机械制造装备设计之2金属切削机床-哈工大(威海)黄博优质PPT.ppt

1、减少发热量、散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。u耐用度要求（磨损导致间隙，精度丧失），设计、工艺、材料、热处理、使用等方面考虑减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。u技术经济要求，成本分摊！p柔性化u产品结构柔性化；（装备产品的系列化）u功能柔性化；（少量调整或修改软件，改变功能）n如：备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化、数控化等。p精密化u微米级亚微米级纳米级；装备自身精度已无法凑效，需误差补偿；n热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺性的弹性变形等建模。2.机械制造装备设计方法功能要求p自动化u凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制等。p机电一体化u充分考

2、虑机械、液压、启动、电力电子、计算机软硬件特点，进行合理功能搭配，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最佳技术系统。p节材（加法设计）p符合工业工程的要求u开发阶段：充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳工艺方案，选择合理制造设备，减少工时与材料消耗；u合理进行装备总体布局，优化操作步骤和方法（对作业程序进行分析，取消不必要操作，合并和简化重复和繁琐的工作，缩短操作路线和事件，合理分配两手负荷等），减少操作过程中工人体力消耗；u对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准；p符合绿色工程要求（考虑全生命周期）3.1 金属切削机床设计的基本理论p机床的运动学原理u机床有两

3、个末端执行器n安装工件的执行器（如：铣床工作台、车床主轴的卡盘）；n安装刀具的执行器（如;铣床的主轴、车床的刀架）u工件的加工原理n通过刀具相对工件的运动来完成。n两个末端执行器之间严格的运动关系要靠内联传动系统或坐标轴联动实现机床运动轴的数目、运动性质、各运动轴之间的关系、运动行程等。u工件表面的形成方法及机床运动n任何一个规则表面都可视为：一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹（发生线）母线与导线（举例）n刀具切削刃可分为点切削刃、线切削刃、面切削刃3.1 金属切削机床设计的基本理论p工件加工表面的发生线（刀具切削刃与工件接触并产生相对运动）有4种：u轨迹法na是直线进给运动

4、ne是轨迹法铣圆柱面u成形法（仿形法）nb宽刃车刀u相切法（旋切法）nd是相切法铣圆柱面u展成法（滚切法）nc是展成法，道具和工件间复合的相对运动n1和n2加工表面的形成方法母线形成方法与导线形成方法的结合发生生线1直母直母线发生生线2圆导线发生生线1渐开开线母母线发生生线2直直导线3.1 金属切削机床设计的基本理论p机床的运动分类u运动性质分类n直线运动与回转运动u运动功能分类n成形运动完成工件待加工表面几何形状的生成和金属切除任务的运动n非成形运动切入运动（刀具切入工件）分度运动（工件与加工工具按给定的角度或长度间隔的相对运动）辅助运动（刀具的接近、退刀、返回等）调整运动（调整刀具与工件相

5、对位置或方向）控制运动（一些操纵运动）u运动关系分类n独立运动n复合运动（运动之间严格运动关系，如车螺纹时工件主轴的回转运动与刀具的纵向直线运动，通过内联传动系统或数控联动实现）3.1 金属切削机床设计的基本理论p机床的成形运动u按照速度、动力消耗可分为：n主运动（速度高、动力消耗大）n进给运动（速度低、消耗动力小）u按照其完成的功能分：n主运动（完成金属的切除，也叫切削运动）车削时工件主轴回转运动；铣削时铣刀主轴回转运动；磨削时砂轮主轴回转运动（工件回转不是）；滚齿时滚刀主轴回转运动n形状创成运动（实现表面几何形状的生成，即母线和导线的生成）结合上一个图片讲解点刃车削外圆，直母线需要f（进给

6、）,圆导线要需要n（主运动）；宽刃车削短外圆，直母线无需运动，圆导线需要回转n（主运动）；纵向磨削外圆，直母线需要f（进给），圆导线需要n（主运动）；相切法铣削，直母线1需要回转运动n（主运动），圆导线需要f1和f2（进给）轨迹法长铣削，直母线需要回转n（主）和f（进给），圆导线需回转（成形）滚齿时，渐开线母线需n1和n2展成,直导线需要直线运动f3.1 金属切削机床设计的基本理论p3.1 金属切削机床设计的基本理论p机床的运动原理图u将运动功能式用符合和图形表达出来。u比运动功能式更为直观，全面。包含：n机床的运动轴个数、形式及排列顺序；n两个末端执行器和各运动轴的空间相对方位。u典型运动原

7、理图n车床：Cp主运动，ZfXf进给运动；具有C轴功能的车床，C可与Z或X复合成形，如车螺纹或非圆回转面；n铣床：Cp主运动，XfYfZf进给运动n刨床：往复直线运动Xp为主运动，直线运动Yf为进给；Za为切入运动。3.1 金属切削机床设计的基本理论p典型运动原理图（续）u数控外圆磨床：Cp为主运动，Cf、Zf和Xf为进给运动；Ba为调整运动nXf和Zf复合，可用蝶形砂轮磨削长圆锥面或任意形状回转面；nCf与Zf复合可磨削螺旋面；n长轴纵向进给磨削时，Xf为Xa，是切入运动；（用进给运动符号表示）u摇臂钻床：Cp是主运动，Zf进给运动；XaZaCa都是调整运动u镗床：Cp是主运动，Zf1和Zf

