《机械制造装备设计》讲义1.docx
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《机械制造装备设计》讲义1
《机械制造装备设计》讲义
第一章绪论
§1-1“机械制造装备设计”的内涵：
本门课程主要培养同学们的“机械制造装备”，包括机床、工艺装备、仓储运输装备、辅助装备的设计方法和设计理念，培养最基本的设计技能（结构设计、设计计算、标准元件的选用方法、查阅资料的方法）。
§1-2机械制造装备分类：
四大类。
1.加工装备：
俗称“工作母机”。
金属切削机床:
车、铣、刨、磨、钻、镗、拉等。
特种加工机床：
no-traditionalmachining
（1）电加工机床（电火花、线切割、电解）;
电火花——通过电极与工件之间的高压放电，使工件表面金属气化。
煤油作为介质。
铜、石墨等可以作为电极。
导电的难加工材料，形状复杂，微型工件的加工。
线切割——通过钼丝与工件之间的放电进行切割。
导电材料的加工。
模具加工等。
电解加工——通过电化学腐蚀的方法进行加工（中学化学），必须有化学性溶液作为介质。
导电的难加工材料。
（2）高速水射流加工机床;
加磨料的高压高速水流冲击被加工表面，通过磨蚀达到切割的目的，可加工各种非导电的难加工材料，如各种石材、瓷砖等。
（3）高能束流（highenergydensitybeam）加工机床（激光、电子束、离子束加工机床）;
激光加工——高能激光束，经过聚焦，进行加工。
激光切割、焊接、热处理等。
电子束加工——在真空状态下，高能电子束撞击金属表面，使加工区域的金属材料气化。
通过磁场进行方向控制。
离子束加工——用氩离子加速撞击工件表面，将工件表面的原子逐个进行剥离，达到加
工的目的。
（离子刻蚀）
（4）超声波加工机床。
超声振动16kHz，通过变幅杆将振幅放大，使工具端部（靠近工件）产生0.05～0.1mm纵向超声振动，通过工具与工件之间的悬液中的磨料对工件表面产生撞击，去除工件表面的材料。
（5）快速成形机床（RapidPrototyping,RP）:
80年代中后期出现，典型工艺有四种。
光敏树脂液相固化成形——液态光敏树脂，在激光照射下固化。
锻压机床：
锻造机、冲压机、扎制机、挤压机等，属少无屑加工。
2.工艺装备：
刀、夹、量、附（模具）
3.仓储输送装备：
机床上下料装置、物料输送（搬运）装置、自动导航小车、仓储设备（立体仓库）等。
4.辅助装备：
清洗机（装配前进行）、排屑装置等。
§1-3机械制造装备在国民经济中的地位
1.国防现代化离不开机械制造装备
2.振兴国民经济离不开机械制造装备
3.机床工业的发展水平代表着一个国家的机械工业水平
参考资料
除课本和讲义外，可以参考《金属切削机床概论》、《金属切削机床设计》、《加工中心设计与应用》、《机械加工自动化》等。
第二章机床技术发展概述
一、我国机床工业的发展历史
（1）“小巨人”型企业的群体特点：
a.高效益：
50~300人的规模，生产效益50~160万元/人年；
b.产品的技术含量高，附加值大；c.开发手段现代化（各种高新技术、信息技术运用）；
d.管理现代化（符合市场的经济运行机制）。
小巨人是一种“哑铃型”企业，充分利用社会资源，主要瞄准“多品种小批量，量体裁衣的行业”，这种企业是符合目前世界的发展潮流。
（2）NC机床按性能和功能分为三类：
①高级型：
交流、数字驱动，多轴联动（4、5、6轴），5%占有率；
②普及型：
20%占有率；2、3轴
③经济型（简易数控）：
步进电机、单板机、单片机，75%占有率。
值得关注的是，我国在大量进口机床的同时，航空航天、军工急需的高级型数控机床长期被西方“禁运”。
这种局面长此下去必将对我国经济安全运行构成威胁，我们只有一条路可走，就是要加快发展我国自己的数控机床产业。
二我国数控机床技术目前所面临发展机遇与挑战
如果国产数控机床的发展不先行一步，就赶不上装备制造业大发展这班车，这样，装备制造业需要的机床设备大单就会再次落入他人之手（同学们作为将要进入企业，一定要把好这道关）。
目前我国的机床进口额已经非常巨大，我们的压力巨大，必须振兴我国的机床工业，不能再错失良机（已经错失了两次机会），这就是温家宝总理多次强调振兴装备制造业，首先要发展机床工业的原因。
三、机床技术的发展动向
“三高”（高速化、高精密化、高性能化）和“三化”（控制系统的网络化与智能化、机床结构的多功能化、机床工艺的复合化）
