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1、机械制造装备设计第三章机械制造装备设计第三章 金属切削机床设计 第一节 概述第二节 金属切削机床设计的基本理论第三节 金属切削机床总体设计第四节 主传动系设计第五节 进给传动系设计第六节 主轴部件设计第七节 支承件设计第八节 导轨设计第九节 机床刀架和自动换刀装置设计第十节 机床控制系统设计3.1 概述一、机床设计的发展功能第一位，从功能更多的走向“加工性能”二、机床设计方法已经应用 CAD越来越多的应用 CAE定性 定量静态 动态可行性 最优三、机床设计步骤运动设计主要参数 总体方案 动力设计 综合评价 结构设计3.2 金属切削机床设计的基本理论机床的运动学原理机床运动学是 研究、分析、实现

2、 机床期望的加工功能所需要的运动功能配置几何表面的形成原理图示发生线的形成图示a)点刃车刀车外圆柱面 b)宽刃车刀车外圆柱面 c)砂轮磨外圆柱面 d)盘铣刀铣外圆柱面 e)滚齿加工工件表面的形成方法几何表面的形成原理任何一个表面都可以看成是母线沿着导线运动的轨迹发生线（母线、导线）的形成发生线的形成：1）轨迹法（描述法）a2）成型法（仿形法）b3）相切法（旋切法）c d4）展成法（滚切法）e机床的表面成形运动（成形运动） 各种类型的机床，进行切削加工 必须使刀具和工件完成一系列的运动 机床在加工过程中，完成的各种运动， 按其功能可分为两类表面）成形运动 用来形成被加工表面的运动 非成形运动（辅

3、助运动） 机床上除表面成形运动以外的所有运动根据切削过程中，所起的作用不同，（表面）成形运动 又可分为：主运动 是切下切屑最基本的运动进给运动是使金属层不断投入切削，以加工出整个工件表面所需要的运动任何一种机床，必定有，且通常只有一个主运动但进给运动，可能有一个或几个，也可以没有非成形运动的种类很多，如分度运动切入运动快进、快退、回程、转位等空行程运动起动、停止、变速、变向、夹紧、松开等操纵运动机床的表面成形运动，按其“运动形式”，又可分为简单的成形运动仅做旋转运动或直线运动的成形运动（机床上最易实现）复合的成形运动由两个（或两个以上） 的简单的成形运动按某种严格的运动关系合成的成形运动例：车

4、削外圆， 两个简单的成形运动例：车削螺纹， 一个复合的成形运动例：用齿轮滚刀滚切直齿圆柱齿轮齿面形成渐开线 滚刀旋转和工件旋转 有严格的运动关系要求（啮合运动）滚刀旋转和工件旋转合成的复合的成形运动（范成运动）形成齿轮的齿宽 滚刀沿工件齿宽方向的移动 简单的成形运动注意：复合的成形运动是一个独立的运动而不是两个（或多个）独立的运动机床运动功能方案设计两种表达形式：机床运动功能图机床运动功能式机床运动功能的具体化：机床传动原理图例：65 图3-6 定比传动变速传动 普通车床 数控车床 滚齿机（略）3.2 金属切削机床设计的基本理论精度 几何精度 （机床不运动或低速运动）运动精度（机床空载运动时，

5、执行部件的几何精度）传动精度（运动的协调性和均匀性）定位精度（定位部件运动到规定位置的精度）重复定位精度（重复定位时,位置的一致程度）工作精度（用试件的加工精度表示）精度保持性（在规定的工作时间,保持所要求的精度）刚度（一般指静刚度）抗振性（抵抗受迫振动和自激振动的能力）热变形噪声3.3 金属切削机床总体设计 一、机床系列型谱的制定 二、机床的运动功能设计 三、机床总体结构方案设计 四、机床主要参数的设计3.3.1 机床系列型谱的制定中型卧式机床的简略系列型谱表3.3.2 机床的运动功能设计机床的运动功能分析机床的运动功能方案设计机床的运动功能的具体化_机床传动原理图例: 普通车床、数控车床3

6、.3.3 机床总体结构方案设计 1、运动功能分配设计2、结构布局设计：立式、卧式、斜置式3、机床总体结构的概略形状与尺寸设计3.3.4 机床主要参数的设计 机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。1、主参数和尺寸参数机床主参数是代表机床规格大小 即反映机床最大工作能力的一种参数，（车床_最大车削直径）第二主参数。 （车床_最大工件长度）尺寸参数 （车床_刀架上工件的最大回转直径;主轴孔径）2、运动参数运动参数是指 机床执行件如主轴、工作安装部件（工作台、刀架）的运动速度。主运动参数: 回转运动 主轴转速 rpm r/min 直线运动 每分钟往复