8、2分别是镗孔时工件与镗杆的进给运动；Yf是刀具径向进给，Ba是分度运动，Xa及Ya是调整运动（也可进给以铣削平面）3.1 金属切削机床设计的基本理论p典型运动原理图（续）u滚齿机床：Cp是主运动，Cf和Zf是进给运动；两个C复合创成渐开线nCf与Zf复合创成螺旋导线，可加工斜齿轮；nBa为调整运动，调整刀具的安装角，使刀具与工件齿向一致；n直线运动Ya径向切入运动，径向进给法加工涡轮时，Ya为进给；n有的还有Za 滚刀的轴向蹿刀运动，（加工涡轮时，为径向进给运动）u插齿：Zp是主运动；Cf1与Cf2进给，复合创成渐开线；Ya切入运动3.1 金属切削机床设计的基本理论p典型运动原理图（续）u直齿

9、锥齿轮刨齿机nZp刨刀主运动，Cf与Cf复合展成，Ca是分度运动，Za趋近退离；Ba调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。u弧齿锥齿轮铣齿机nCp铣刀回转主运动，nCf摇架的摆动；nCf工件回转n两个Cf复合展成；nCa是工件分度运动；nZa趋近与退离；nBa是调整运动3.1 金属切削机床设计的基本理论p运动功能分配设计（进一步明确运动功能）u基础支承件尚不明确，即“接地”不明确n接地用符号“.”表示，“.”左侧由工件完成；右侧刀具完成。n如W/Xf,Zf,Yf,Cp/T的运动分配有：W/Xf,Zf,Yf,Cp/T（龙门铣床、落地镗铣床）W/Xf Zf,Yf,Cp/T卧式立柱移动式铣床W/Xf,

10、Zf Yf,Cp/T（立式炮塔铣床）W/Xf,Zf,Yf Cp/T（立式升降台式铣床）n看刀具和工件的尺寸及质量谁大，谁承担的运动就相对少；p机床传动原理图（传动关系，将动力源与执行件，各执行件之间的运动及关系同时表达出来）u看书上的图即可；uA表示直线运动；B表示回转运动；uv表示主传动比；uf表示进给传动比；ui表示内联传动比。3.1 金属切削机床设计基本理论精度p几何精度u空载条件下，不运动或运动速度较低时，机床主要独立部件的：n形状（直线度、平面度）n相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度）；n旋转位移精确程度（径向圆跳动、周期性轴向窜动、端面圆跳动）等u是评价机床质量的基本指

11、标，决定于结构设计、制造装配质量n如（EZZ/EXZ/EYZ）Z坐标运动部件在各方向位置偏差；n（ECZ EBZ EAZ）Z坐标运动部件绕ZYX轴的角度偏差；p运动精度u机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度p传动精度u机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。n传统机床受传统系统设计、传动元件的制造装配精度影响；n数控机床受电动机、导轨等元件精度、驱动器及控制器影响3.1 金属切削机床设计基本理论精度p定位精度u机床的定位部件到达规定位置的精度n受构件与控制系统精度、刚度、动态特性影响。p重复定位精度u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。n还

12、受到传动机构的反向间隙影响。p工作精度u加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。n影响因素有：机床自身精度、刚度、热变形、刀具、夹具、工件的刚度及热变形等。p精度保持性u在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度。n影响因素是：磨损。具体：结构设计、工艺、材料、热处理、润滑等3.1 金属切削机床设计基本理论刚度p刚度指机床受载时抵抗变型的能力，用：K=F/y表示，K为刚度（N/um）;F为载荷；y为机床变形量（um）u载荷：n重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动等。静载荷（基本不随时间变化）静刚度（一般代表机床刚度）动载荷（随时间变化）动刚度（抗振性）p机床由众多构件和柔性

13、接合部组成u整机刚度的50%取决于接合部刚度；u整机阻尼的50%-80%来自接合部阻尼p设计要点u提高各部件刚度；u接合部刚度及各部件间刚度的匹配u各部件对整机刚度贡献不同，所以需要刚度的合理分配与优化。3.1 金属切削机床设计基本理论振动p振动u抵抗受迫振动（来自内部或外部）n受迫振动频率与振源激振力的频率相同，振幅还与机床刚度阻尼有关n机床是多自由度复杂振动系统，具有多个固有频率某个固有频率下自由振动时，各点振幅的比值称为“主振型”一阶主振型最低固有频率的主振型机床的振动是各阶主振型的合成一般只考虑几个低阶振型，如整机摇摆、一阶弯曲、扭转等。u自激振动n发生在刀具与工件间的一种相对振动，由

14、切削过程与机床结构动态特性之间的相互作用产生，与机床系统的固有频率接近。一般认为加工过程中的扰动因素引起（机理不清晰），切削力越大，振动越剧烈u影响振动的主要因素n机床的刚度：构件的材料选择、截面形状、尺寸、肋板分布等；n机床的阻尼：提高阻尼可减少振动。提高接合部阻尼（其占70-90%）n机床系统固有频率：远离激振频率（预测各阶固有频率及激振频率）3.1 金属切削机床设计基本理论热噪稳p热变形u热变形引起误差最大可占全部误差70%u逐渐热平衡，较为稳定的温度场，需分析温度场u措施：减少发热，加快散热、热均衡、温度自动补偿及隔热等。p噪声u用分贝度量u机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声p低速运动平稳性u低速爬行（主动件低速运动时，从动件时快时慢甚至停止