哈工大工程材料第4章

1、 第4章 機(jī)床設(shè)計(jì)總論4.1 概 述 金屬切削機(jī)床 基礎(chǔ)裝備 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)床提出了新的要求給機(jī)床設(shè)計(jì)和制造提供了新手段2022/7/131整理ppt計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）計(jì)算機(jī)技術(shù)和分析技術(shù)的飛速進(jìn)步，為機(jī)床設(shè)計(jì)方法的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐的廣泛應(yīng)用2022/7/132整理ppt人工繪圖 計(jì)算機(jī)繪圖傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)定性設(shè)計(jì) 定量設(shè)計(jì)靜態(tài)和線性分析 向動(dòng)態(tài)和非線性分析可行性設(shè)計(jì) 最佳設(shè)計(jì)2022/7/133整理pptFMS的發(fā)展數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，改變了機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)“以機(jī)床為主的系統(tǒng)”設(shè)計(jì)“以系統(tǒng)為主的機(jī)床設(shè)計(jì)”2022/7/134整理ppt通用機(jī)床

2、系列化設(shè)計(jì)方法基型產(chǎn)品其它產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)變型設(shè)計(jì)組合機(jī)床組合設(shè)計(jì)類型2022/7/135整理ppt4.1.1 機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求 1. 工藝范圍（加工功能） 加工方法 工件類型 加工表面形狀、尺寸等 工藝范圍2022/7/136整理ppt 2. 精度具有精度、保持精度機(jī)床精度幾何精度傳動(dòng)精度運(yùn)動(dòng)精度定位精度精度保持性普通精度級(jí)、精密級(jí)和高精度級(jí)工作精度空載精度2022/7/137整理ppt 1）幾何精度 幾何精度是指機(jī)床空載條件下，在不運(yùn)動(dòng)或低速運(yùn)動(dòng)時(shí)各主要部件的形狀、相互位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精確程度。2022/7/138整理ppt 2）運(yùn)動(dòng)精度 運(yùn)動(dòng)精度是指機(jī)床空載并以工作速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要零

3、部件的幾何位置精度。如高速回轉(zhuǎn)主軸的回轉(zhuǎn)精度。 2022/7/139整理ppt3）傳動(dòng)精度 傳動(dòng)精度是指機(jī)床傳動(dòng)系各末端執(zhí)行件之間運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和均勻性。2022/7/1310整理ppt4）定位精度 定位精度是指機(jī)床的定位部件運(yùn)動(dòng)到達(dá)規(guī)定位置的精度。 2022/7/1311整理ppt5）工作精度 加工規(guī)定的試件，用試件的加工精度表示機(jī)床的工作精度2022/7/1312整理ppt6）精度保持性 在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持機(jī)床所要求的精度2022/7/1313整理ppt3. 剛度 （1）概述 機(jī)床剛度指機(jī)床系統(tǒng)抵抗變形的能力，通常用下式表示 KF/y式中K機(jī)床剛度（Nm）； F 作用在機(jī)床上的載荷（N

4、） y 在載荷作用下，機(jī)床或主要零、部件的變形2022/7/1314整理ppt靜載荷 靜剛度動(dòng)載荷 動(dòng)剛度（2）整機(jī)剛度整機(jī)在靜載荷作用下抵抗變形的綜合能力各部件的剛度結(jié)合部的剛度優(yōu)化2022/7/1315整理ppt 4. 抗振性 交變載荷作用下，抵抗變形的能力。 （1）受迫振動(dòng) （2）自激振動(dòng)（切削穩(wěn)定性） （3）振動(dòng)影響因素a）機(jī)床的剛度b）機(jī)床的阻尼特性c）機(jī)床系統(tǒng)固有頻率2022/7/1316整理ppt 5. 熱變形 1）概述 機(jī)床在工作時(shí)受到內(nèi)部熱源和外部熱源的影響，使機(jī)床各部分溫度發(fā)生變化。因不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，機(jī)床各部分的變形不同，導(dǎo)致機(jī)床產(chǎn)生熱變形，使加工工件產(chǎn)生誤差。最

5、大可占全部誤差的70左右。 熱源：內(nèi)部（電機(jī)、液壓系統(tǒng)、摩擦、切削熱等） 外部（環(huán)境溫度、熱輻射等） 2）熱平衡的溫度場(chǎng)2022/7/1317整理ppt6. 低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 （一）爬行現(xiàn)象和機(jī)理 （二）爬行的度量 （1）爬行量 用機(jī)床部件位移時(shí)間曲線表示 （2）速度波動(dòng)量 用機(jī)床部件速度時(shí)間曲線表示 （3）爬行的臨界速度 vc=Ff/(2km)0.5 （三）消除爬行的措施2022/7/1318整理pptmvCF導(dǎo)軌主動(dòng)件進(jìn)給系統(tǒng)被動(dòng)件進(jìn)給傳動(dòng)的力學(xué)模型2022/7/1319整理ppt1）減小靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差；2）提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度；3）提高阻尼比和降低移動(dòng)件質(zhì)量。滾動(dòng)摩擦卸荷導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌減