1、高速化
（1）.高的主轴转速:
目前高速加工机床普遍采用电主轴。
主轴最高转速普遍达到15000～20000rpm以上，超高速可以达到8万、10万rpm，主轴功率一般为40KW左右。
（2）.高的快速移动速度和进给速度，高的加减速度
（3）.高的换刀速度，高的托盘交换速度，控制系统更高的数据处理速度。
缩短辅助时间，提高加工的实时性。
高速加工：
飞机机翼的整体加工、微型孔加工。
高效加工：
大型水轮机叶片加工。
以提高加工效率为目的。
高性能加工：
各种难加工材料的加工。
如，钛合金等。
2、高精密化
▲目前超精密加工技术已经进入微纳米加工时代：
▲目前超精密加工机床主要采用软件补偿技术提高加工精度，
近10年来，数控机床的加工精度变化情况：
Ø普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，
Ø精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，
Ø超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。
Ø高精度铣削的一般加工精度为10μm，有的还可能更高，而且可分为三个档次：
普通级为5μm，高精密级从3～5μm至1～1.5μm，超精密级可达0.01μm。
Ø微细切削和磨削加工精度可稳定达0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。
Ø采用光、电、化学等能源的特种加工可达到纳米级（0.001μm）的加工精度。
3、复合化加工
（1）工序复合型，应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等，能提供铣削、钻削、攻丝、车削、磨削、焊接和调平多种功能。
例如，镗铣类加工中心是工序复台化数控机床代表，把铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序复台在一台机床上。
车削中心、车铣复合加工中心、磨削中心、齿轮加工中心以及各种复合加工中心。
特点：
多种工序高度集中，一次装夹下完成几乎所有面的加工，加工精度高、加工效率高。
（2）工艺复合型，跨加工类型的复合机床包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。
4、CNC系统的柔性化、系统化、网络化和智能化
▲传统的CNC系统是封闭式系统。
被几个大公司垄断，例如：
日本的FANUC系统市场占有率52%，德国SIMENS系统市场占有率27%。
这些封闭式CNC系统价格贵，不便于二次开发。
国产数控系统主要有华中数控、广州数控，南京华兴，航天数控，蓝天数控，北京凯恩帝，北京凯奇，南京新方达，上海开通，成都广泰，仁和数控，圣维数控，深圳珊星，东方数控。
（分高档、普及型、经济型三种）
▲新一代CNC系统是开放式体系结构。
当前数控系统的几个发展趋势：
Ø全数字化的硬件体系结构；
Ø复合化加工的多主轴技术；
Ø高速高精的控制算法；
Ø智能化控制技术；
Ø网络监控技术；
Ø多轴控制技术；
ØCAD/CAM/CNC集成技术
第三章金属切削机床概论
§3-1机床的分类方法及型号编制
一、机床的分类方法
1.按加工原理的不同将机床分为11大类（基本分类方法）
车C、铣X、刨插床B、磨M、钻Z、镗T、拉L、齿轮加工机床Y、螺纹加工机床S、锯床G、其它机床Q
2.按机床的万能化程度分三类
（1）通用机床（万能机床）generalpurpose/universalmachinetools
可加工多种零件的不同工序，加工范围广。
机床结构复杂，主要用于单件小批生产。
如：
普通车床，卧式铣床等。
（2）专门化机床（专能机床）
专门用于加工不同尺寸的一类或几类零件的某一种（或几种）特定工序。
如，丝杠车床、曲轴车床
（3）专用机床（专机）specialpurposemachinetools
加工某一种（或几种）零件的特定工序。
特点：
按零件的特定工序设计制造的，自动化程度高，生产率高，结构简单、刚性好（功能无冗余）
应用：
适用于大批大量生产。
如汽车、拖拉机厂使用的大部分机床。
3.按照机床的重量分类
（1）微型机床；
（2）仪表机床；（3）中型机床；（4）大型机床：
立车、龙门刨、龙门铣；
