机床设计概述机床总体设计

机械制造装备设计 Ⅰ
主讲人：李爱芝
讲授内容
1 机械制造及装备设计方法 2 金属切削机床设计 3 机床夹具设计
4 机械加工生产线总体设计
2 金属切削机床设计
2.1 概述 2.2 金属切削机床总体设计 2.3 机床主传动系统设计 2.4 机床进给传动系统设计 2.5 机床主轴部件设计 2.6 机床支承件设计 2.7 机床导轨设计 2.8 机床刀架和自动换刀装置设计 2.9 机床控制系统设计
（二）机床精度
机床本身精度
机
(空载条件下的精度)
床
精
度
工作精度(加工精度)
动态精度
几何精度 传动精度 运动精度 定位重复定位精度
（1）几何精度：最终影响机床工作精度的那些零部件的精度。
包括: 尺寸、形状和相互位置精度（直线度、平面度、垂直度、
平行度），是机床在静止或低速运动条件下进行测量——在空
2.1 概 述
2.1.1 机床设计应满足的基本要求 2.1.2 机床设计方法 2.1.3 机床设计步骤
2.1.1 机床设计应满足的基本要求
机床工艺范围 机床精度和精度保持性 机床生产率 自动化程度 机床宜人性 机床成本 柔性 机床性能指标
（一）工艺范围（用途） 与生产模式有关
机床适应不同生产要求的能力----机床的加工功能。 包括： 加工方法； 工件类型；材料、毛坯种类； 加工表面形状、尺寸范围。
Y—在静载荷作用下，机床或主要零部件的变形。
静载荷：不随时间变化或变化极为缓慢的力。 整机刚度：整台机床在静载荷作用下，各构件及结 合面抵抗变形综合能力。 机床刚度主要包括:
结构刚度—构件本身材料性质；抗弯、抗扭截 面的大小；壁厚；筋板布置；窗孔影响);
接触刚度—接触材料、接触面几何尺寸、硬度； 接触面表面质量、几何精度、加工方法、相对方向、 接触面间介质、预压力。
单件小批量生产自动化——在数控机床和加工中 心的基础上＋计算机控制的物料输送和装卸装备 （FMC—柔性制造单元；FMS—柔性制造系统）。
（五）机床宜人性
为操作者提供舒适、安全、方便、省力等劳动条 件的程度。 （1）布局的合理性—便于操作；造型美观、色彩 悦目——使操作者有舒适感、轻松感。 （2）操作的安全性（人身、设备）—误动作防止 措施、过载保护、极限位置保护、有关动作联锁、 切屑防护等。 （3）符合绿色工程要求—低噪声，低污染、无泄
露、清洁卫生。ຫໍສະໝຸດ （六）机床成本 机床产品成本：指寿命周期成本，包括制 造成本和使用成本，是评价机床产品的重 要指标。机床成本的在设计阶段已经确定。 ①金属消耗小； ②零件数量要少； ③工艺性好(加工、毛坯、装配)：产品结 构模块化、品种系列化、提高零部件通用 化和标准化水平。
（七）柔性——适应加工对象变化的能力。 1．结构柔性化(时间柔性) 在不同时期，只需对结构作少量的重组和修改，或 修改软件便可改变机床功能。 结构设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术。 2．功能柔性化(空间柔性) 在同一时期内，只需进行少量的调整或修改软件， 机床能够适应多品种的加工。 一台机床具有多种功能，相当于布置了多台不同功 能 机床。
（4）定位精度：机床有关部件在直线坐标和回转 坐标中定位的准确性，即实际位置与要求位置之 间误差大小。
影响因素：机床构件和进给控制系统的精度、 刚度以及其动态特性，机床测量系统的精度。
（5）重复定位精度：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。 影响因素：影响定位精度因素、传动机构的 反向 间隙。
（2）抵抗自激振动的能力：切削稳定性 机床的自激振动是发生在刀具和工件之间的 一种相对振动，在切削过程中出现。其频率与 机床系统的固有频率相接近。
➢ ↓人工干预，↑加工质量； ➢ ↓工人劳动强度，改善劳动条件； ➢ ↓辅助时间，↑生产率。
机床自动化系数：表示机床的自动化程度。
K自
t自 t循
t自：一个工作循环中由机床自动进行工作的时间；
t循：完成一个工作循环的总时间。
大批大量生产自动化——自动化单机（自动机床、 组合机床或经改造的通用机床）和它们组成的自动生 产线。
3．抗振性：动态刚度 机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力。
（1）抵抗受迫振动的能力 ◆ 振源：机床内部（高速回转零件的不平 衡）、机床外部。 ◆ 机床受迫振动的频率与振源激振力的频率 相同，振幅与激振力大小和机床阻尼比有关。 ◆ 当激振频率与机床固有频率接近时，机床 将呈现“共振” 现象。（振幅激增，↓零件 表面质量）
（6）工作精度（动态精度） 机床对规定试件或工件进行加工的精度。能综合反映机床在 重力、夹紧力、切削力、温升和振动的作用下部件的运动精 度和各部件相互位置精度。 ◆通常用试件的加工精度表示机床的工作精度。 影响因素：机床的刚度、抗振性和热变形等。
（7）精度保持性： 机床在工作中能长期保持其原始精度的能力（在 规定工作时间内，保持机床所要求的精度）。 影响因素： 磨损。影响磨损的因素十分复杂，如结构设计、 工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等。
载条件下的精度。由机床制造和装配精度决定。
（2）运动精度：机床主要部件在工作状态速度下无负载运转 时
的精度。
主轴的径向圆跳动
主轴的回转精度主轴的端面圆跳动
轴心漂移
直线运动的不均匀性：运动速度周期性波动
（3）传动精度：机床内联系传动链两端件之间相 对运动的准确性（均匀性和协调性）。由传动系 统的设计、传动件的精度和调整准确度决定。
（八）机床性能指标
1．传动效率：衡量机床能否有效利用电动机输 出功率的能力，即
P PE P0 1 P0
PE
PE
PE
P —机床输出功率；
PE —电动机输出功率； P0 —机床空运转功率。
2．刚度（静刚度）：机床整机或零部件在静载荷 作用下抵抗弹性变形的能力，即
K—机床刚度；
KF Y
F—作用在机床上的载荷；
（三）机床生产率 单位时间内机床所能加工的工件数量。 根据生产纲领决定：
Q1
1
(件 h)
t t1 t2 t3 n t4 t5
↑生产率措施：↓ t1 （↑切削用量、采用多刀、多 件、多工位加工等）、↓ t2 、 t3 （机械化、自 动化、快速装夹、快速换刀等）。
（四）自动化 实现机床自动化加工特点