
6．宜人性
造型与色彩；
操作省力、方便；
机
保养、维护容易。
械
制
造
技
对于普通机床，主轴最高转速时的机床空载功率不
机 应超过主电动机功率的三分之一。
械
制 造
机床的传动效率与传动链的长短、传动速度、摩擦
技 阻力大小、传动件的动平衡等因素有关。
术
基
础
14/63
一、机床设计的基本要求
4．机床的性能
机
（2）刚度
床
设
指机床及重要零部件在载荷的作用下抵抗变形的能
计 力。
在载荷的作用下，刀具与工件的相对位置发生改变，