（5）重型机床：
矿山、冶金行业多用。
（6）超重型机床。
4.其它分类方法
（1）按照加工精度分类:
同一种机床分为普通、精密、超精密三种等级；
（2）按照自动化程度分类：
手动、机动、半自动、自动机床。
二、机床型号编制方法
1．编制目的：
管理使用方便；反映机床的种类、主要参数、使用及结构特点。
2．我国机床型号编制的历史：
57年1月首次颁布（参照苏联），59、64、71、76、83、85、94修订。
3.通用机床型号的编制方法CA6140
□（□）△△△△（•△）（□）（/△）（X△）
类别代号企业代号
通用及结构特性代码其它特性代号
组别代号
型别代号重大改进顺序号
主参数或设计顺序代号
主轴数
通用特性
高精度
精密
自动
半自动
数控
加工中心（自动换刀）
仿形
轻型
加重型
简式或经济型
柔性加工单元
数显
高速
代号
G
M
Z
B
K
H
F
Q
C
J
R
X
S
读音
高
密
自
半
控
换
仿
轻
重
简
柔
显
S
4．举例说明：
CM6132车床，精密，普通车床组，普通车床型，床身上工件最大回转直径320mm
CA6140车床，结构特性，普通车床组，普通车床型，床身上工件最大回转直径400mm（沈阳机床厂）
C2150•6车床类，多轴自动车组，卧式多轴自动车型，最大棒料直径50mm，六轴
XHF7312铣床，自动换刀，仿型加工，工作台不升降，立拄移动，台面宽1200mm（加工中心）
M1432A磨床类，外圆磨床组，万能外圆磨床型，最大磨削直径320mm，第一次改进
M7150A磨床类，平面磨床组，卧轴矩台磨床型，工作台面宽度500mm，第一次改进
T4163B镗床类，坐标镗床组，单柱坐标镗床型，工作台面宽630mm，第二次改进
THM6350/JCS北京机床研究所生产的精密卧式加工中心。
Z5625×4A/DH大河机床厂生产的经过第一次重大改型，其最大钻孔直径微25mm的四轴立式排钻床。
§3-2机床的运动及运动表示方法
参考《金属切削机床概论》
一、机床的运动
机床完成零件加工是通过刀具和工件之间的相对运动实现的。
1.表面成形运动：
形成被加工表面所必须的运动。
包括：
主运动——消耗功率大；直线运动，回转运动。
进给运动——直线运动，回转运动。
注意：
要求掌握车、铣、镗、钻、刨、拉、拉、齿轮加工等机床的主运动和进给运动是哪些。
2.分度运动：
被加工表面是由许多局部表面所组成时，为使表面成形运动得以连续进行，而采用的运动。
如车螺纹，车双头螺杆，铣齿轮
3．其它运动
切入运动：
保证被加工表面获得所需尺寸的运动。
吃刀、进刀运动
辅助运动:
为切削加工创造条件的运动，如快进/退，转位
二、机床的运动表示方法
1．传动原理图
用一些习惯上常用的示意符号，将机床上具有的最基本的运动及其关系表达出来。
2.传动链（transmissionchain）
机床上两个部件之间的传动联系，称为传动链。
特点：
传动链具有两端件（始末），始末件之间为串联关系。
分类：
内传动链——始末件之间必须保持严格的传动比关系。
如车螺纹
外传动链——始末件之间无严格的传动比关系。
如车外圆
3.传动系统图
用简单的、规定符号表示机床上各传动链的综合简图，是一个展开图，只表示传动关系。
§3-3普通机床
参考《金属切削机床概论》
主要掌握：
普通机床的运动、加工工艺、用途及结构特点等。
一.车、铣、钻、镗、拉、刨
1.车床（lathe）:
（1）主要加工工艺及：
回转面、螺旋面；图
（2）使用的刀具：
车、钻、镗、铰刀；
（3）机床的运动：
主运动，进给运动（两个）
（4）结构类型（用途及其特点）：
车床外观图
a.卧式（horizontaltype）：
普通卧式车床，马鞍车床，六角车床，液压半自动（转塔）车床，回轮式六角车床、长轴车床，落地车床，重型卧式车床（武重），轧辊车床加工（武重），轧辊车床加工
b.立式（正立、倒立）：
（verticaltype）
单柱立式车床，双柱立式车床，单柱立式车床（武重车铣镗），倒立车（德国）
c.斜置式：
排切屑方便，这是数控机床常用形式。
2.铣床（millingmachinetool）
（1）工艺和刀具：
刀具回转（主运动）；
（2）机床的运动：
主运动、进给运动
（3）结构形式：
立式、卧式
3.钻床（drillingmachinetool）
（1）工艺和刀具：
刀具回转（主运动）；
（2）机床的运动：
主运动、进给运动
