A第2章金属切削机床设计.ppt
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1、第二章 金属切削机床设计,第二章 金属切削机床设计,2.1 概述 2.2 金属切削机床设计的基本理论 2.3 金属切削机床总体设计 2.4 主传动系设计 2.5 进给传动系设计 2.6 机床控制系统设计,2.1 概述,2.1.1 机床设计的基本要求 2.1.2 机床总体方案的创新设计方法 2.1.3 机床模块化设计方法 2.1.4 机床的设计步骤,2.1.1 机床设计的基本要求,1.工艺范围 2.柔性 3.与物流系统的可亲性 4.精度和刚度 5.生产率和自动化程度,6.机床的成本和生产周期 7.可靠性 8.造型与颜色 9.机床设计方法 10.环境保护,1.工艺范围,指机床适应不同生产要求的能力
2、(加工功能)。 包括:机床可完成的工序种类,所加工零件的类型、材料和尺寸范围、毛坯种类、加工精度和表面粗燥度。 不同工艺范围对机床结构的影响: 如果机床的工艺范围过宽,将使机床的结构复杂,不能充分发挥机床各部件的性能; 如果机床的工艺范围较窄,可使机床结构简单,易于实现自动化,提高生产率。,3.与物流系统的可亲性,可亲性是指机床与物流系统之间进行物料(工件、刀具、切屑)交接的方便程度。 对于单机工作形式的普通机床,是由人进行物料交接的,要求机床的使用、操作、清理、维护方便。 对于自动化柔性制造系统,机床与物流系统(如输送线)是自动进行物料交接的,要求机床结构形式开放性好,物料交接方便。,4.精
3、度和刚度,机床的精度分为几何精度和加工精度。 几何精度 指机床不运动或空载条件下机床本身的精度。反映机床主要零部件的几何形状精度、相对位置、相对运动轨迹精度。是评价机床质量的基本指标,取决于零部件的设计和制造装备精度。 加工精度 指加工后零件对理想尺寸、形状、位置的符合程度。影响加工精度的因素很多,与机床本身的几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速平稳性、动态刚度、热变形等有关。,5.生产率和自动化程度,生产率是指在单位时间内机床加工合格产品的数量。要提高生产率,必须缩短单个零件的加工时间、装卸时间和分摊的准备终了时间。 自动化是指利用装备取代或放大人的体力、取代或延伸人的部分智力而自动
4、完成工作的性能。自动化程度越高,越能保证加工精度的稳定性,减少操作者的劳动强度。 自动化大批量生产 采用组合机床、数控机床组成生产线; 自动化单件小批量生产 采用有数控机床、加工中心构成的柔性制造系统,或者由柔性系统构成的自动化工厂。,6.机床的成本和生产周期,成本概念贯穿在产品的整个生命周期内,包括设计、制造、包装、运输、使用维护和报废处理等的费用,是衡量产品市场竞争力的重要指标,应在尽可能保证机床性能要求的前提下,提高其性能价格比。 生产周期(包括设计和制造)是衡量产品市场竞争力的重要指标,应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求机床设计应尽可能采用现代设计方法,如CAD、模块化设计等。 机床
5、的寿命是指机床保持其应有加工精度的使用期限,也称精度保持性。,7.可靠性,机床的可靠性是指机床在使用寿命期内完成规定功能的能力,分为: 固有可靠性:通过设计、制造赋予机床。 使用可靠性:受使用、维护方式和使用条件的影响。 可靠性是一项重要技术经济指标,分为: 机床在规定时间内发生失效的难易程度; 可修复机床在失效后在规定时间内修复的难易程度;,2.1 概述,2.1.1 机床设计的基本要求 2.1.2 机床总体方案的创新设计方法 2.1.3 机床模块化设计方法 2.1.4 机床的设计步骤,设计方法和设计技术变革 设计内容机械部分减少,机电匹配部分增加 零部件设计减少,总体方案及功能部件设计增加,
