金属切削机床 戴曙 第十四章 总体设计.ppt

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1、 第十四章第十四章 总体设计总体设计第一节第一节 机床总体设计应满足的基本要求机床总体设计应满足的基本要求第二节第二节 机床设计的步骤机床设计的步骤第三节第三节 系列化、通用化、标准化、和模系列化、通用化、标准化、和模块化块化第四节第四节 机床的总布局机床的总布局第一节第一节 机床设计应满足的基本要求机床设计应满足的基本要求q总体原则：质量好、效率高、重量轻、体积小、结构简单、使用方便。q基本要求：工艺范围工艺范围生产率和自动化程度生产率和自动化程度加工精度和表面粗糙度加工精度和表面粗糙度可靠性可靠性机床的效率和寿命机床的效率和寿命系列化、通用化、标准化程度系列化、通用化、标准化程度其其 他他

2、1/21/20232 工艺范围工艺范围：定义：机床适应不同生产要求的能力。包括：机床可以完成的工序种类；零件的类型、材料和尺寸范围；生产率和加工零件的单件成本；毛坯的种类；适用的生产规模；加工精度和表面粗糙度。单件或小批生产的机床，工艺范围应宽。专用机床和专门化机床，多应用于大批量生产。缩小机床工艺范围以简化机床结构、提高效率、保证质量、降低成本。1/21/20233 生产率和自动化程度生产率和自动化程度：提高生产率，缩短工作时间，包括切削加工时间、辅助时间。缩短切削加工时间,采用先进刀具，提高切削速度、进给速度、加大切削深度等。提高机床的自动化程度，减轻工人劳动强度，保证加工精度及精度的稳定

3、性。在小批、单件和形状复杂的工件的生产中，数控机床的使用日益增多，其主要特点是有很大的柔性，灵活性大，不需要设计专用的工装，适应能力强、生产率高，是实现机床自动化的一个重要发展方向。在大批大量生产中，则常采用自动化单机或自动线的方法来提高自动化程度。1/21/20234 加工精度和表面粗糙度加工精度和表面粗糙度：加工精度：被加工零件在形状、尺寸和相互位置方面所能达到的准确程度。机床的精度包括：几何精度决定于机床主要部件的几何形状和相互位置。传动精度指机床工作部件和零件运动的均匀性与协调性，对内联传动链具有重要的意义。运动精度指机床在以工作速度运转时主要零部件的几何位置精度 定位精度指机床主要部

4、件在运动终点所达到实际位置的精度。1/21/20235表面粗糙度。工件表面粗糙度与下列因素有关：工件和刀具的材料，进给量，刀具的几何形状，切削时的振动。刚度。刚度指机床各零部件抵抗弹性变形的能力。机床的热变形也影响加工精度抗振性。机床抵抗受迫振动的能力。和机床的结构刚度、阻尼特性、主要零部件的固有频率有关。机床抵抗切削自激振动的能力称为切削稳定性。1/21/20236 可靠性可靠性：在额定寿命期内，在特定工作条件下和规定时间内出现故障的几率。由于故障会造成加工件中的部分废品，故可靠性常用废品率来表示，废品率低则可靠性好。机床的效率和寿命机床的效率和寿命：效率效率：消耗于切削的有效功率与电动机：

5、消耗于切削的有效功率与电动机输出功率之比。两者的差值输出功率之比。两者的差值=损失。主要损失。主要是摩擦损失，而摩擦损失转化为热量，引是摩擦损失，而摩擦损失转化为热量，引起机床的热变形。起机床的热变形。1/21/20237寿命：机床保持它具有加工精度的使用期限。寿命期内的正常条件下，机床不丧失设计时所规定的精度性能，称精度保持性。确保和提高机床寿命，主要是提高一些关键性零件的耐磨性，并使主要传动件的疲劳寿命和它相适应。中小型机床，寿命约八年。系列化、通用化、标准化程度产品系列化、零部件通用化和标准化简称“三化”。目的：便于机床设计、使用与维修。1/21/20238 其其 他他 人机关系操纵方便