（3）结构形式：
立式、卧式
二、磨床（grindingmachine）
1.用途：
半精和精加工，尤其适合淬硬材料的加工。
2.工艺及结构类型：
（1）外圆磨床
（2）内圆磨床（3）平面磨床（4）无心磨床
3.万能外圆磨床的运动:
砂轮回转主运动，工件回转运动，工件纵向往复运动，砂轮横向进给运动
4．普通内圆磨床磨削工艺
纵磨法切入磨法磨端面
5．平面磨床
分四种类型：
卧轴矩台、立轴矩台、卧轴圆台、立轴圆台。
几种方式的加工特点：
端面磨削与轮缘磨削相比：
弧线或面接触；磨削砂轮直径大，磨削面积大，加工效率高；冷却困难，不易排屑，加工精度不高。
圆台式：
连续进给，生产率高；适合于小件和大直径环形件加工，不能磨削长工件。
矩台式：
有换向时间损失，效率低。
可以磨削各种零件，尤其是长方形零件（大件）。
6．无心磨削原理
三．组合机床（Unit-typeproductionmachine）
1、结构组成及特点：
以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量的专用部件所组成的专用机床。
一般的组合机床标准件和通用件占总零件70～90%。
2、应用：
适用于大批大量生产。
如汽车、拖拉机、内燃机制造厂。
§3-4齿轮加工机床（gear-cuttingmachine）
参考《金属切削机床概论》
一、齿轮的成形方法
1.铸造、锻造、热（冷）轧、冲压：
精度不高
2.切削加工：
加工精度高，应用广泛
（1）成形法（仿形法）:
刀具与被加工齿轮齿槽形状相同，采用成形刀具加工。
成形铣齿，成形磨齿，成形刨齿，成形插齿
机床运动：
主运动，进给运动，分度运动（辅助运动）
加工刀具的选择：
渐开线齿廓←基圆←m,压力角,z
生产中切制同一种m,
的齿轮时，一般只备有从1～8号八把或1～15号15把刀具组成一套齿轮铣刀，刀齿形状按最小齿数制造。
应用：
可用普通机床加工，多用于精度要求不高的修配行业。
铣刀号数12345678
被切齿数12～1314～1617～2021～2526～3435～5455～134≥135
（2）线切割：
单件生产。
（3）展成法：
应用齿轮啮合原理，只要模数、压力角相同，同一把刀具可以加工不同齿数的齿轮，生产效率高，应用广泛。
二、齿轮加工机床的类型
1．圆柱齿轮加工机床：
滚齿机、插齿机等。
2．锥齿轮加工机床
（1）直齿锥齿轮加工机床：
刨齿机、铣齿机、拉齿机。
（2）曲线锥齿轮加工机床：
铣齿机、拉齿机。
3、精加工齿轮机床：
研齿机、剃齿机、磨齿机。
三、滚齿机（gearhobbingmachine）
1．功用：
加工圆柱直齿（spurgear）、斜齿（helicalgear），蜗轮,花键轴。
2.加工原理：
相当于一对螺旋齿轮的啮合传动过程。
3．滚齿机上直齿轮加工：
（1）运动分析：
传动原理图
展成运动：
内传动链，刀具1/K转——工件1/Z转
垂直进给运动：
影响加工表面粗糙度。
工件1转——垂直移动mm
主运动：
电机rpm——滚刀rpm
（2）滚刀的安装：
使滚刀的刀齿方向和被切齿轮的齿槽方向一致。
安装角δ=滚刀的螺旋升角ω
4．斜齿轮加工：
（1）运动分析：
展成运动：
内传动链，刀具1/K转——工件1/Z转
差动传动：
内传动链，工件1转——垂直移动一个导程T
垂直进给运动：
主运动：
（2）差动传动链附加转动方向判定：
会画出附加转动方向判定图示
（3）滚刀的安装：
使滚刀的刀齿方向和被切齿轮的齿槽方向一致。
右旋刀加工左旋齿轮
右旋刀加工右旋齿轮
5、滚齿机结构：
YC3180
四．插齿机（gearshapingmachine）
1．功用：
内、外圆柱直齿、斜齿；内齿轮，多联齿轮，齿条
2．工作原理：
相当于一对圆柱齿轮的啮合传动。
展成法加工。
3．运动分析：
展成运动：
复合运动，内传动链
主运动：
直齿——直线运动，斜齿——螺旋导轨
径向切入运动
让刀运动：
减少磨损，回程退刀。
4．结构布局：
§3-5数控机床
NC机床的加工特点：
（1）具有较强的加工柔性；
（2）加工精度一致性好；（3）生产率高。
主要掌握：
数控机床的基本结构、布局特点、功能及运动特点。
一．数控车床：
经济型、普及型、高级型；有卧式、斜置式、立式、倒立式
二、车削中心：
多个数控刀架，具有刀具库，双主轴头。
图
三．车铣复合加工中心：
以车削为主，进行车、铣加工，工艺范围宽，有刀库和换刀机械手。