7、次数 专用机床（或组合机床）只有一个转速 通用机床 主轴可以变速 无级 分级 转速级数对于“通用机床”主运动参数：(1) 最低（nmin）和最高（nmax)转速的确定 实际调查和比较同类机床并考虑技术发展和典型工序计算 分析研究 确定 主轴转速的合理排列 主轴转速数列 级数z n1 =nmin nz =nmax 等比级数 n1 n2 n3 n4 nj nj+1 nz 使用机床 v n 设 nj n 1b) 越大，相对转速损失越大 为使最大相对转速损失 不超过50%即Amax= 1 / 注：c) 七个标准公比均为 10和2 的整数次幂d) 所有标准公比均为1.06的整数次幂 方便计算标准数列 （

8、77 表3-6 ） 公比 = 1.06 标准数列应用标准数列应用 P77 例 nmin=10rpm nmax=1600rpm = 1.26 = 从10开始，每隔三个数取值10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600变速范围 Rn 变速范围 Rn 公比 和 转速级数 z 的关系 公比的选用 公比 小 使用性能 生产率损失 转速级数z 机床结构复杂 大 使用性能 生产率损失 转速级数z 机床结构复杂普通机床 一般生产率要求较高 一般 1.26 或 1.41小型机床 希

9、望简化结构 一般 1.58 或 1.78 或 2自动机床 生产率要求更高 一般 1.12 或 1.263、动力参数 主电动机功率的确定（传动件设计 d m 计算的依据） 进给驱动电动机功率的确定 快速运动电动机功率的确定确定方法：调查研究（类比）实际测试并辅以计算 金属切削机床实例课外资料3.4 主传动系设计 一、主传动系设计应满足的基本要求二、主传动系分类和传动方式三、分极变速主传动系四、无极变速主传动系五、数控机床主传动系设计特点3.4.1 主传动系设计应满足的基本要求 1、 满足机床使用性能要求2、 满足机床传递动力要求3、 满足机床工作性能的要求4、 满足产品设计经济性的要求5、 维修

10、调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配。 3.4.2 主传动系分类和传动方式 传动系一般由 动力源（如电动机）、 变速装置 执行件（如 主轴、刀架、工作台）， 以及 开停、换向 和 制动机构等部分组成。 1、主传动系分类 按驱动主传动的电动机类型： 交流电动机驱动、直流电动机驱动 按传动装置类型： 机械传动装置、 液压传动装置、 电气传动装置 以及它们的组合 按变速的连续性： 分极变速传动、无极变速传动 2、主传动系的传动方式 2、主传动系的传动方式 集中传动方式： 主传动系的全部传动和变速机构 集中装在同一个主轴箱内。 图11 分离传动方式 ： 主传动系中的大部分传动和变速机构 装在远离主

11、轴的单独变速箱中。 图12 振动、 热量、 经济性3.4.3 分级变速主传动系 1、拟定转速图和结构式 转速图（一种用来表示“变速传动系统”运动规律的线图） 竖线 代表传动轴 横线 代表转速值（对数坐标，省略了对数符号） 竖线上的园点 传动轴实际具有的转速值 竖线之间的联线 代表传动副结构式（用以表示“变速传动系统”变速特性的表达式）转速图 图13在转速图中可以表示出： 1、传动轴的数目，、传动轴之间的传动关系，电动机、轴、轴、轴、轴、主轴的各级转速值（12级） 31.5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400 及其传动路线，、使主轴获得所需转速级

12、数的变速组数量 及其每一变速组的传动副对数 322 12=322、各传动轴的转速分级和转速值，、各传动副的传动比,、各变速组的级比, 级比指数,转速图图13可以看出：8、各变速组的级比, 级比指数， 传动比：每格或级比：代表相邻两传动比的比值 级比指数：代表相邻两传动比的比值的指数（格数）9、基本组、扩大组基本组：如果要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个 变速组 的级比指数该 变速组 就称为“基本组”转速图图13可以看出：扩大组：第一扩大组：级比指数基本组的传动副数 与 基本组的级比指数的乘积第二扩大组：级比指数第一扩大组的传动副数 与 第一扩大组的级比指数的乘积第三扩大组：级比指数第二扩

13、大组的传动副数 与 第二扩大组的级比指数的乘积一般地说, “扩大顺序” 并不一定要与 “传动顺序” 相同 P88图3-14b转速图图13可以看出：10、各变速组的变速范围： 基本组: 第一扩大组: 第二扩大组: 第三扩大组:为使主轴获得：“连续”而“不重复”的公比为的等比转速数列 变速传动系统的 “各变速组的传动比”应该满足：转速图图13可以看出：为使主轴获得：“连续”而“不重复”的公比为的等比转速数列 变速传动系统的 “各变速组的传动比”应该满足： 每一变速组中各“传动副的传动比”应是一“等比数列”（分叉均匀） 基本组、扩大组满足关系：结构式 用以表示 “变速传动系统” 变速特性的表达式12