6、摩材料潤(rùn)滑2022/7/1320整理ppt7. 噪聲 1）概述 2）噪聲的度量指標(biāo) 1客觀度量 20lg p/p0 2噪聲的主觀度量2022/7/1321整理ppt3）機(jī)床噪聲 1）機(jī)械噪聲 2）液壓噪聲 3）電磁噪聲 4）空氣動(dòng)力噪聲2022/7/1322整理ppt 8. 生產(chǎn)率 9. 自動(dòng)化 10. 可靠性 11. 成本 12. 生產(chǎn)周期 13. 柔性 14. 開放性 15. 宜人性2022/7/1323整理ppt4.1.2 機(jī)床設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)任務(wù)確定結(jié)構(gòu)原理方案機(jī)床總體設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)機(jī)床整機(jī)綜合評(píng)價(jià)滿足設(shè)計(jì)要求？機(jī)床定型設(shè)計(jì)NY2022/7/1324整理ppt主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)工藝

7、范圍生產(chǎn)率性能指標(biāo)主要參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)原理成本及生產(chǎn)周期1. 確定結(jié)構(gòu)原理方案材料質(zhì)量形狀及尺寸2022/7/1325整理ppt傳動(dòng)方式傳動(dòng)原理圖傳動(dòng)系統(tǒng)圖尺寸參數(shù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)力參數(shù)2.總體設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)基本參數(shù)設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)形式功能排列順序運(yùn)動(dòng)功能分配總體布局結(jié)構(gòu)形式總體結(jié)構(gòu)方案圖控制方式及控制原理控制系統(tǒng)圖總體方案綜合評(píng)價(jià)與選擇總體方案的設(shè)計(jì)修改或優(yōu)化2022/7/1326整理ppt3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.工藝設(shè)計(jì)5. 機(jī)床整機(jī)綜合評(píng)價(jià)6. 定型設(shè)計(jì)2022/7/1327整理ppt 4.2.1 機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理 1、機(jī)床的工作原理 基本功能：是提供切削加工所必須

8、的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 基本工作原理：通過(guò)刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由刀具切除工件加工表面多余的金屬材料，形成工件加工表面的幾何形狀、尺寸，達(dá)到其精度要求。 4.2 機(jī)床總體設(shè)計(jì)2022/7/1328整理ppt2、機(jī)床的運(yùn)動(dòng) （1）主運(yùn)動(dòng)切削運(yùn)動(dòng) （2）形狀創(chuàng)成運(yùn)動(dòng)形成發(fā)生線2022/7/1329整理ppt2022/7/1330整理ppt3、機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能的描述方法機(jī)床總體坐標(biāo)系：直角坐標(biāo)系1）坐標(biāo)系X，Y，Z沿軸的直線運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)量A，B，C繞X，Y，Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繞X，Y，Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)量2022/7/1331整理ppt （l）局部坐標(biāo)系固定在運(yùn)動(dòng)部件上； （2）運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)床坐標(biāo)系軸線平行時(shí)，取各局

9、部坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系方向一致，取運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆i 軸； （3）當(dāng)有斜置式運(yùn)動(dòng)時(shí)，可混合選取 。局部坐標(biāo)系的選取2022/7/1332整理ppt 運(yùn)動(dòng)功能式表示機(jī)床的運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)、形式、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、非成形運(yùn)動(dòng)，分別用下標(biāo)p，f，a表示）及排列順序。 左邊寫工件，用W表示；右邊寫刀具，用T表示，中間寫運(yùn)動(dòng)，按運(yùn)動(dòng)順序排列，并用“”分開。 2）機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能式2022/7/1333整理ppt WCp，Zf，XfT車床的運(yùn)動(dòng)功能式三軸升降臺(tái)式銑床的運(yùn)動(dòng)式 WXf，Yf，Zf，Cp/T2022/7/1334整理ppt3）機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能圖回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)符號(hào)2022/7/1335整理ppt車床三軸升降臺(tái)

10、銑床2022/7/1336整理ppt龍門刨床2022/7/1337整理ppt外圓磨床搖臂鉆床2022/7/1338整理ppt坐標(biāo)鏜床2022/7/1339整理ppt2022/7/1340整理ppt4、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)和串聯(lián)運(yùn)動(dòng) 特點(diǎn)：精度高、剛度高、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小、速度高并聯(lián)運(yùn)動(dòng)虛擬串聯(lián)運(yùn)動(dòng)2022/7/1341整理ppt六個(gè)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)三個(gè)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)2022/7/1342整理ppt 運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì)是確定運(yùn)動(dòng)功能式中“接地”的位置，用“”符號(hào)表示。“”符號(hào)左側(cè)的運(yùn)動(dòng)由工件完成，右側(cè)的運(yùn)動(dòng)由刀具完成。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能式中添加上“”接地符號(hào)后，可稱為運(yùn)動(dòng)分配式。 4.2.3 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)1、運(yùn)動(dòng)功能分配

