机械装备设计课程简明.ppt

机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院机械制造装备设计机械制造装备设计(国家精品课程国家精品课程)机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院冯辛安主编，机械制造装备设计第二版，机械工业出版社，ISBN 7-111-07148-4，普通高等教育“九五、十五”家级规划教材关 慧 贞、冯 辛 安 主 编，机 械 制 造 装 备 设 计 第 三 版，机械工业出版社，ISBN 978-7-111-28500-7，普通高等教育“十一五”国家级规划教材主要参考书主要参考书课件下载地址课件下载地址百度输入：国家精品课 机械制造装备设计机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院机械制造装备设计机械制造装备设计国家级精品资源共国家级精品资源共享课享课l 爱课程网机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院机械制造装备设计机械制造装备设计学什么学什么“学习的不仅仅是机床设计学习的不仅仅是机床设计”，机械设计领域的很多，机械设计领域的很多知识是相通的，希望在学习过程中对核心知识形成自知识是相通的，希望在学习过程中对核心知识形成自己的理解己的理解机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.2 机械制造装备的主要功能p 一般的功能要求；p 柔性化；p 精密化；p 自动化；p 机电一体化；p 节材；p 符合工业工程要求；p符合绿色工程要求多角度的功能要求！机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 1.2.1 一般的功能要求一般的功能要求1 1加工精度方面的要求加工精度方面的要求加加工工精精度度是是指指加加工工后后零零件件对对理理想想尺尺寸寸、形形状状和和位位置置的的符符合合程程度度，一一般般包包括括尺尺寸寸精精度度、表表面面形形状状精精度度、相相互互位位置置精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度等等。满满足足加加工工精精度度方方面面的的要要求求应应是是机机械械制制造造装装备备最最基基本本的的要要求求。影影响响机机械械制制造造装装备备加加工工精精度度的的因因素素很很多多，与与机机械械制制造造装装备备本本身身有有关关的的因因素素有有其其几几何何精精度度、传传动动精精度度、运运动动精精度度、定定位位精精度度和和低低速速运运动动平稳性等。平稳性等。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院如如图 1 所示，精密所示，精密机床几何精度来取机床几何精度来取决于决于设计、制造、制造、装配等多个装配等多个环节。针对每个每个环节，需，需要建立相要建立相应的几何的几何特征特征误差描述数学差描述数学模型，并且模型，并且对照装照装配配过程中关程中关键特征特征偏差偏差积累和累和传递的的表达，构建表达，构建设计公公差和加工差和加工误差与装差与装配配误差源的差源的转换关关系。系。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院坐标变换坐标变换 如图所示，坐标系如图所示，坐标系B与与A方向相同，但原点不重方向相同，但原点不重合。合。坐标平移坐标平移 一、坐标平移一、坐标平移一、坐标平移一、坐标平移此式称为平移方程。其中此式称为平移方程。其中 是是B系中的原点在系中的原点在A系中的系中的表示。表示。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院二、坐标旋转二、坐标旋转二、坐标旋转二、坐标旋转 坐标旋转坐标旋转 如图所示，如图所示，B与与A有共同的坐标原点，但方位不同。有共同的坐标原点，但方位不同。令令 和和 分别是分别是A和和B中的单位主中的单位主矢量，点矢量，点P 在两坐标系中各坐标轴上的坐标分量分别为：在两坐标系中各坐标轴上的坐标分量分别为：和和1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 1.2.1 一般的功能要求一般的功能要求2 2强度、刚度和抗振性方面的要求强度、刚度和抗振性方面的要求为为了了提提高高加加工工效效率率，切切削削速速度度越越来来越越高高，切切削削力力越越来越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。来越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件的尺寸和重量，成为的尺寸和重量，成为“傻、大、黑、粗傻、大、黑、粗”的产品。应利用的产品。应利用新技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结新技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结构进行改进设计，在不增加或少增加重量的前提下，使装构进行改进设计，在不增加或少增加重量的前提下，使装备的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。