切削机床设计的基本理论
04第四章：金属切削机床
例:CA6140; X6132; X5132 Y3150E; M7120; Z5140
2．专用机床的型号编制
专用机床型号表示方法
专用机床的型号一 般由设计单位代号和设计顺序号组成，其 表示方法为: (△)－△ 例如，北京第一机床厂设计制造的第100种 专用机床为专用铣床，其型号为B1－100。
联系动力源与执行机构之间的传动链。它使执行件获得动力以及一定的速 度和运动方向，其传动比的变化，只影响生产率或表面粗糙度，不影响加工 表面的形状和精度,如下图4-4所示的主运动传动链。
(2)内联系传动链
联系一个执行机构和另一个执行机构之间运 动的传动链。它决定着加工表面的形状和精度， 对执行机构之间的相对运动有严格要求。因此， 内联系传动链的传动比必须准确，不应有摩擦传 动或瞬时传动比变化的传动副（如皮带传动和链 传动）,如下图4-4所示的进给运动传动链。
③组、系代号 为了区分机床的结构、布局和所能加工的 零件特征，每类机床可分为“0～9”十个组别。 为了更细的区分机床的结构特征，机床在组下 面又可细分为“0～9”十个系别。同一组、系 的机床，其主要结构及布局形式基本相同。机 床组、系代号用阿拉伯数字表示。机床的类、 组代号的含义见教材P5表2，组、系代号见表 2.3。
图2.8 车削成需要成形运动。 导线（母线1绕轴线O-O旋转的运动轨迹），由轨迹 法形成，需要1个成形运动B1。 形成成形回转表面的成形运动总数是形成母线和导 线所需成形运动的和，即1个成形运动（B1）。
例2 如图2.9所示，用螺 纹60°成形车刀车削三角 螺纹，试分析其母线、导 线的成形方法及所需要的 成形运动，并说明形成该 表面共需要几个成形运动。
图4-4 CA6140车床的传动系统图
切削理论
切削功率
• 切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率 Pm • 切削功率为切削力Fc和进给力Ff所消耗功率之和， 因背向力Fp没有位移，所以不消耗功率。于是切 削功率为 • Pm =10-3( Fc*vc + Ff*vf/1000) • Fc----切削力(N) • Vc----切削速度(m/s) • Ff----进给力(N) • Vf----进给速度(mm/s)
切屑形态
• 硬脆非金属材料主要有工程陶瓷、玻璃及石材等被切削陶瓷在刀刃挤 压作用下，在刀刃附近产生裂纹，裂纹先向前下方扩展，深度超过切 削深度，而后一边前进一边向上方扩展，最后穿过工件上部的自由表 面，此时形成较大的薄片状切屑，并在切削表面上留下凹痕，这种情 况称之为大规模挤裂。如果从这种状态下继续切削，实际切除的只是 崩碎后的残留部分，这时发生小规模挤裂，生成切削表面上较平滑的 部分。 • 小规模挤裂是在切削深度较小时发生的，工件材料以粒状或粉末状的 切屑被切除。此时发生破碎和不发生破碎的交界线，与刀具前刀面前 方材料的最大切应力面的位置相一致，因此，可以认为此时的破碎是 由于切应力引起的。大规模挤裂是在切削深度大的情况下发生的，崩 碎切屑的脱落是由于所受应力超过材料的抗拉强度。因此，硬脆材料 的切除过程是以断裂破坏为主的过程，这与一般金属材料的切除过程 有很大不同。 • 崩碎切屑形成过程中力的波动很大，因此，加工硬脆材料时，宜选用 韧性好的刀具材料，采用负前角刀具，并以小的切削深度进行。
切削力影响因素
• 刃倾角： • 在很大的范围（从-40°——40°)内变化时，对,Fc没有 什么影响，但λs减小时，Fp增大，Ff减小 • 刀尖半径： • 刀尖半径对Fc的影响不大。刀尖半径增大时，Fp将增大。 • 刀具材料 • 刀具与被加工材料间的摩擦因数，直接影响着切削力的大 小。在同样切削条件下，高速钢刀具的切削力最大，硬质 合金次之，陶瓷刀具最小刀具后刀面磨损后，接触摩擦增 大，因而切削力增大；刀具前刀面上因磨损而形成月牙洼 时，由于增大了前角，因此切削力减小 • 切削液和刀具状况
先进制造工艺--高速切削技术
第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。
高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。
例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面多且结构复杂，材料去除量达高达90％～95％，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。
高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。
60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。