14、级变速传动系统 12 12级转速3, 2, 2 按传动顺序排列的各变速组的传动副数下标 表示各变速组的级比指数也可以表示为又，对于18级变速传动系统结构式 常用于分析和比较变速传动系统的传动方案 例: 等等拟定转速图和结构式 图13 1、 变速组和传动副数的确定 每一变速组中的传动副数目, 一般应取为 2 或 3 传动副数多: 箱体轴向尺寸 传动轴、齿轮直径 变速操纵机构 变速齿轮总对数 18=9*2 18=3*3*22、传动副的传动比应在一定的范围 图13 降速传动 最小传动比 结构尺寸 升速传动 最大传动比 振动与噪声 直齿 斜齿 变速组的最大变速范围:图13 直齿 斜齿 3、主变速传动系

15、设计的一般原则图13 （）传动副“前多后少”的原则 （）传动顺序与扩大顺序相一致的原则（ “前密后疏” ） （）变速组的降速要“前慢后快”， 中间轴的转速不宜超过电动机的转速例：中型车床z=12 =1.41 电动机转速=1440rpm 主轴转速31.5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400传动方案 “前多后少”的原则“前密后疏”的原则对于第一扩大组级比对于第二扩大组级比即升速上格降速下格图134、拟定分级变速主传动系的步骤： 、（根据机床类型和规格）确定公比转速级数 ，以及转速数列、（根据机床特点）确定传动方案和结构式、拟定转速图、 （在确定传动

16、参数，如z、m后）拟定传动系统图图13主变速传动系的几种特殊设计 具有多速电动机的主变速传动系设计可以简化机床的机械结构，使用方便。 多刀半自动车床的主变速传动系图和转速图16 具有交换齿轮的变速传动系交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。交换齿轮可用较少的齿轮，以得到多级转速，并使变速箱结构大大简化。 液压多刀半自动车床主变速传动系图17 采用公用齿轮的变速传动系可以减少齿轮的数目，简化结构，缩短轴向尺寸。 铣床主变速传动系图115、扩大传动系变速范围的方法 增加比变速组 采用背轮机构 采用双公比的传动系 采用分支传动、齿轮齿数的确定 对于定比传动的齿轮齿数和带轮直径，可依据机械设计手册推荐的

17、方法确定。对于变速组齿轮齿数的确定原则是：、可能的条件下、齿轮的齿数应该尽量小些尺寸小材料线速度振动、噪声、发热、齿轮的最小齿数应保证不根切少根切或变位、保证三联滑移齿轮能顺利滑移最大和次大齿轮之间的齿数差应大于或等于齿轮齿数的确定 确定变速组齿轮齿数时，关键是选取合理的齿数和。同变速组的各齿轮的模数一般相同（方便设计与制造）同变速组的各对传动副的齿数和相等。（）查表法（）计算法齿轮齿数确定后，还应验算转速误差： 式中： n-主轴实际转速 n-主轴的标准转速 -公比 齿轮齿数确定的“查表法”表3-9 P94-95 可直接由表查得 齿数和 以及小齿轮的齿数 大齿轮的齿数=齿数和 -小齿轮的齿数条

18、件：传动比为标准公比的整数次幂或其倒数例：40,42,44,46,48,50,52,54,56,58,60,62, = 41,46,48,51,53,58,60,63, = 42,45,48,51,54,57,60,63, 24/20/16 30/25/207、计算转速 问题的提出: 机床上广泛使用“单速异步电机” 所能输出的最大功率（即额定功率）是恒定的 因此，机床在各种不同的转速下工作时， 主轴所能提供的最大功率也是恒定的 从而，主轴所需传递的扭矩则随转速的降低而加大 功率扭转特性若按最低转速所传递的扭矩，进行设计计算的话，不合理 (1)传动件的尺寸(2)机床在低转速工作时的实际需要!因此

19、，一般通用机床要求从高于最低转速的某一级转速开始，才能用到电动机的全部功率通用机床主传动系统的“功率特性”和“扭矩特性”计算转速： 有可能使用全部功率的主轴最低转速计算扭矩：主轴计算转速下使用电动机全部功率时，所传递的扭矩 用“计算转速” 对应的 “计算扭矩”来作为传动件强度计算和尺寸设计的依据 科学、合理 过低 尺寸大 过高 使用受限制主轴的计算转速：由表3-10 P97 其他传动件的计算转速：由主轴的计算转速来推算 例 图138、变速箱内传动件的空间布置与计算 变速箱内各传动轴的空间布置 各传动轴是空间布置 （卧式车床主轴箱横截面图23，展开图24） 各传动轴在一个铅直平面内 （卧式铣床变