备的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 1.2.1 一般的功能要求一般的功能要求3 3加工稳定性方面的要求加工稳定性方面的要求机机械械制制造造装装备备在在使使用用过过程程中中，受受到到切切削削热热、摩摩擦擦热热、环环境境热热等等的的影影响响，会会产产生生热热变变形形，影影响响加加工工性性能能的的稳稳定定性性。对对于于自自动动化化程程度度较较高高的的机机械械制制造造装装备备，加加工工稳稳定定性性方方面面的的要要求求尤尤为为重重要要。提提高高加加工工稳稳定定性性的的措措施施是是减减少少发发热热量量，散散热热和和隔隔热热，均均热热、热热补补偿偿、控控制制环环境境温温度度等。等。温升温升变形变形误差误差1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 1.2.1 一般的功能要求一般的功能要求4 4耐用度方面的要求耐用度方面的要求机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很高的机械制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高高的机械制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面综合考虑。从设计角度，提高耐用度的主要措施包括减综合考虑。从设计角度，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等。少磨损、均匀磨损、磨损补偿等。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.2 1.2.2 柔性化柔性化l 柔性化即柔性化即产品结构柔性化产品结构柔性化和和功能柔性化功能柔性化。l 产产品品结结构构柔柔性性化化是是指指产产品品设设计计时时采采用用模模块块化化设设计计方方法法和和机机电电一一体体化化技技术术，只只需需对对结结构构作作少少量量的的重重组组和和修修改改，或或修修改改软软件件，就就可可以以快快速速地地推推出出满满足足市市场场需需求求的的、具具有有不同功能的新产品。不同功能的新产品。l 功功能能柔柔性性化化是是指指只只需需进进行行少少量量的的调调整整或或修修改改软软件件，就就可可以以方方便便地地改改变变产产品品或或系系统统的的运运行行功功能能，以以满满足足不不同同的的加加工工需需要要。数数控控机机床床、柔柔性性制制造造单单元元或或系系统统具具有有较较高高的的功能柔性化程度。功能柔性化程度。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 1.3.1 加工装备加工装备（主要指机床，也称工作母机）（主要指机床，也称工作母机）包括金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、包括金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。注塑机、焊接设备、铸造设备等。1.3.2 1.3.2 工艺装备工艺装备 包括刀具、模具、夹具、量具、辅具等。包括刀具、模具、夹具、量具、辅具等。1.3.3 1.3.3 储运装备储运装备 包括物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送装置、仓包括物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送装置、仓储设备等储设备等1.3.4 1.3.4 辅助装备辅助装备 包括清洗机、排屑设备和测量、包装设备等。包括清洗机、排屑设备和测量、包装设备等。1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型u 1.4.1 创新设计u 1.4.2 变型设计u 1.4.3 模块化设计机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院以三轴镗床实际开发过程为以三轴镗床实际开发过程为例介绍机床设计过程例介绍机床设计过程.辅助材料第二章，1.5-1.6镗床.flv机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法机床的数字化设计过程机床的数字化设计过程以三轴镗床为例以三轴镗床为例三三轴镗机床是机床是卧式卧式镗削削发动机机体机机体曲曲轴孔、凸孔、凸轮轴孔和惰孔和惰轮轴孔孔组合合机床机床的的简称；称；需要需要满足足高精度高精度要求要求顶面和侧面顶面和侧面机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法设计过程设计过程（1 1）分析并确定工）分析并确定工艺方案；方案；（2 2）组合合镗床的方案床的方案设计和技和技术设计（3 3）夹具、具、镗模、模、镗杆、刀具杆、刀具设计机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法工工艺分析分析机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法对于于组合合镗床，床，镗孔直径孔直径较大，精度大，精度较高，要求主高，要求主轴与机床与机床刚度度较好。