第3章 金属切削机床设计

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刚
度
机床抵抗变形的能力
K=
F y
K:机床刚度（N/µm) K: N/µm) F：作用在机床上的载荷（N） y：在载荷作用下，机床或零部件的变(µm)
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抗 振 性
受迫振动：机床及其零部件都是弹性系统， 受迫振动：机床及其零部件都是弹性系统，当受到随时间变化 的外力、位移、速度或加速度等激振作用时， 的外力、位移、速度或加速度等激振作用时，产生 振动 自激振动：在没有周期性外力的作用下， 自激振动：在没有周期性外力的作用下，由系统内部激发及反 馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动 振动影响因素：机床的刚度、阻尼特性、 振动影响因素：机床的刚度、阻尼特性、固有频率
主运动电机功率的确定
P主 = P切 + P空 + P辅
调查、统计、类比法 — 常用 计算法 — 情况复杂、载荷难定、摩擦损失难定（研究不够），此法作参考。
P切：消耗于切削的功率，有效功率（KW） P空：空载功率（KW） P辅：机械摩擦损耗功率（KW）
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动力参数
1. P空的计算
标准数列
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例：根据表3-3，查转速数列。 根据表 ，查转速数列。
n = 30 rpm , n = 1320 , ϕ = 1.41 = 1.06 n = 30,42 .5,60,85,118,170 ,236 ,335,475,670 ,950 ,1320 .
6 min max
公比的选用
主要技术指标设计：用途、生产率、性能指标、 主要技术指标设计：用途、生产率、性能指标、主要参数 驱动方式、 驱动方式、成本及生产周期 总体方案设计：运动功能设计、基本参数设计、 总体方案设计：运动功能设计、基本参数设计、传动系统设 计、结构布局设计、控制系统设计 结构布局设计、 总体方案综合评价与选择 总体方案的设计与优化
分级变速主传动系统 无级变速主传动系统
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铣 床 主 变 速 传 动 系 统 图
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分 离 传 动 主 变 速 传 动 系 统 图 图 3-12 3-12 3-12 3-12
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分级变速主传动系统
拟定转速图和结构式（图3-13）
转速图表示： 主轴各级转速的传动路线； 传动组，传动副数； 传动组级比指数。主动轴上同一点，传往被动轴相邻两连线 与被动轴交点之间相距的格数，上例：Xa=1,Xb=3,Xc=6. 级比：传动组内相邻两传动比之比称级比。 级比指数：传动组内相邻两传动比相距的格数称级比指数
2. P切的计算
3. P辅的计算
η床为机床总机械效率。主运动为回转运动时，通常，η床＝0.7 ～ 为机床总机械效率。主运动为回转运动时，通常， 0.85;主运动为直线运动时，η床＝0.6～0.70。 主运动为直线运动时， 主运动为直线运动时 ～ 。
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第四节 主传动系统设计
主传动系统种类：交流电机驱动、直流电机驱动 机械传动、液压传动、电气传动 分级变速传动、无级变速传动 主传动系统的传动方式：集中传动（图3-11） 分离传动（图3-12）
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机床主要参数的设计
机床主要参数：尺寸参数、运动参数、 机床主要参数：尺寸参数、运动参数、动力参数 1、尺寸参数 、
如摇臂钻床： 如摇臂钻床： 主参数——最大钻孔直径 主参数——最大钻孔直径 第二主参数——最大跨距 最大跨距∆ 第二主参数 最大跨距 其他——主轴端到底座工作台面 其他 主轴端到底座工作台面 最大H，主轴工作行程h。 最大 ，主轴工作行程 。 上述主要结构尺寸定后， 上述主要结构尺寸定后，就限 制了被加工零件的尺寸。 制了被加工零件的尺寸。
第三章
金属切削机床设计
第一节 概述
机床设计应满足的要求
工艺范围、柔性、与物流系统的可亲性、刚度、 工艺范围、柔性、与物流系统的可亲性、刚度、精 噪声、生产率和自动化、成本、生产周期、 度、噪声、生产率和自动化、成本、生产周期、可靠 性、造型与色彩
机床设计的步骤
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机床设计步骤
总体设计
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2、运动参数
主运动参数
1000 v n= (r ( r / min) πd
n—主轴转速（r/min); 主轴转速（ v—切削速度 主轴转速 切削速度 (m/min); d—工件（或刀具）直径（ 工件（ 工件 或刀具）直径（ mm）. ） 确定n 确定 min和nmax
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卧式车床主变速传动系统图和转速图 a)传动系统图 b)转速图
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转速图表示