高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。
为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。
但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。
高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。
汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。
新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。
所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。
图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。
《机械制造装备设计》课程标准
《机械制造装备设计》课程标准一、课程概述机械制造装备设计是机械工程的一门分支学科。
是一门研究各种机械制造装备的结构、工作原理和设计方法的科学。
《机械制造装备设计》是机械类专业的主干专业课程，与《机电一体化设计》、《模具设计》等学科处于同一层次。
它与《机床电器控制》、《机械CAD/CAM》、《现代制造技术》等构成机械制造及自动化方向的专业选修课程体系。
该课程是将原机制专业的四门专业课程（即机床设计、夹具设计、工业自动化、工业机器人）融合形成机械制造装备设计新学科内容，是按照重基础、少学时、低重心、新知识、宽面向的原则整合而成的，是实施素质教育的机制专业课程体系改革的主要内容之一。
这门学科的重点是为机械制造及其自动化专业的学生，了解典型机械制造装备的工作原理、性能、传动与结构，掌握机械制造装备设计的基本理论、基本知识和基本方法，完成复杂机械制造装备的设计能力的培养服务的。
先修课程有《工程力学》、《机械设计》、《机械工程材料》、《机械制造技术基础》、《机械设计课程设计》、《金工实习》等。
二、课程目标1.了解常用机械制造装备的典型结构、运动与传动等。
2.掌握分析和调整机械制造装备运动、传动的方法。
3.掌握机械制造装备运动、传动设计的方法。
4.掌握机械制造装备整机和主要部件的设计方法。
5.了解机械制造装备性能的实验研究方法。
6.掌握机械制造装备运动学理论，掌握机械制造装备传动系统设计、主要零部件的载荷及力学分析、传动件计算条件确定的有关理论，了解精度、强度、刚度、动态特性、热特性、噪声理论在机械制造装备设计中的应用。
7.具有分析、比较和选择机械制造装备主要参数的能力、机械制造装备整体方案设计的能力、机械制造装备主要部件设计的能力。
三、课程内容和要求这门学科的知识与技能要求分为知道、理解、掌握、学会四个层次。
这四个层次的一般涵义表述如下：知道——是指对这门学科、机械制造装备的结构和工作原理的认知。
理解——是指对这门学科所涉及的基本概念、原理、方法的领会，能作自主的解释、说明，并把握一般机械装备的结构与性能之间的相互关系。
机械装备简答题
1. 柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。
其柔性表现在哪里？柔性化有俩重含义：产品机构柔性化和功能柔性化。
数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。
在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。
组合机床其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。
2.对机械制造装备如何进行分类？加工装备：采用机械制造方法制造机器零件的机床。
工艺装备：产品制造是用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具。
仓储运输装备：各级仓库、物料传送、机床上下料等设备。
辅助装备：清洗机和排屑装置等设备。
3.机械制造装备设计有哪些类型？他们的本质区别是什么？类型：创新设计、变型设计和模块设计它们之间的本质区别是：采用创新设计方法不断推出崭新的产品，是企业市场竞争中取胜的必要条件；变形设计和模块化设计是在基型和模块系统的基础上进行的，而基型和模块系统也是采用创新设计方法完成的。
4.创新设计的步骤是什么？为什么应重视需求分析和可行性论证？创新设计可划分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计四个阶段。
原因：1、产品设计是为了满足市场的需求，而市场的需求往往是不具体的，有时是模糊的、潜在的，甚至是不可能实现的。