6、、省力、容易掌握噪声、油雾、粉尘和腐蚀介质都是对人体有害的。外形：美观大方的造型，适宜的色彩，均能使操作者有舒适宜人的感觉。1/21/20239一、有关机床设计的几点看法一、有关机床设计的几点看法1.机械设计要有创造性2.坚持为用户服务3.发展机床零部件专业厂第二节、机床设计的步骤第二节、机床设计的步骤1/21/202310二、机床设计的步骤二、机床设计的步骤1、研究设计要求、检索资料；研究设计要求、检索资料；2、拟定方案；拟定方案；工艺分析：工艺分析：对对专用机床专用机床，应确定工艺方法、拟定夹具方案，应确定工艺方法、拟定夹具方案，绘制绘制加工示意图、加工工序图、生产率计算卡加工示意图、加工

7、工序图、生产率计算卡。对对通用机床通用机床则应参照传统的工艺方法，并考虑新则应参照传统的工艺方法，并考虑新工艺和经济合理地扩大工艺范围的可能性。工艺和经济合理地扩大工艺范围的可能性。1/21/202311确定机床主要技术参数、传动系统、液压及确定机床主要技术参数、传动系统、液压及电气系统、主要部件结构草图，对试验结电气系统、主要部件结构草图，对试验结果及技术经济进行分析。果及技术经济进行分析。机床总体布局：机床总体布局：分配运动、选择传动和支承形式、安排分配运动、选择传动和支承形式、安排操作部位、拟定从布局上改变技术经济指操作部位、拟定从布局上改变技术经济指标的措施等。标的措施等。绘制机床联系

8、尺寸图绘制机床联系尺寸图。1/21/202312机床的联系尺寸机床的联系尺寸机床的总布局是通过机床的联系尺寸图体现的。机床的总布局是通过机床的联系尺寸图体现的。在机床的联系尺寸中应包括：在机床的联系尺寸中应包括：(1)(1)机床的机床的外形尺寸外形尺寸，长宽高；，长宽高；各部件的轮廓尺寸。各部件的轮廓尺寸。(2)(2)各部件间的连接、配合和相关各部件间的连接、配合和相关位置的尺寸。位置的尺寸。(3)(3)移动部件的行程移动部件的行程、调整位置的尺寸。调整位置的尺寸。(4)(4)机床的机床的装料高度装料高度、操纵台的高度尺寸操纵台的高度尺寸。(5)(5)机床主机与液压站、电气柜的间距机床主机与液

9、压站、电气柜的间距。1/21/2023131/21/202314 三、样机试制和鉴定三、样机试制和鉴定 3、技术设计；技术设计；4、工作图设计；工作图设计；5、编制技术文件；编制技术文件；6、对图样进行工艺审查和标准化审查。对图样进行工艺审查和标准化审查。1/21/202315第三节第三节 系列化、通用化、标准化和模块化系列化、通用化、标准化和模块化机床的四化是一项重要的技术经济政策，对发展机床的四化是一项重要的技术经济政策，对发展机床新品种，提高机床质量，缩短新机床试制和机床新品种，提高机床质量，缩短新机床试制和生产准备周期保证互换性及协作配套等都有十分生产准备周期保证互换性及协作配套等都有

10、十分重要的意义，其核心是品种系列化。重要的意义，其核心是品种系列化。一、机床的系列化一、机床的系列化定义：定义：为同一类型的机床安排一个系列型谱，统为同一类型的机床安排一个系列型谱，统一规划拟订一系列的各种机床的总体方案，对产一规划拟订一系列的各种机床的总体方案，对产品进行系列设计。品进行系列设计。目的：目的：用最少的规格和最少型式的机床去满足国用最少的规格和最少型式的机床去满足国民经济各生产部门的需要。民经济各生产部门的需要。1/21/202316内内容容制定机床的参数标准：制定机床的参数标准：确定主参数系列和第二主参数确定主参数系列和第二主参数 编制机床的系列型谱：编制机床的系列型谱：根据