11、設(shè)計(jì)2022/7/1343整理ppt銑床的運(yùn)動(dòng)功能式 WXf，Zf，Yf，Cp/T，其運(yùn)動(dòng)分配式有： 1）W Xf，Zf，Yf，CpT； 2）WXf Zf，Yf，CpT； 3）WXf，Zf Yf，CpT； 4）WXf，Zf，Yf CpT。2022/7/1344整理ppt2、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局形式有立式、臥式及斜置式等； 其中基礎(chǔ)支承件的形式又有底座式，立柱式，龍門式等； 基礎(chǔ)支承件的結(jié)構(gòu)又有一體式和分離式等等。 2022/7/1345整理ppt2022/7/1346整理ppt3、機(jī)床總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計(jì) 1）首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀與尺寸。 2）設(shè)計(jì)末端執(zhí)行件與其相鄰的下

12、一個(gè)功能部件的結(jié)合部的形式、概略尺寸。 3）根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)合部的設(shè)計(jì)結(jié)果和該運(yùn)動(dòng)的行程尺寸，確定下一個(gè)功能部件的概略形狀與尺寸； 4）重復(fù)上述過(guò)程，直到基礎(chǔ)支承件（底座、立柱、床身等）設(shè)計(jì)完畢。2022/7/1347整理ppt 5）若要進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)、則可將功能部件細(xì)分成子部件，根據(jù)制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃，進(jìn)行模塊提取與設(shè)置。 6）初步進(jìn)行造型與色彩設(shè)計(jì)。 7）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案的綜合評(píng)價(jià)。 8）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)修改與確定 。2022/7/1348整理ppt2022/7/1349整理ppt4.2.4 機(jī)床主要參數(shù)的設(shè)計(jì)1、主參數(shù)和尺寸參數(shù) 主參數(shù)是代表機(jī)床規(guī)格大小及反映機(jī)床最大工作能力的一種參數(shù)

13、，為了更完整地表示出機(jī)床的工作能力和工作范圍，有些機(jī)床還規(guī)定有第二主參數(shù)。尺寸參數(shù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)力參數(shù)主參數(shù)基本參數(shù)主要參數(shù)2022/7/1350整理ppt通用機(jī)床主參數(shù)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選用專用機(jī)床的主參數(shù)：以零件或被加工面的尺寸參數(shù)來(lái)代表。2022/7/1351整理ppt尺寸參數(shù)：機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)通常包括： 1）與被加工零件有關(guān)的尺寸 2）標(biāo)準(zhǔn)化工具或夾具的安裝面尺寸 2022/7/1352整理ppt 2、運(yùn)動(dòng)參數(shù) 運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指機(jī)床執(zhí)行件如主軸、工件安裝部件（工作臺(tái)、刀架）的運(yùn)動(dòng)速度。 1）主運(yùn)動(dòng)參數(shù)主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床如插、刨機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)參數(shù)是插刀或刨刀每分

14、鐘往復(fù)次數(shù)（次分）。2022/7/1353整理ppt專用機(jī)床和組合機(jī)床：通常主軸只須一種固定轉(zhuǎn)速 n=1000v/d 式中 n主軸轉(zhuǎn)速（rmin）； v切削速度（mmin）； d工件或刀具直徑（mm）。通用機(jī)床：主軸具有多轉(zhuǎn)速。 確定變速范圍設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮 確定變速方式（無(wú)級(jí)變速和有級(jí)變速 ） 確定有級(jí)變速的級(jí)數(shù)2022/7/1354整理ppt（1）最低（nmin）和最高（nmax）轉(zhuǎn)速的確定D 機(jī)床能加工的最大直徑（mm）；K 系數(shù)；Rd 計(jì)算直徑范圍。0.20.252022/7/1355整理ppt例：確定400mm臥式車床主軸的最高、最低轉(zhuǎn)速。（采用硬質(zhì)合金車刀半精車小直徑外圓時(shí)轉(zhuǎn)速最高）（