而需求分析的任务是使这些需求具体化和恰到好处，明确设计任务的要求。
需求分析本身就是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且自始至终指导设计工作的进行。
所以设计人员必须重视需要分析。
2、可行性分析是进行新产品立项必不可少的一向依据，其包括技术分析，经济分析和社会分析三个方面。
只有经过技术、经济、社会等方面的分析，和对开发可能性的研究，才能对产品开发中的重大问题进行充分的技术经论证，判断是否可行。
5. 哪些产品宜采用系列化设计方法？为什么？有哪些优缺点?系列化设计方法是在设计的某一类产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型产品为基型，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。
机械制造装备设计第5版PPT第2章
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2.4.3 分级变速主传动系
第
结构式表达方法：
二
传动副数
章
Z 18 31 33 29
第 四
一般表达式：
级比指数
节
Z (Pa )Xa * (Pb )Xb * (Pc )Xc *...* (Pi ) Xi
三个主要参数：
Z —主轴转速级数
Pj —各变速组传动副数 Xj —各变速组级比系数
第
分级变速主传动转速图设计的基本原则
二 章
⑴变速组的传动副数目应“前多后少”；
第
靠近电动机转速高、转矩小、尺寸小。更多传动件在
四 节
高速范围内工作，有利于减少外形尺寸
⑵变速组的传动线应“前密后疏”（传动顺序与扩大顺序相 一致）
⑶变速组的降速应“前慢后快”；中间轴转速不宜超过电动 机转速（前面慢些，后面的降速快些），以减少传动件尺 寸；中间轴转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声。
右图是用结构网画出，是对称结构形式
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2.4.3 分级变速主传动系
第
二
章
（二）各变速组的变速范围及极限传动比 变速组中最大与最小传动比的比值，称为 该变速组的变速范围。即： Ri (umax)i /(umin )i （i=0，1，2，…，j)
第 四 节
在设计机床主传动系时， 一般限制降速最小传动比 u主min 1/ 4 直齿圆柱齿轮的 最大升速比 u主max 2 斜齿圆柱齿轮可取 u主max 2.5
第
及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传
四
动副的传动比等。
节
设一中型卧室车床，其变速传动系 图2-13
《机械制造装备设计》重要知识点
机械制造装备设计第一章、机械制造及装备设计方法第一节、概述机械制造装备的发展趋势1、向高效、高速、高精度方向发展2、多功能复合化、柔性自动化3、绿色制造与可持续发展4、智能制造技术与智能化装备第二节机械制造装备应具备的主要功能机械制造装备应具备的主要功能需满足以下几方面要求1、一般的功能要求2、柔性化3、精密化4、自动化5、机电一体化6、节材7、符合工业工程要求8、符合绿色工程要求一般的功能要求包括（1）加工精度方面的要求（2）强度、刚度和抗振性方面的要求3）加工稳定性方面的要求4）耐用性方面的要求5）技术经济方面的要求第三节机械制造装备的分类机械制造装备的分类1、加工装备（机床或工作母机）2、工艺装备3、储运装备4、辅助装备加工装备包括：金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。
金属切削机床可按如下特征进行分类：1、按机床的加工原理分为：车床、钻床、镗床、纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、机床设计应满足的基本要求（1）工艺范围（2）柔性（5）精度（6）噪声（7）成产率和自动化（10）可靠性机床设计步骤1、确定结构原理方案4、工艺设计3）与物流系统的可亲性8）成本（11）造型与色彩2、总体设计5、机床整机综合评价4）刚度9）生产周期3、结构设计6、定型设计切断机床和其它机床等。