好。对相互位置精度要求相互位置精度要求较高的孔高的孔应考考虑集中在一台机床上加工集中在一台机床上加工。根据。根据这一原一原则，由，由于于发动机机体的七个孔在同一机机体的七个孔在同一轴上，所以准上，所以准备在一在一台台镗床上利用一道工序七把刀同床上利用一道工序七把刀同时分分别加工七个孔加工七个孔工工艺分析分析机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法镗床的基本加工方法床的基本加工方法推推镗法法。在推。在推镗过程中，程中，镗杆始杆始终处于于轴向向受受压状状态，容易，容易产生生压杆不杆不稳定；改善定；改善镗杆的支撑状况，杆的支撑状况，可以提高可以提高镗孔的加工精度。孔的加工精度。拉拉镗法法。要求。要求镗杆在加工前要穿杆在加工前要穿过被加工孔被加工孔，因此，因此必必须采用采用让刀措施，使刀措施，使夹具具结构复构复杂化。同化。同时镗杆杆直径受到加工孔的制直径受到加工孔的制约不能做的太大，限制了不能做的太大，限制了镗杆杆的的刚性性。而且。而且镗杆与主杆与主轴连接接处的接的接头受拉力，接受拉力，接头刚性差。但在拉性差。但在拉镗镗削加工程中，削加工程中，镗杆始杆始终处于于轴向受拉状向受拉状态，镗头沿沿镗杆前杆前进的直的直线方向做方向做进给运运动，稳定性好，加工精度高。所以特定性好，加工精度高。所以特别适用于孔适用于孔轴线度要求度要求较高或高或长径比很大的小直径深孔的最径比很大的小直径深孔的最终加工。加工。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法工工艺分析（分析（镗刀）刀）镗曲曲轴孔孔为多多层壁深孔（六缸壁深孔（六缸发动机七机七层深孔），加工深孔），加工精度要求比精度要求比较高高第一种是第一种是单刀三工序刀三工序 粗粗镗半精半精镗精精镗第二种是双刀两工序第二种是双刀两工序 粗粗镗精精镗采用双刀采用双刀加工效率加工效率较高；在精高；在精镗工序工序时，双刀加，双刀加剧镗杆杆振振动，造成加工精度不高而且容易打刀。所以，造成加工精度不高而且容易打刀。所以综合以上合以上两种工两种工艺方法，采用双刀两工序作方法，采用双刀两工序作为曲曲轴孔工孔工艺方案。方案。也就是每一档排两把也就是每一档排两把镗刀，刀，两把两把镗刀安装于同一个刀刀安装于同一个刀夹上，但不会同上，但不会同时加工曲加工曲轴孔孔，第一把，第一把镗刀加工完刀加工完毕，第，第二把二把镗刀才会切入。减刀才会切入。减轻镗杆振杆振动，提高加工精度。，提高加工精度。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法其他工艺参数其他工艺参数刀具刀具。镗刀制造和刃磨刀制造和刃磨简便，特便，特别对高精度孔，孔中心高精度孔，孔中心线直直线度和位置度要求度和位置度要求严格的孔，采用精密格的孔，采用精密镗削工削工艺是非常有利是非常有利的；并且大多采用将硬的；并且大多采用将硬质合金合金镗刀刀头装于装于镗杆杆进行行镗孔。孔。切削用量切削用量。根据加工精度、工件材料、工作条件、技。根据加工精度、工件材料、工作条件、技术要求要求等等进行分析行分析切削力、切削切削力、切削转矩、切削功率矩、切削功率计算算加工工加工工艺方法确定，怎么用机床方法确定，怎么用机床实现相相应工工艺装装备设计（方案方案设计、组合机床合机床结构构选型、关型、关键件件结构构设计）机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法三轴镗床方案设计三轴镗床方案设计组合镗床的总体设计组合镗床的总体设计机床沿工件中心近似机床沿工件中心近似对称布置，工件的主定位面与地面平行，称布置，工件的主定位面与地面平行，动力力滑台运滑台运动方向与地面平行。方向与地面平行。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法零部件配置方案零部件配置方案通用部件的选择通用部件的选择支承部件支承部件输送部件送部件控制部件控制部件辅助部件助部件机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法动力系力系统设计左左头传动箱内箱内设两套两套齿轮变速机构速机构，由两台，由两台电机机（带变频器）分器）分别控制，一台控制凸控制，一台控制凸轮轴孔孔镗杆主杆主轴，另一台控制其余六，另一台控制其余六轴（油封孔、凸（油封孔、凸轮轴孔、惰孔、惰轮轴孔、后取力孔和两个后端面孔、后取力孔和两个后端面销孔）孔）决定决定选用的右用的右钻削削头带一个一个电机机，电机功率机功率3Kw。