6、经验设计法(试错法) 机床创新设计方法:创成式和分析式 机床模块化设计方法用于机床的组合、变型产品设计,2.1.2 机床总体方案的创新设计方法 2.1.3 机床模块化设计方法,2.1 概述,2.1.1 机床设计的基本要求 2.1.2 机床总体方案的创新设计方法 2.1.3 机床模块化设计方法 2.1.4 机床的设计步骤,2.1.4 机床的设计步骤,1.总体设计 2.详细设计 3.机床整机综合评价 4.定型设计,2.1.4 机床的设计步骤,1.总体设计 (1)机床主要技术指标设计 (2)总体方案设计 (3)总体方案综合评价与选择 (4)总体方案的设计修改与优化,工艺范围 运行模式 生产率 性能指
7、标 主要参数 驱动方式 成本及周期,2.1.4 机床的设计步骤,1.总体设计 (1)机床主要技术指标设计 (2)总体方案设计 (3)总体方案综合评价与选择 (4)总体方案的设计修改与优化,运动功能设计 基本参数设计 传动系统设计 总体机构布局 控制系统设计,第二章 金属切削机床设计,2.1 概述 2.2 金属切削机床设计的基本理论 2.3 金属切削机床总体设计 2.4 主传动系设计 2.5 进给传动系设计 2.6 机床控制系统设计,2.2 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动学原理 精度 刚度 抗振性 热变形 噪声 低速运动平稳性,机床的运动学原理,(1)机床的工作原理 (2)工件表面的形成
8、方法及机床运动 (3)机床运动分类 (4)机床的成形运动 (5)机床运动功能的描述方法,(一)机床的工作原理 通过刀具与工件之间的相对运动,由刀具切除工件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。,机床的运动学原理,(二)工件表面的形成方法及机床运动 1. 几何表面的形成原理 2. 发生线的形成 (1)轨迹法 (2)成形法(仿形法) (3)相切法 (4)范成法,机床的运动学原理,几何表面的形成原理,机床的运动学原理,发生线的形成,机床的运动学原理,3.加工表面的形成方法 加工表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。故加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对
9、运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。,机床的运动学原理,(三)机床运动分类 1.按运动的功能分类 (1)成形运动: 主运动、进给运动 主运动、形状创成运动 (2)非成形运动:切入运动、分度运动、 辅助运动、控制运动 2.按运动之间的关系分类 (1) 独立运动 (2) 复合运动,机床的运动学原理,(四)机床运动功能设计方案 1.选取坐标系 沿、轴的直线运动符号和运动量仍用、表示; 绕、轴的回转运动用、表示,其运动量用表示。,机床的运动学原理,数控卧式车床坐标系,机床的运动学原理,数控卧式车床坐标系,机床的运动学原理,数控立式铣床坐标系,机床的运动学原理,数控立式铣床坐标系,机床的运动学原理
10、,2. 写出机床运动功能式 运动功能式表示机床的运动个数、形式(直线或回转运动)、功能(主运动、进给运动、非成形运动,分别用下标、表示)及排列顺序。 左边写工件,用表示。右边写刀具,用表示。中间写运动,按运动顺序排列,并用“”分开。,机床的运动学原理,3. 画出机床运动原理图 机床运动原理图是将机床运动功能式用简洁的符号和图形表达出来,是机床传动系统设计的依据。,机床的运动学原理,机床的运动学原理,4. 运动功能分配设计 运动功能分配设计是确定运动功能分配式中“接地”的位置,用“”表示, “”左侧的运动由工件完成, “”右侧的运动由刀具完成。,机床的运动学原理,5. 机床传动原理图 将动力源与