2、按机床的使用范围分为：通用机床：通用的金属切削机床可加工多种尺寸和形状的工件的多种加工面专用机床：用于特定工件的特定表面、特定尺寸和特定工序加工的机床专门化机床：用于对形状相似尺寸不同的工件的特定表面，按特定的工序进行加工3、机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等第四节机械制造装备设计的类型机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类第五节机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的典型步骤（一）产品规划阶段（二）方案设计阶段（三）技术设计阶段（四）施工设计阶段第二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机床的运动学原理金属切削机床工作原理是通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，并达到其精度要求。
8、金属切削加工基本理论
合成方法，也是利用高温高压加催化剂的方法将六方 氮化硼转变成立方氮化硼。 • 立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体，硬度达 8000~9000HV，是人类已知的硬度仅次于金刚石的材
料，其热稳定性和化学惰性大大优于金刚石，可耐１
３００～１５００°Ｃ的高温，在1200~1300°也不易 与铁系材料发生化学反应，其导热率也大大高于高速
• 2、常用刀具材料
刀具材料类型： 工具钢（高速钢） 硬质合金 陶瓷 超硬材料 最常用
工具钢耐热性差，但抗弯强度高，价格便宜，焊接与 刃磨性能好，故广泛用于中、低切削的成形刀具，不 宜高速切削。
• 3)高速钢 • 高速钢是加入了钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V) 等合金元素的高合金工具钢。它们都是强烈的 碳化物形成元素，在熔炼与热处理过程中与碳 形成了高硬度的碳化物，从而提高了钢的耐磨 性。 • 高速钢的强度（抗弯强度为硬质合金的2~3倍 ，为陶瓷的5~6倍）、硬度（62~70HRC）、耐 热性（600~700°C）、韧性、耐磨性和工艺性 均较好，刃磨锋利，故又称“锋钢”，适合于 大部分常用材料的切削加工。
6）超硬刀具材料
• 超硬刀具材料有金刚石和立方氮化硼。金刚石可分天然和人造两 种，其代号分别用JT和JR表示，都是碳的同素异形体。
• 天然金刚石大多属于单晶金刚石，单晶天然金刚石具 有各向异性（即不同晶面上强度、硬度和耐磨性差异很 大，可在100~500倍范围内变化，故制造时应考虑刃磨 方向），选择正确的刃磨方向，可使刀的刃口圆角半 径磨到最小，刀具极为锋利，可用于有色金属及非金 属的超精密加工。 • 天然金刚石价格十分昂贵，使用较少。
第8章 金属切削加工概论
【主要内容】 1．切削加工的基本慨念 (1)切削运动 (2)工件上的加工表面 (3)切削用量及切削层参数 2．切削刀具 (1)刀具材料 (2)刀具的几何形状及角度 (3)刀具的耐用度 3．切削过程中的物理现象 (1)切屑 (2)积屑瘤 (3)切削力 (4)切削热
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第一节 金属切削机床的分类及型号编制 例1-3 Z3040×12型摇臂钻床
机床类别代号（钻床类） 组别代号（摇臂钻床组） 系别代号（摇臂钻床系） 主参数（最大钻孔直径40mm）
第二主参数代号 （最大跨距1200mm，切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
纹加工机床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床及其它机床等 12类。
在每一类机床中，按工艺范围、布局形式和结构等，分为若干 组，每一组又细分为若干系列。
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
2. 根据应用范围分类 （1）普通机床 用于多种零件的不同工序，加工范围较广， 通用性较大，但结构比较复杂。主要适用于单件小批生产。
切削机床设计的基本理论
补充一章 机床设计的基本理论
第一节 切削机床的分类和型号编制 第二节 工件的加工表面及其成形方法 第三节 机床的运动 第四节 机床的传动联系和传动原理图
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
一、机床的分类
机床的传统分类主要按加工性质和所用的刀具进行分类。 1. 根据机床型号分类 分为：车床、钻床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
4. 数控机床的分类 （1）卧式数控车床 集中了转塔、仿形和自动车床的功能。 （2）车削中心 集中了车、钻、铣、镗等类机床的功能。 （3）钻铣加工中心 具备自动换刀，集中钻、铣、镗等功能。
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
CA6140卧式车床型号中的“A”。