基本组和扩大组. 基本组:传动组的级比指数为1。 前例：Xa=1=Xo, Pa=Po=3 Pb=2 Xb=Xa×Pa=1×3=3 Xc=Xb×Pb=3×2=6 即Xi=Xi-1×Pi-1——级比规律 传动组变速范围： ——即传动组中最大与最小传动比的比值 Ri=(umax)i/(umin)i
n
max
n ϕ =
1
z −1
min
n
= ϕ
1
z −1
φ=
(Z −1 )
R
lg R
n
=
(Z
n
n
− 1 ) lg φ + 1
lg R Z = lg φ
进给量的确定
变速形式与驱动方式的选择
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动力参数
调查、统计、类比法 — 常用 计算法 — 情况复杂、载荷难定、 摩擦损失难定（研究不 够），此法作参考。
非成形运动：切入、分度、辅助、 非成形运动：切入、分度、辅助、控制等运动 独立运动 复合运动： 复合运动：与其它运动间有严格关系要求
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机床运动功能方案设计
工艺分析 选取坐标系
X、Y、Z、A、B、C 、 、 、 、 、 x、y、z、α、β、γ 、 、 、 、 、
写出机床运动功能式：运动功能式表示机床的运动个数、 写出机床运动功能式：运动功能式表示机床的运动个数、
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标准公比和标准转速数列
ϕ −1 × 100% ≤ 50%则ϕ ≤ 2 A = ϕ ∴1 < ϕ ≤ 2
max
φ为2或10的某次方根 ，表3-2，表3-3 为 或 的某次方根 表 ， 便于采用双速电机；便于记忆。
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表3-5
标准公比φ 标准公比
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精
度
几何精度：机床空载条件下， 几何精度：机床空载条件下，不运动或运动速度较低时 各主要部件的形状、 各主要部件的形状、相互位置和相对运动的 精确程度 运动精度：机床空载并以工作速度运动时， 运动精度：机床空载并以工作速度运动时，主要零部件 的几何位置精度 传动精度： 传动精度：机床传动系统各末端执行件之间运动的协调 性和均匀性 定位精度 工作精度 精度保持性:主要影响因素是磨损 精度保持性 主要影响因素是磨损
形式、 形式、功能及排列顺序
画出机床运动功能图： 画出机床运动功能图：图3-5、图3-6 、 绘制机床传动原理图： 绘制机床传动原理图：图3-7
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运动功能图形符号 a)回转运动 直线运动 回转运动b)直线运动 回转运动
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详细设计
技术设计：结构原理方案、装配图设计、 技术设计：结构原理方案、装配图设计、 分析计算或优化 施工设计：零件图设计、商品化设计、 施工设计：零件图设计、商品化设计、 编制技术文档
机床整机综合评价
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第二节 金属切削机床设计的基本理论
精度 刚度 抗振性 热变形 噪声 低速运动平稳性
ϕ — 性能优、速度损失少、 结构复杂。 ϕ — 简化结构。
小 大
交换齿轮变速：既可满足相对转速损失少，又可简化结构。 交换齿轮变速：既可满足相对转速损失少，又可简化结构。
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变速范围R 公比 和转速级数Z的关系 公比φ和转速级数 变速范围 n,公比 和转速级数 的关系
= n R n
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= 1 − n = const A n n = const = 1 即 或写成： n ϕ n
j max j +1 j j +1 +1
j +1
=nϕ
j
即机床的转速应按等比数列分级，可控制生产率损失。 即机床的转速应按等比数列分级，可控制生产率损失。 等比数列同样适用与往复主运动、尺寸、功率参数。 等比数列同样适用与往复主运动、尺寸、功率参数。
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1、主动件
进给传动的力学模型 2、进给系统 3、被动件
4、支承导轨
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第三节
总体设计
机床系列型谱的制定：表3-1 机床系列型谱的制定 机床的运动功能设计
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成形运动： 成形运动：完成一个表面加工所必须的最基本的运动
主运动（切削运动）：消耗机床大部分动力 主运动（切削运动）：消耗机床大部分动力 ）： 形状创成运动：形成加工表面的发生线 形状创成运动： 形状创成运动=进给运动（创成运动中不包含主运动） 形状创成运动 进给运动（创成运动中不包含主运动） 进给运动 形状创成运动=成形运动（创成运动中包含主运动） 形状创成运动 成形运动（创成运动中包含主运动） 成形运动
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机床总体结构方案设计