11、执行件、一执行件和另一执行件之间的运动和传动关系同时表示出来,即传动原理图。,机床的运动学原理,机床的运动学原理,2.2 金属切削机床设计的基本理论,机床的运动学原理 精度 刚度 抗振性 热变形 噪声 低速运动平稳性,1、几何精度 2、运动精度 3、传动精度 4、定位精度 5、工作精度 6、精度保持性,精度,加工精度,机床的基本任务,除形成零件上所需形成的表面,还要保证被加工零件一定的加工精度和表面粗糙度 。这包括零件的尺寸精度要求、表面形状精度和表面之间的相互位置精度要求。,工件的精度和表面粗糙度是由机床,刀具,夹具,切削条件和操作者等方面的因素决定的。,机床的加工精度是指被加工工件表面的形
12、状位置、尺寸的准确度、表面的粗糙程度。,切八方判定机床的精度(见备注),精度,机床的精度包括几何精度、传动精度、定位精度、运动精度。不同类型和不同加工要求的机床,对这些方面的要求是不同的。,就机床方面来说,要保证被加工零件的精度和表面粗糙度。机床必须确保其自身精度。,机床的精度分为三级: 普通精度机床、精密机床、高精度机床,精度,几何精度指机床在不运动(机床主轴不转动、工作台不移动等情况下)或空载低速运动时的精度;它反映机床主要零部件的几何形状精度和它们间的相对位置与相对运动轨迹的精度。,(几何精度是指机床某些基础零件工作表面的几何形状精度,决定机床加工精度的运动部件的运动精度,决定机床加工精
13、度的零、部件之间及其运动轨迹之间的相对位置精度等。),例如,床身导轨的直线度、工作台台面的平面度、主轴的旋转精度、刀架和工作台等移动的直线度、车床刀架移动方向和主轴轴线的平行度等。这些都决定着刀具和工件之间的相对运动轨迹的准确性,从而也就决定了被加工表面的形状精度以及表面之间的相对位置精度。,精度,图a所示由于车床主轴的轴向窜动,使车出的端面产生平面度误差;图b所示由于垂直平面内车床刀架移动方向与主轴轴线的平行度误差,使车出的圆柱面成中凹的回转双曲面;图c所示由于卧式升降台铣床的主轴回转轴线对工作台面的平行度误差,使铣出的平面与底部的定位基准平面产生了平行度误差。,机床的几何精度是保证工件加工
14、精度最基本的条件。因此,所有机床都有一定的几何精度要求。,精度,传动精度是指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度,它取决于传动零件的制造精度和传动系统的设计合理性。机床工作部件和零件运动的均匀性与协调性,对内联传动链具有重要的意义。,传动精度决定着复合运动轨迹的精度,从而直接影响被加工表面的形状精度。,卧式车床的螺纹进给传动链,应保证主轴每转一转时,刀架均匀地准确移动被加工螺纹的一个导程,否则工件螺纹将会产生螺距误差(相邻螺距误差和一定长度上的螺距积累误差)。所以,除几何精度外,凡是具有内联系传动链的机床(如螺纹加工机床、齿轮加工机床等)还要有较高的传动精度要求。,(传动精度是指机床内联系传
15、动链两端件之间运动关系的准确性。),精度,定位精度指机床工作零部件运动终了时所达到的位置的准确性和机床调整精度。,机床的定位精度决定着工件的尺寸精度。对于主要通过试切和测量工件尺寸来实现机床运动部件准确定位的机床,如卧式车床、升降台式铣床、牛头刨床等普通机床,对定位精度的要求不高;但对于依靠机床本身定位装置或自动控制系统实现运动部件准确定位的机床,如各种自动机床、坐标镗床等,对定位精度是有很高的要求。,(定位精度是指机床运动部件(如工作台、刀架和主轴箱等)从某一起始位置运动到预期的另一位置时所达到的实际位置的准确程度。),精度,车床车削外圆时,为获得一定的直径尺寸d,要求刀架横向移动L(单位为