加工叶片方便。
四、数控铣床：
不带刀库和换刀机械手。
立式、卧式
五．镗铣加工中心：
一般指镗铣加工中心，有立式、卧式，龙门式。
联动方式（三轴、四轴、五轴），加工角度变换（刀具、工作台、两侧）
六、加工中心的结构与功能分析：
机床整机结构的刚性，工作台侧/刀具侧的运动及其结构特点。
§3-6车铣复合加工技术及设备
一．车铣复合加工的运动
车铣是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工。
Turn-milling
（1）铣刀的旋转主运动，
（2）铣刀的直线进给运动（轴向、径向）（3）工件的旋转运动。
二．车铣复合加工类型
1、轴向车铣
刀具轴线与工件轴线平行，可以加工外圆和内孔，但其纵向行程有限。
对于铣刀直径大于主轴箱体外径尺寸时，加工外圆时的纵向行程不受限制。
2、正交车铣：
刀具轴线与工件轴线垂直，可加工外圆，纵向行程不受限制。
3、一般车铣：
刀具轴线与工件轴线交错。
三、车铣复合加工的特点
1、易断屑和排屑，切屑长度易于控制：
断续加工。
2、刀具磨损小，耐用度高：
多齿加工，间断切削使刀齿有充分的冷却时间，刀具温度低。
3、易实现高速切削，高速切削的一切优点可以体现出来：
切削力比传统切削下降30％，刀具和工件变形明显下降，有利于薄壁件和细长轴类零件的加工，加工精度和表面质量较好，刀具耐用度高。
另外，切削产生的热量少，减少热变形。
4、工件旋转速度低，加工薄壁件时几乎没有离心力产生变形。
5、工件一次装夹，可完成几乎所有表面的加工，位置精度好。
四．车铣复合加工应用
1、重型或难加工材料回转体毛坯件的粗加工。
如大型轧辊、发电机转子、大型铸管、大型船舶用曲轴及火炮、火箭等壳体件的加工。
2、大型薄壁件回转体的精加工。
3、大型回转体件的高速和超高速加工。
4、需要车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的零件。
五．车铣复合加工研究历史
Ø1955年德国的H.Weber总结了大量的实际生产经验，在《生产技术》上发表了”用硬质合金刀具铣削圆柱表面”—轴向车铣加工。
Ø1983年德国的K．PSofge在他的博士论文《车铣技术》中系统地研究了车铣技术的另一种基本加工方法—正交车铣。
Ø奥地利WFL车铣技术公司于1982年推出世界首台车铣中心。
WNC500S车铣加工中心（即后来的M55车铣加工中心）
车铣复合加工的难点：
（1）运动复杂，编程困难。
国外对车铣理论没有公开。
（2）车铣加工工艺复杂。
（3）车铣复合加工中心价格昂贵。
六、车铣加工设备
车铣机床的种类主要有三大类：
即通用车铣中心、专用车铣机床和准车铣机床。
1、通用车铣中心
市场占有率高,功能齐备,带Y轴功能,主刀架上常设置有B轴摆动功能的专用铣头,常设置自动换刀系统,以主轴控制居多,附加功能有配置双主轴的,有增配转塔车刀架的。
2、专用车铣机床
主要指加工曲轴的车铣机床,商品化的有轴向内铣曲轴车铣机床和轴向外铣曲轴车铣机床两大类。
对于加工船用重型曲轴（200~300t）,有刀盘直径达5.23米的轴向车铣机床,也有高达几百吨的重型曲轴车拉机床。
3、准车铣机床
以动力刀架的车削加工中心为代表的机床。
此类机床可认为是车削加工中心功能的扩展,亦可认为是附带弱铣削功能的车铣机床。
七、车铣加工仿真技术
§3-7虚拟轴机床
一、什么是虚拟轴机床
虚拟轴机床也称并联机床（ParallelKinematicsMachineTools）。
二、虚拟轴机床的特点与传统机床比较
1.优点：
比刚度高、响应速度快及运动精度高。
2.缺点：
运动空间小、空间可转角度（灵活性）小、开放性差。
三、分类
（1）按并联机构的驱动方式分：
内副驱动、外副驱动及内外副混合驱动三大类。
（2）按并联机构的支链配置分为：
纯并联型（Stewart平台为基本构型）混合型
（3）按末端执行器运动自由度数目分为：
6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并联机床。
四.应用实例
1.三杆并联机床
2.六杆并联机床
3.并联机构作为独立的功能模块：
切削、工作台模块
五.虚拟轴机床的发展趋势：
混联形式虚拟轴机床。
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