20、速箱图25） 变速箱内各传动轴的轴向固定 轴向固定的方法有： 一端固定图26、两端固定图27。 各传动轴的估算和验算 按扭转刚度估算轴的直径估算公式100 按弯曲刚度验算轴的直径3.4.4 无级变速主传动系 1、无级变速装置的分类 机床主传动中常采用的无级变速装置 有三大类： 变速电动机、 机械无级变速装置、 液压无级变速装置2、无级变速主传动系设计原则 (1)尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置。 (2)无极变速装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求， 尤其是恒功率调速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。通常把无极变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用。3.4.5

21、 数控机床主传动系设计特点1、主传动采用直流或交流电动机无级调速 直流电动机无级调速，一般直流电动机恒转矩调速范围较大，达30，甚至更大； 而恒功率调速范围较小，仅能达到23。 交流电动机无级调速，一般交流电动机：体积小，转动惯性小，动态响应快；采用全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。2、数控机床驱动电动机和主轴功率特性的配设计问题：主轴要求的恒功率变速范围 远大于 电动机恒功率变速范围解决：在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削对电动机输出功率的要求。 设计分级变速箱时， 变速箱公比的选取有下列三种情况：2、数控

22、机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计(1)取变速箱的公比 等于电动机的恒功率调速范围 ， 即 = ， 功率特性图是连续的，无缺口和无重合。 (2)若要简化变速箱结构，变速级数应少些， 变速箱公比 取大于电动机的恒功率调速范围 ， 即 。 图31、图32 变速时每档内部有部分只能是“恒扭矩”变速 主轴的功率特性图中，出现“缺口”为保证“缺口”处的功率，电动机的功率应相应增大！(3)如果数控机床为了恒线速切削需在运转中变速时， 取变速公比 小于电动机的恒功率变速范围 ， 即 ， 在主传动系功率特性图上有小段“重合”， 这时变速箱的变速级数将增多。图33、图34 例题： 某数控车床，主轴最高转数

23、3000 r/min， 最低转数 =40 r/min， 计算转速 =160 r/min, 采用直流电动机，电动机功率P电15KW， 电动机的额定转速 =1500 r/min， 最高转速 3500 r/min 试设计分级变速箱的传动系统，画出其转速图。 解：方案一：取Z=4， =2，由于 小于 ， 所以转速图上有重复。方案二：取Z=2， =2.84，由于 大于 ， 所以转速图上有缺口。 3、数控机床高速主传动设计 对于高速和超高速数控机床主传动， 一般采用两种设计方式： (1)采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接成一体； (2)是将电动机与主轴联合为一体，制成内装式电主轴（图35）。4、数控机床采

24、用部件标准化、模块化结构设计（自学） 中小型数控车床主传动系设计中， 广泛采用模块化的变速箱和主轴单元形式。 数控车床模块部件构成图365、数控机床的柔性化、复合化（自学） 数控机床对满足加工对象变换有很强的适应能力（即柔性），因此发展很快。 车削中心各控制轴示意图37 6、虚拟轴机床设计 虚拟机床采用平台闭环并联结构，具有刚度高，运动部件质量轻，机械结构简单，制造成本低等优点。 虚拟轴机床外形图38 并联机床课外资料3.5 进给传动系设计 一、进给传动系设计应满足的基本要求二、电气伺服进给系统3.5.1 进给传动系设计应满足的基本要求1、进给传动系的组成（自学） 动力源、变速机构、换向机构、

25、运动分配机构、 过载保险机构、运动转换机构和执行件等。2、进给传动系设计应满足的基本要求（自学） 具有足够的静刚度和动刚度； 具有良好的快速响应性，不爬行； 抗振性好； 具有足够宽的调速范围； 进给系统的传动精度和定位精度高； 结构简单，加工和装配工艺性好。3.5.2 电气伺服进给系统1、电气伺服系统的分类 开环闭环半闭环1、电气伺服系统的分类（自学） 开环系统 典型的开环系统采用步进电动机， 其精度取决于步进电动机的步距角精度， 这类系统的定位精度较低， 但结构简单，调试方便，成本低。 适用于精度要求不高的数控机床中。闭环系统 检测反馈装置有两类： 用旋转变压器作为位置反馈，测速发电机作为速度反馈； 用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。 后者用的多。 闭环控制的定位精度 取决于检测装置的精度。 其控制精度、动态性能都较好， 但是较复杂，安装 调试较麻烦，成本高， 用于精密型的机床上。半闭环系统 半闭环的精度比闭环差， 但系统稳定性好，且结构比较简单，调整容易，价格低。 综上所述， 对伺服系统的基本要求是： 稳定性好精度要高快速 响应性好定位精度高。 2、电气伺服进给系统驱动部件（自学）对进给驱动部件的基本要求 调速范围宽，低速运行平稳，无爬行； 快速响应性好； 抗负载振动能力强