16、mm),使车刀刀尖从位置工移动到位置,如图所示;如果刀尖到达的实际位置与预期的位置不一致,则车出的工件直径d将产生误差。,精度,如图所示,车床液压刀架由定位螺钉顶住死挡铁实现横向定位,以获得一定的工件直径尺寸d;在加工一批工件时,如果每次刀架定位时的实际位置不相同,即刀尖与主轴轴线之间的距离在一定范围内变动,则车出的各个工件的直径尺寸d也不一致。,上述这种机床运动部件在某一给定位置上,做多次重复定位时实际位置的一致程度,称为重复定位精度。,精度,运动精度是指机床在额定负载下运动时主要零部件的几何位置精度。运动精度是评价机床质量的重要指标。它取决于运动部件的制造精度和机床零部件的动态刚度(在载荷
17、下机床抵抗变形的能力)以及机床热变形的程度。,机床的几何精度、传动精度和定位精度,通常都是在没有切削载荷以及机床不运动或运动速度很低的情况下检测的,一般称为静态精度。,静态精度主要决定于机床上的主要零、部件,如主轴及其轴承、丝杠螺母、齿轮、床身、箱体等制造与装配精度。为了控制机床的制造质量,保证加工出的零件能达到所需的精度,国家对各类通用机床都制定有精度标准。,精度标准的内容包括:精度检验项目、检验方法和允许的误差范围。,精度,静态精度只能在一定程度上反映机床的加工精度,因为机床在实际工作状态下,还有一系列因素会影响加工精度。,由于切削力、夹紧力等的作用,机床的零、部件会产生弹性变形;在机床内
18、部热源(如电动机、液压传动装置的发热、齿轮、轴承、导轨等的摩擦发热)及环境温度变化的影响下,机床零、部件将产生热变形;由于切削力和运动速度影响,机床会产生振动;机床运动部件以工作状态的速度运动时,由于相对滑动面之间的油膜以及其他因素的影响,其运动精度也与低速时不同。所有这些,都将引起机床静态精度的变化,影响工件的加工精度。机床在载荷、温升、振动等作用下的精度,称为机床的动态精度。动态精度除了与静态精度有关外,还在很大程度上决定于机床的刚性、抗振性和热稳定性等。,精度保持性(使用寿命),精度,机床刚度指机床系统抵抗变形的能力,用K=F/Y表示,机床刚度可分为静刚度和动刚度,习惯上说的刚度指静刚度
19、。整机刚度反映整台机床在静载荷作用下,各构件和结合面抵抗变形的综合能力。,刚度,指抵抗受迫振动的能力(即抗振性)和抵抗自激振动的能力(即切削稳定性)。 1、受迫振动 在激振力的持续作用下,系统被迫引起的振动为受迫振动。 2、自激振动 自激振动是在不受任何外力、激振力干扰的情况下,由切削过程内部产生的持续振动。 3、影响机床振动的因素: ()机床的静刚度 ()机床的阻尼特征 ()机床系统的固有频率,抗振性,针对影响机床性能较大,且固有频率较低的振型制定措施。 隔离外振源 主运动电动机与主机分离,用橡胶摩擦传动驱动 主运动。 对于传动链振源 采用变频无级调速或双速电动机,缩短传动链; 提高传动链传
20、动组件、主轴组件的刚度; 大传动件设计动平衡或阻尼机构; 提高各部件结合面精度,增强局部刚度。,预防受迫振动的措施:,预防自激振动的措施: 增大工作部件的阻尼比 调整切削宽度 及时修磨刀具,稳定切削,抗振性,内部热源:电动机、液压系统、机械摩擦副、 切削热 外部热源:环境温度、周围热源辐射 自身因素:热源分布不均,金属材料不同的热膨胀系数; 减少热变形的措施: 隔离热源 电动机、液压泵、油箱与主机分离 控制环境温度 精密、数控机床需要在恒温条件下工作 强制冷却热源 采用切削液冷却加工部位,压力润滑油循环冷却主轴轴承、利于排屑。,热变形,噪声评价有客观度量和主观度量两种。 机床噪声来源于:机械噪
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