11、机床主参数标准的规定，根据机床主参数标准的规定，确定某类型机床的品种、基型确定某类型机床的品种、基型与变型、布局及其应有的技术与变型、布局及其应有的技术性能和技术参数水平。性能和技术参数水平。机床的系列设计：机床的系列设计：应根据机床的系列型谱进行应根据机床的系列型谱进行 1/21/202317 制定了参数标准制定了参数标准,同一主参数的机床，为了同一主参数的机床，为了满足社会的需要，选择用途广，形式易变满足社会的需要，选择用途广，形式易变的机床作为基型，以基型为基础，增加或的机床作为基型，以基型为基础，增加或减少某些另部件的结构而派生出来的机床减少某些另部件的结构而派生出来的机床作为变型，作

12、为变型，(基型基型+变型即构成型谱变型即构成型谱,主参数主参数系列系列+型谱才构成系列型谱型谱才构成系列型谱)在系列型谱的指在系列型谱的指导下，进行产品设计，产品试制，产品定导下，进行产品设计，产品试制，产品定型，实现品种系列化，并逐步做到型，实现品种系列化，并逐步做到“五个五个统一统一”（型号统一；主要参数统一；安装（型号统一；主要参数统一；安装和连接尺寸统一；易损件统一；质量检查和连接尺寸统一；易损件统一；质量检查标准和试验方法统一）以利于机床的生产，标准和试验方法统一）以利于机床的生产，使用，维修，配套和管理。使用，维修，配套和管理。1/21/202318例摇臂钻例摇臂钻床的主参数床的主

13、参数(最大钻孔最大钻孔直径直径)系列系列为为25、40、63、80、100、125mm。摇臂钻床系列型谱中几种型式摇臂钻床系列型谱中几种型式 1/21/202319二、零部件的通用化和标准化二、零部件的通用化和标准化定义：定义：在互换性的基础上，尽可能地扩大零部件在互换性的基础上，尽可能地扩大零部件的使用范围的使用范围,在行业内部利用较少的几种结构，去适在行业内部利用较少的几种结构，去适应较多的产品的需要。应较多的产品的需要。目的目的:以减少企业生产的零、部件种数，使制造厂以减少企业生产的零、部件种数，使制造厂的生产和管理过程简化，以获得较高的经济效益。的生产和管理过程简化，以获得较高的经济效

14、益。优点：优点：减少设计工作量。扩大生产批量，减少工减少设计工作量。扩大生产批量，减少工艺装备，便于管理生产和组织专业化生产，降低成艺装备，便于管理生产和组织专业化生产，降低成本，提高技术，保证质量。本，提高技术，保证质量。1/21/202320机床的零部件一般可分为机床的零部件一般可分为：专用件专用件：某一型号的机床所特有的零部件。：某一型号的机床所特有的零部件。通用件：通用件：本型号机床与其它型号机床间相互通用的本型号机床与其它型号机床间相互通用的零部件。零部件。外购件：外购件：由专门工厂生产的可以购买到的零部件。由专门工厂生产的可以购买到的零部件。标准件：标准件：由国家或行业标准化了的，

15、在各种机床或由国家或行业标准化了的，在各种机床或机器上都可以通用的零部件。机器上都可以通用的零部件。要尽量加大通用件和标准件在零件总数中的比重。要尽量加大通用件和标准件在零件总数中的比重。通用化系数通用化系数=通用件总数通用件总数/（专（专+通）通）例如：通用摇臂钻床例如：通用摇臂钻床Z3012540（最大钻孔直径为（最大钻孔直径为125毫米，最大跨距为毫米，最大跨距为400毫米）通用件为毫米）通用件为386件，件，专用件只有专用件只有71件，通用化系数为件，通用化系数为84.5%标准化系数标准化系数=（标准件总数（标准件总数+外购件总数）外购件总数）/零件总数零件总数 一般标准化系数一般标准