右右头内内设两根主两根主轴，用于加工两个前端面，用于加工两个前端面销孔孔机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法镗床主要技术参数镗床主要技术参数机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法关键零部件设计关键零部件设计在本在本组合合镗床中，床中，专用零部件主要包括用零部件主要包括夹具具镗模等模等镗杆杆刀具刀具浮浮动卡卡头等等大部分零部件大部分零部件选择了了标准零部件，以上准零部件，以上这些是需要特殊些是需要特殊设计的的机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法夹具夹具定位机构、定位机构、夹紧结构、构、辅助支撑等，略助支撑等，略中中间模架和工件位置关系模架和工件位置关系图工件运工件运动轨迹迹机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法上下料机构上下料机构油缸油缸1伸出将上伸出将上料架料架2拖到最高拖到最高点，将工件吊装点，将工件吊装在上料架在上料架2上，上，油缸油缸1拖拖动上料上料架下落，推杆架下落，推杆5按曲按曲线板上的曲板上的曲线伸伸缩推推动工件，工件，油缸油缸2与推杆与推杆5一一起随起随动机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法镗模模导向装置导向装置镗模架镗模架镗杆与导套间隙镗杆与导套间隙是一个值得是一个值得探讨探讨的问题的问题机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法镗杆镗杆对镗杆组件的基本要求。旋转精度、静刚度、抗振性、温升和热变形、耐磨性镗杆静刚度分析镗杆静刚度分析机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法镗杆与镗削头主轴的联接镗杆与镗削头主轴的联接刚性性联接接，顾名思名思义就是刀杆和主就是刀杆和主轴固固联在一起，刀杆可看在一起，刀杆可看作是主作是主轴的一部分。的一部分。浮浮动联接接，就是主就是主轴与刀杆与刀杆联接后，刀杆相接后，刀杆相对于主于主轴不完全不完全固定，有一定的浮固定，有一定的浮动量。量。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.5 1.5 机械制造装机械制造装备设计的方法的方法刀具刀具 由于曲由于曲轴孔系刀具加工内容众多且加工方法不同。孔系刀具加工内容众多且加工方法不同。研制了一种高集成度的研制了一种高集成度的镗杆，杆，镗杆外部杆外部为鸡心心镗杆，杆，镗杆内杆内设拉杆和冷却水通道拉杆和冷却水通道。切削液通切削液通过刀具中的内通道直接刀具中的内通道直接对准切削区准切削区喷射，射，有效的提高有效的提高对切削区的冷却效果，延切削区的冷却效果，延长刀具的寿命。刀具的寿命。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.61.6 机械制造装机械制造装备设计的的评价价1.6.2 可靠性评价可靠性是指产品在规定条件和时间内完成规定功能的能力。可靠度：规定时间和条件下，完成规定任务的概率。产品可靠性指标可靠性维修性有效性耐久性安全性可靠度可靠寿命累积失效概率失效率平均寿命平均修复时间修复率维修度极限有效度平均有效度瞬时有效度机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.61.6 机械制造装机械制造装备设计的的评价价1.6.2 可靠性评价累积失效概率：累积失效概率是产品在规定条件下和规定时间内未完成规定功能（即发生失效）的概率，也称为不可靠度。失效率：失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。产品可靠性指标可靠性维修性有效性耐久性安全性可靠度可靠寿命累积失效概率失效率平均寿命平均修复时间修复率维修度极限有效度平均有效度瞬时有效度1.61.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价 系统可靠性模型串联系统可靠度为并联系统可靠度为1.61.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价例题：在系统可靠性预测时，系统的单元数为4，每个单元的可靠度均为0.9，若系统只有一个单元工作，系统就算正常，则系统的可靠度为多少？若只有4个单元全部工作，系统才能正常工作，系统的可靠度为多少？机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.61.6 机械制造装机械制造装备设计的的评价价1.6.2 可靠性分配的原则 1)对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握达到较高水平的单元，可分配较高的可靠度；2)对较简单的单元，组成单元的零部件数量少，装配容易保证质量或故障后易于修复的单元，可分配较高的可靠度；3)对重要的单元，该单元的失效将引起严重的后果，或该单元失效会导致全系统失效，应分配较高的可靠度；4)对整个任务时间内需连续工作，或工作条件严酷的单元，应分配较低的可靠度。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院1.61.6 机械制造装机械制造装备设计的的评价价机械装备可靠性分析补充材料针对单个零部件，如何分析可靠性？