15、采用高速鋼車刀精車合金鋼材料的梯形螺紋時(shí)轉(zhuǎn)速最低）2022/7/1356整理ppt（2）主軸轉(zhuǎn)速的合理排列 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速是按等比級(jí)數(shù)排列，其公比用符號(hào)表示。則轉(zhuǎn)速數(shù)列為:轉(zhuǎn)速呈等比級(jí)數(shù)排列的原因： 轉(zhuǎn)速相對(duì)損失均勻； 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便。2022/7/1357整理ppt相對(duì)轉(zhuǎn)速損失率：最大損失率：若：則：2022/7/1358整理ppt 因此，轉(zhuǎn)速分配如下： 最大相對(duì)損失率 變速范圍2022/7/1359整理ppt（3）標(biāo)準(zhǔn)公比值和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列 標(biāo)準(zhǔn)公比的確定依據(jù)如下原則： 1 2 我國(guó)機(jī)床專業(yè)GC58-60規(guī)定了7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)公比： 1.06, 1.12, 1.26, 1.41, 1.58, 1.78,

16、 2注：在設(shè)計(jì)其他機(jī)械時(shí)也常常采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)； 當(dāng)機(jī)械的變速級(jí)數(shù)過(guò)多時(shí)，往往采用兩個(gè)以上公比。2022/7/1360整理ppt表3-5 標(biāo)準(zhǔn)公比1.061.121.261.411.581.7822Amax5.7%11%21%29%37%44%50%1.0611.0621.0641.0661.0681.06101.06122022/7/1361整理ppt（4）公比的選用 對(duì)于通用機(jī)床，為使轉(zhuǎn)速損失不大，機(jī)床結(jié)構(gòu)又不過(guò)于復(fù)雜，一般取1.26或1.41；對(duì)于大批，大量生產(chǎn)用的專用機(jī)床，專門化機(jī)床及自動(dòng)機(jī)一般取1.12或1.26，因其生產(chǎn)率高，轉(zhuǎn)速損失影響較大，且又不經(jīng)常變速，可用交換齒輪變速， 非自動(dòng)

17、化小型機(jī)床，加工中切削時(shí)間遠(yuǎn)小于輔助時(shí)間，轉(zhuǎn)速損失大些影響不大，故可取1.58、1.78甚至2。2022/7/1362整理ppt12481631.563125250500100020001.062.124.258.51733.567132265530106021201.122.244.59.01835.571140280560112022401.182.364.759.52937.575150300600118023601.252.55.010204080160315630125025001.322.655.310.621.242.585170335670132026501.42.85.611

18、.222.44590180355710140028001.53.06.011.823.647.590190375750150030001.63.156.312.52550100200400800160031501.73.356.713.226.553106212425850170033501.83.557.1142856112224450900180035501.93.757.515306011823647595019003750表3-6 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列2022/7/1363整理ppt（5）變速范圍Rn，公比 和級(jí)數(shù) Z 的關(guān)系 由等比級(jí)數(shù)規(guī)律可知兩邊取對(duì)數(shù)注意：a) 計(jì)算出的公比應(yīng)該圓整為標(biāo)準(zhǔn)值;

19、 b) 級(jí)數(shù)應(yīng)該圓整為整數(shù)。同時(shí)修正 Rn2022/7/1364整理ppt例：有一臺(tái)機(jī)床，主軸共有12級(jí)轉(zhuǎn)速，分別為：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400。公比為 =1.41，則最大相對(duì)轉(zhuǎn)速損失率：變速范圍：2022/7/1365整理ppt例：設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)床，nmin=12.5r/min，nmax=2000r/min， =1.26。查表確定各級(jí)轉(zhuǎn)速。12.5, 16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000,

20、1250, 1600, 2000 所以：每隔3個(gè)數(shù)取一個(gè)數(shù)得到下面數(shù)列 查表3-6找到最低轉(zhuǎn)速12.5 因?yàn)椋?.26=1.0642022/7/1366整理ppt2）進(jìn)給量的確定數(shù)控機(jī)床 無(wú)級(jí)變速 無(wú)級(jí)變速普通機(jī)床 等比級(jí)數(shù)（加工外圓、端面） 有級(jí)變速 （普通車床加工螺紋） 等差數(shù)列 （螺紋車床） （刨床、插床等棘輪 機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)床）2022/7/1367整理ppt3. 動(dòng)力參數(shù)電動(dòng)機(jī)的功率或扭矩1）主電動(dòng)機(jī)功率的確定 P主=P切+P空+P附式中 P切切削功率（有效功率）（kW）； P空空載功率（kW）； P附附加摩擦損耗功率（kW）。（1）切削功率2022/7/1368整理ppt（2）空載功率（3）摩擦損耗功率則2022/7/1369整理ppt主電機(jī)功率的估算：2022/7/1370整理ppt 2）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定 機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)源可分成如下幾種情況： 1）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主運(yùn)動(dòng)合用一個(gè)電動(dòng)機(jī)，如臥式車床、鉆床等。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)消耗的功率遠(yuǎn)小于主傳動(dòng) 2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中工作進(jìn)給與快速進(jìn)給合用一個(gè)電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于快速進(jìn)給所需功率遠(yuǎn)大于工作進(jìn)給的功率，且二者不同時(shí)工作，所以不必單獨(dú)