16、化系数 45%-50%1/21/202321三、模块化三、模块化 模块化是通用化的发展。模块化是通用化的发展。其设计的核心就是要设计一其设计的核心就是要设计一系列的模块，系列的模块，在模块化的初步，是使各个部件独立，并在模块化的初步，是使各个部件独立，并有几种方案可供选择。有几种方案可供选择。定义：定义：一组具有同一功能和结合要素（包括连接部件一组具有同一功能和结合要素（包括连接部件的形状，尺寸和连接件之间的配合）而有不同用途（或的形状，尺寸和连接件之间的配合）而有不同用途（或性能）和不同结构且能互换的各个单元（零件、组件、性能）和不同结构且能互换的各个单元（零件、组件、部件或系统）或是能增加

17、机床功能的单元。部件或系统）或是能增加机床功能的单元。优点：优点：产品更新快，开发快。产品更新快，开发快。设计和试制周期短：能极大地适应用户的需要，便于设计和试制周期短：能极大地适应用户的需要，便于 发展多品种小批量产品发展多品种小批量产品成本低，效益好。成本低，效益好。维修方便。维修方便。模块预先经过实验，可确保性能稳定可靠。模块预先经过实验，可确保性能稳定可靠。1/21/202322n设计时应注意模块的互换性和适应性，组成设计时应注意模块的互换性和适应性，组成产品的各模块应产品的各模块应“协调匀称协调匀称”，尤其应注，尤其应注意与主机的区别。意与主机的区别。n模块化的进一步发展是生产的社会

18、化。各种模块化的进一步发展是生产的社会化。各种模块模块(称为称为“功能部件功能部件”或或“单元单元”)由专由专门的工厂制造，作为商品，向社会供应。门的工厂制造，作为商品，向社会供应。1/21/2023231/21/202324第四节第四节 机床的总布局机床的总布局任务：任务：解决解决机床各部件间的机床各部件间的相对运动和相对位置相对运动和相对位置的关系，的关系，并使机床并使机床具有协调完美的造型。具有协调完美的造型。定义：定义：选择机床的形式分配各机床部件之间所需的相对选择机床的形式分配各机床部件之间所需的相对运动的及安排各部件和手柄在整合机床中的相互位置。运动的及安排各部件和手柄在整合机床中

19、的相互位置。合理的总体布局应满足的基本要求：合理的总体布局应满足的基本要求：保证工艺方法所需要的工件和刀具的相对位置和相对运保证工艺方法所需要的工件和刀具的相对位置和相对运动。动。保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗震保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗震性。性。便于观察加工过程，便于操作，调整和修理机床，便于便于观察加工过程，便于操作，调整和修理机床，便于输送装卸工件和排除抗屑，并保证工件安全。输送装卸工件和排除抗屑，并保证工件安全。经济性好。为节省材料，减少机床占地面积。经济性好。为节省材料，减少机床占地面积。1/21/202325一、一、机床的基本型式机床的基本型式

20、通用机床通用机床的总体布局：布局形式是比较成熟的传统形式，的总体布局：布局形式是比较成熟的传统形式，变化不大，如变化不大，如卧式、立式、单臂式和龙门式等，卧式、立式、单臂式和龙门式等，随着科技随着科技的不断发展，也在逐步改善。的不断发展，也在逐步改善。专用机床专用机床的总体布局：布局形式灵活多样，变化较多。参的总体布局：布局形式灵活多样，变化较多。参考通用机床的布局有时对专用机床的布局也是有益的。考通用机床的布局有时对专用机床的布局也是有益的。影响机床总体布局的主要因素影响机床总体布局的主要因素：表面成型方法。表面成型方法。工件尺寸。工件尺寸。工件技术要求。工件技术要求。生产规模和生产率。生产