0.90、0.95、0.99，为什么是这个数值，怎么得到的，为什么是这个数值，怎么得到的？怎样系统的分析，提高机械装备可靠性？学习支持学习支持“发现问题、分析问题、改进的过程发现问题、分析问题、改进的过程”的一种工具的一种工具补充专题补充专题1：.辅助材料辅助材料第二章，第二章，1.5-1.6机械可靠性机械可靠性设计分析设计分析.ppt；补充专题补充专题2：.辅助材料辅助材料第二章，第二章，1.5-1.6故障模式及故障模式及影响分析影响分析.ppt1.61.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.5 产品造型评价 机械产品的造型的总原则是经济、实用、美观大方。经济指的是造型成本低，并有助于提高产品的可靠性、寿命和人机界面。实用指的是使用操作方便、舒适、符合人体的生理和心理特征，使人机系统的工作效能达到最高。美观大方是指产品的外观形象给人的心理、生理及视觉效应良好。人的审美观点尽管不全相同，但还是有相同规律可循，良好的外观造型应从产品造型设计和产品色彩两方面去评价。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金属切削机床设计的基本理论（一）（一）退出退出返返回回主主页机床的运动学原理机床的运动学原理工件的加工，就是通过刀具相对工件的运动刀具相对工件的运动来完成的来完成的。机床运动学机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置。金属切削机床的基本功能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。（二）工件表面的形成方法及机床运（二）工件表面的形成方法及机床运动12a)平面平面12b)圆柱面柱面12c)平面平面12d)圆锥面面1母母线2导线任何一个表面都可以看做是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线称为发生线，前者为母线，后者为导线。几几何何表表面面的的形形成成原原理理第二章 金属切削机床设计退出退出返回本返回本节 工件表面（发生线）的形成方法工件表面（发生线）的形成方法返回主返回主页下一下一页1轨迹法（描述法）2成形法3相切法4范成法(展成法)机床的运机床的运动（刀具、（刀具、工件相工件相对运运动）发生线（母线、导发生线（母线、导线）线）工件表面工件表面以上方法中，以上方法中，发生生线都是怎都是怎样形成的？形成的？各各对应哪种切削刃哪种切削刃类型（点、型（点、线、面）？、面）？机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.2.5 2.2.5 机床运动功能描述方法机床运动功能描述方法笛卡尔直角坐标系v机床坐标系是指用于确定机床的运动方向和移动距离的坐标系。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C机床运动功能式机床运动功能式主运主运主运主运动动是区是区是区是区别别不同不同不同不同类类型机床的关型机床的关型机床的关型机床的关键键运运动功能式表示功能式表示机床的运机床的运动个数、形式、功能及排个数、形式、功能及排列列顺序序，是描述机床运，是描述机床运动功能最功能最简洁的表达方式的表达方式规定：定：p 主运主运动f 进给运运动a 非成形运非成形运动运动运动对象对象运动运动形式形式运动运动功能功能W 工件工件T 刀具刀具X,Y,Z 直直线运运动A,B,C 回回转运运动请请写写出出该该机机床床的的运运动动功功能能式式机床运动原理图机床运动原理图(b)(b)回转运动回转运动(a)(a)直线运动直线运动 机床运机床运动原理原理图除了描述机床的运除了描述机床的运动轴个数、形式个数、形式及排列及排列顺序外，序外，还标识了两个末端了两个末端执行器和各个运行器和各个运动轴的空的空间相相对位置位置主主主主轴轴、工件、刀具等采用、工件、刀具等采用、工件、刀具等采用、工件、刀具等采用“仿形仿形仿形仿形”画画画画法法法法运动原理图的主要符号：运动原理图的主要符号：典型机床的运动原理图典型机床的运动原理图 基本原则：基本原则：基本原则：基本原则：“抓两边抓两边抓两边抓两边”“连中间连中间连中间连中间”运动原理图是否运动原理图是否运动原理图是否运动原理图是否表达了运动之表达了运动之表达了运动之表达了运动之间的传动关系间的传动关系间的传动关系间的传动关系？机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院机床传动原理图机床传动原理图若将动力源与执行件、各执行件之间的若将动力源与执行件、各执行件之间的运动及传动关系运动及传动关系同时同时表示出来，就是传动原理图表示出来，就是传动原理图传动原理图的主要符号：传动原理图的主要符号：合成机构合成机构定比传动定比传动变速传动变速传动合成机构合成机构将形成母线的工件旋将形成母线的工件旋转运动转运动与与附加的工件旋转运动附加的工件旋转运动合成合成为一个运动为一个运动机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院运动功能分配设计运动功能分配设计运动功能分配解决的是哪些运动由刀具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成把直线进给运动分配给工件把直线运动分配给砂轮运动功能分配设计是确定基础支承件设在何处，即“接地”的位置，用符号“.”