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
（3）机床的主参数、第二主参数 ① 机床主参数 代表机床规格大小，用折算值表示。如
C6140 ② 第二主参数 指主轴数、最大跨距、最大工件长度、工作台
面（长4度）等机等床，的也重用大折改算进值顺表序示号。 表示机床在性能及结构布局上的重大改进顺序。通常在原型号
二、机床型号的编制方法
1. 普通机床的型号
分类代号
(△) □ (□) △ △ △△
类别代号
通用特性和结构特性代号
组别代号
系别代号
主参数或设计顺序号
重大改进顺序号
同一型号机床的变型代号(用“／”分开)
第二参数(用“×”分开)
(□) (／△) (×△)
注：1）“□”为大写的汉语拼音字母； 2）“△”为阿拉伯数字； 3）“（）”为无内容时不表示切，削机有床内设计容的时基本去理掉论括号。
2. 专用机床型号
设计单位代号 组代号
设计顺序号
例如：
B1－3 100
北京第一机床厂
第三组
第100种专用机 床（专用铣床）
切削机床设计的基本理论
第二节 工件的加工表面及其形成方法
机床运动分析的目的 掌握机床的运动规律，合理地使用机床和 正确地设计机床的传动系统。
机床设计的关键 —— 重点研究和分析机床切削加工所需的运 动、动力及其相互联系。
② 分类代号 用阿拉伯数字表示，加在类别代号之前。如： 磨床分类有M、2M、3M三个分类。
③ 组别、系别代号 用数字表示。每类机床按结构性能、使用 范围划分为10 组。每组又切划削机分床设为计若的基干本理系论列。
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
（2）机床的特性代号 表示机床的通用特性和结构特性，用字母表示。
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
（2）专门化机床 专门用于加工某一类或几类零件的某一道 （或几道）特定工序，工艺范围较窄。如曲轴车床、凸轮轴车床。
切削铲机床齿设计车的床基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
（3）专用机床 工艺范围最窄，只用于加工某一类零件的某 一道特定工序，适用于大批量生产。如：机床主轴箱专用镗床、 导轨专用磨床、钻缸体端面孔组合机床等。
立卧切式削机组床设合计钻的基床本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
3. 按精度、自动化、重量和工作部件数目分类 （1）按工作精度分有 普通机床 、精密机床和高精度机床。 （2）按自动化程度分有 手动、机动、半自动和全自动机床。 （3）按重量和尺寸分有 仪表、中型、大型和重型机床。 （4）按机床主要工作部件分有 单轴、多轴、单刀和多刀机床。
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
例1-2 MG1432A高精度万能外圆磨床
M G 1 4 32 A 类别代号（磨床类） 通用特性代号（高精度） 组别代号（外圆磨床组） 系别代号（万能外圆磨床系） 主参数（最大磨削直径320mm） 重大改进顺序号 (第一次重大改进）
切削机床设计的基本理论
的尾部，添加A、B、C、……字母顺序表示新型机床。
（5）同一型号机床的变型代号 表示某些机床在基本型号的基础上，改变机床的部分性能结构。 通常在机床的基本型号之后加1、2、3、…变型代号。
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制 例1-1 CA6140 卧式车床
C A 6 1 40 类别代号（车床类） 结构特性代号（结构不同） 组别代号（落地及卧式车床组） 系别代号（卧式车床系） 主参数（最大车削直径400mm）
机床运动分析的思路及方法： “表面—运动—传动—机构—调整”
不同的机床因其加工功能不同，实 现加工功能所需的运动和动力也不同。
如：铣削，钻孔……
切削机床设计的基本理论
通用特性 高精度 精密 自动 半自动
数字程序控制
代号 G M Z B K
通用特性 自动换刀
仿形 万能 轻型 简式
代号 H F W Q J
① 通用特性代号 设在类别代号之后。如“CK”表示数控车床；
“MBG”表示半自动高精度磨床。
② 结构特性代号 主要区分主参数相同而结构不同的机床。如
切削机床设计的基本理论
第一节 金属切削机床的分类及型号编制
（1）机床类、组、系的划分及其代号
类车钻镗 别床床床
磨床
齿轮加 螺纹加 铣 刨 拉 电加工 切断 其它 工机床 工机床 床 床 床 机床 机床 机床
代 号
C
Z
T
M
2M 3M
Y
S XBL D
GQ
读 音
车
钻
镗
磨
2 磨
3 磨
牙
丝 铣刨拉 电
割其
① 类别代号 用汉语拼音大写字母表示。如：C表示车床。