21、规模和生产率。其它因素：结构、操作、外形、占地、运输和吊装等。其它因素：结构、操作、外形、占地、运输和吊装等。1/21/2023261、卧式机床、卧式机床这种型式的机床的这种型式的机床的重心低重心低，但，但占地面积占地面积较较大大。通常工人通常工人在机床的前面操作在机床的前面操作，适于适于加加工细而工细而长的工件长的工件或需要或需要加工行程较长的工件。加工行程较长的工件。如卧式车床、外圆磨床、卧式镗床、卧式拉如卧式车床、外圆磨床、卧式镗床、卧式拉床等床等。1/21/2023272、立式机床、立式机床 具有占地面积小，工人所具有占地面积小，工人所处的操作位置比较灵活的处的操作位置比较灵活的特点；

22、特点；如立式钻床、立式单柱坐如立式钻床、立式单柱坐标镗床、立式铣床标镗床、立式铣床 等。等。1/21/2023283、单臂式机床、单臂式机床 适于方便地更换适于方便地更换点位进行加工。点位进行加工。但这类布局型式但这类布局型式与框架式相比刚与框架式相比刚度较差，因此应度较差，因此应注意提高刚度。注意提高刚度。1/21/2023294、龙门框架式机床、龙门框架式机床 具有刚度和加工精度具有刚度和加工精度高的特点。高的特点。适用于箱体件的平面适用于箱体件的平面加工，如龙门刨床、加工，如龙门刨床、龙门铣床龙门铣床；或是加工精度和表面或是加工精度和表面粗糙度要求较严的粗糙度要求较严的平面与孔，如立式平

23、面与孔，如立式双柱坐标镗床。双柱坐标镗床。1/21/2023305、数控机床和加工中心的布局型式，是数控机床和加工中心的布局型式，是在普通机床的基础上发展起来的。机在普通机床的基础上发展起来的。机床布局发生了很大的变化。床布局发生了很大的变化。1/21/202331二、机床的运动及其分配对布局的影响二、机床的运动及其分配对布局的影响三、机床性能对布局的影响三、机床性能对布局的影响四、操作、观察与调整对布局的影响四、操作、观察与调整对布局的影响五、机床的造型与色彩五、机床的造型与色彩六、机床的联系尺寸六、机床的联系尺寸1/21/202332影响机床总体布局的因素：影响机床总体布局的因素：（一）表

24、面成形方法（一）表面成形方法v采用不同的刀具、不同表面成形方法和不同表面成形运动，导致机床总体布局的差异。（二）机床运动分配（二）机床运动分配v工件表面形成方法和运动相关，而机床运动工件表面形成方法和运动相关，而机床运动分配不同，机床布局就不同。分配不同，机床布局就不同。（三）工件尺寸、形状与重量（三）工件尺寸、形状与重量v工件的表面形成运动及机床部件的运动分配工件的表面形成运动及机床部件的运动分配基本相同，但是工件的尺寸、重量和形状不同，基本相同，但是工件的尺寸、重量和形状不同，这会引起机床布局的变化。这会引起机床布局的变化。1/21/202333（四）工件的技术要求（四）工件的技术要求v工

25、件的技术要求：尺寸精度、几何精度和表面粗糙度等。v对技术要求高的工件加工在考虑机床布局时尽量提高机床的传动精度和刚度、减少振动和热变形等。v提高机床传动精度缩短传动链。v框架式结构提高机床刚度。v减少振动和考虑热变形对加工精度的影响如高速车床采用分离传动。1/21/202334（五）生产规模和生产率（五）生产规模和生产率v以车床为例，车削盘类零件；v单件小批生产，普通车床加工；v中批生产，转塔车床加工，加工中不需换刀，缩短辅助时间、提高生产率。v大批大量生产，考虑安放自动上下料装置；采用多主轴、多刀架同时加工；控制系统可实现半自动或自动循环等措施，以提高生产率；1/21/202335（六）其他因素（六）其他因素v充分考虑到人的因素，处理好人机关系。减轻劳动强度，提供舒适的工作条件，提高工作效率，v考虑部件相对位置安排、操纵部位和安装工件部位便于观察、操作，并和人体基本尺寸和四肢活动范围相适应。v外形美观、调整、维修、运输吊装等问题。1/21/202336