表示不同的运动分配方式：外圆磨床的运动功能式：不同的运动分配方式对应不同不同的运动分配方式对应不同的结构布局形式的结构布局形式机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理金属切削机床设计的基本理论论（二）精度1、几何精度机床在空载条件下，在不运动或运动速度较低时机床主要独立部件的形状（直线度、平面度）、相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度）、旋转（径向圆跳动、周期性轴向窜动、端面圆跳动）和相对运动位移精确程度。下图所示的机床具有哪些几何误差？（21项原始几何运动误差）机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理金属切削机床设计的基本理论论2、运动精度机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度（又可称为几何运动精度）。如高速回转主轴的回转精度，工作台运动的位置及方向精度。3、传动精度机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。影响机械传动因素的主要因素是传动系统的设计、传动元件的制造和装配精度。4、定位精度机床的定位部件运动到达规定位置的精度。重复定位精度机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复定位时位置的一致程度。5、工件精度加工规定的试件，用试件的加工精度标识机床的工作精度。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，称之为精度保持性。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论（三）刚度机床刚度是指机床受载时抵抗变形的能力，通常用下式表示：作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动干扰力等，按照载荷的性质不同，可以分为静载荷和动载荷。机床刚度相应地分为静刚度及动刚度。机床由众多的构件（零部件）和柔性接合部组成，接合部的物理参数对机床的整机性能影响非常大，整机刚度的50%取决于接合部刚度。在载荷作用下各部件及接合部都要产生变形，这些变形直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移。这个位移的大小代表了机床的整体刚度。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论（四）振动机床抗振能力是指机床在交变载荷作用下抵抗振动的能力。1、受迫振动振源可能来自于内部，如高速回转零件的不平衡，也可能来自于机床之外。2、自激振动发生在刀具和工件之间的一种相对振动。自激振动与切削用量、切削力有关。又被称为切削稳定性。影响机床振动的主要原因：1）机床的刚度（材料、截面形状、尺寸、肋板分布、接触表面的预紧力、表面粗糙度、加工方法、几何尺寸）2）机床的阻尼特性（构建材料的内阻尼，接合部的阻尼）3）机床系统固有频率（材料、结构）机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.2 2.2 金属切削机床设计的基本理论金属切削机床设计的基本理论（五）热变形（如何预防、控制热变形）温升机床在工作时受到内部热源（如电动机、液压系统、机械摩擦副、切削热）和外部热源（如环境问题、周围热源辐射等）的影响，使机床的温度高于环境温度。热变形机床各部位的温升不同，不同材料的热膨胀系数不同，导致机床床身、主轴和刀架等构件产生变形。温度场在热平衡状态下，机床各部件的温度是不同的，热源处最高，远离热源处或散热较好处较低，这就形成了温度场几个概念热变形预防与控制（1）均衡热对称结构设计。如对称的双立柱，龙门布局等。（2）机床主体均匀温度场的控制。如主轴、丝杠、立柱、床身的冷却。（3）热误差补偿。（4）加工环境温度场均匀性控制。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院 某机床厂立式五轴加工中心结构方案某机床厂立式五轴加工中心结构方案这种机床两个旋种机床两个旋转轴由复合主由复合主轴来来实现，即主，即主轴头的回的回转和和摆动。该类主主轴最前端是一个最前端是一个电机机带着回着回转头，能，能围绕着着Z轴360旋旋转，成，成为C轴，而，而回回转头上上还有一个有一个可在可在90范范围内内旋旋转的的摆动轴典型的五轴加工中心结构方案1定工作台式机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院 某机床厂立式五轴加工中心结构方案某机床厂立式五轴加工中心结构方案典型的五轴加工中心结构方案2旋转工作台式两个旋两个旋转轴由两由两轴工作工作台台实现机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院 某机床厂立式五轴加工中心结构方案某机床厂立式五轴加工中心结构方案某机床厂实际采用的运动及结构方案Y轴X轴Z轴A轴C轴机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院 2.4.3 分级变速主传动系的设计 主要概念1.传动轴、齿数、转速n2.公比3.转速分级、转速级数4.传动副5.传动比u6.变速组7.变速范围8.级比、级比指数9.基本组、第一扩大组、第二扩大组 2.4.3 分级变速主传动系的设计分级变速主传动系的设计 转速图转速图形式总结形式总结“三三线一点一点”1）传动轴格格线（竖直直细线）2）转速格速格线（水平（水平细线）3）传动线（粗（粗线）4）转速点速点（圆点）点）2.4.3 分级变速主传动系的设计分级变速主传动系的设计 结构式表达方法构式表达方法 只表示各变速组内传动比的相对关系，而不表示传动比和各轴上转速的绝对值。传动副数副数级比指数比指数三个主要参数：三个主要参数：Z主轴转速级数Pj 各变速组传动副数Xj 各变速组级比系数一般表达式：一般表达式：第二章 金属切削机床设计退出退出 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 （三）主变速传动系设计的一般原则（三）主变速传动系设计的一般原则变速组的传动副数目副数目应“前多后少前多后少”；靠近靠近电动机机转速高、速高、转矩小、尺寸小。更多矩小、尺寸小。更多传动件在高速范件在高速范围内工作，有利于内工作，有利于减少外形尺寸减少外形尺寸变速组的传动线应“前密后疏前密后疏”（传动顺序与序与扩大大顺序相一致）；序相一致）；变速组的降速降速应“前慢后快前慢后快”；中；中间轴的的转速不宜速不宜超超过电动机机转速速 前面的慢些，后面的降速快些，以减少前面的慢些，后面的降速快些，以减少传动件尺寸；件尺寸；中中间轴转速不速不应过高，以免高，以免产生振生振动、发热和噪声和噪声第二章 金属切削机床设计退出退出 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 转速速图拟定、定、结构式构式书写等写等 已知：主已知：主轴转速速n=301500r/min，转速速级数数Z=18，公比，公比 =1.26，电动机机转速速n0=1440r/min。机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院（六）齿轮齿数的确定基本要求：1）齿数和不应过大；2）齿数和不应过小；最小齿轮不产生根切，保证强度；传动平稳性；3）符合传动比要求；4）三联滑移齿轮，保证滑移时外圆不相碰（齿数差 ）2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系主动齿主动齿轮的齿轮的齿数数第二章 金属切削机床设计退出退出（七）计算转速（七）计算转速 2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系计算算转速：速：传动件在传递全部功率时的最低转速。PTTPnminnmaxncn左左图中哪条中哪条线代表功率代表功率变化情化情况，哪条况，哪条线代表代表转矩矩变化情况化情况？计算算转速速主主轴的功率的功率转矩特性矩特性图（七）计算转速（七）计算转速 2.4.3 2.4.3 分级变速主传动系分级变速主传动系 主主轴计算算转速速计算算转速速 各各传动轴计算算转速速 齿轮计算算转速速（1 首先首先计算）算）（2 从后向前从后向前计算）算）（3 计算算齿轮的的计算算转速）速）计算算“主主轴计算算转速速”（表（表2-9）车床、升降台式床、升降台式铣床等床等立式立式钻床、床、摇臂臂钻床等床等卧式卧式车床、床、单立柱立柱车床等床等计算各算各传动轴计算算能能满足足传递功率要求的功率要求的最低最低转速速各各齿轮的的计算算转速速从后向前，各从后向前，各变速速组最最小小齿轮的的计算算转速速轴的的计算算转速速齿轮的的计算算转速速机械制造装备设计机械制造装备设计大连理工大学大连理工大学 机械工程学机械工程学院院（二）电动机和主轴功率特性的匹配设计分级变速箱公比选择方式为为了了扩扩大大电动电动机的恒功率机的恒功率转转速范速范围围，需在，需在电动电动机与主机与主轴轴之之间间串串联联一个分一个分级变级变速箱速箱功率特性图是连续的，无缺口和无重合主传动功率特性出现“缺口”，称为功率降低区。额定转速1500r/min,最高4000r/min，变速范围2.67 传动系图.tif，转速、功率.tif主传动系功率特性图上有小段重合2.4.4 2.4.4 无级变速主传动系无级变速主传动系第二章 金属切削机床设计退出退出返返回回主主页2.5.1 2.5.1 进给传动系设计应满足的基本要求进给传动系设计应满足的基本要求（二）进给传动系应满足的基本要求（二）进给传动系应满足的基本要求如何满足该要求？如何满足该要求？1、具有足够的静刚度和动刚度、具有足够的静刚度和动刚度进给传动系系统的高的高传动刚度主要取决于度主要取决于丝杆螺母杆螺母副副(直直线运运动)或或蜗轮蜗杆副杆副(回回转运运动)及其支承及其支承部件的部件的刚度。度。刚度不