机械制造装备设计

“十一五”国家级规划教材主编：李庆余孟广耀副主编：张佳董锋机械制造装备设计绪论一、机械制造业在国民经济中的地位机械制造业是国民经济各部门赖以发展的基础，是国民经济的重要支柱，是生产力的重要组成部分。机械制造业的生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。机械制造装备的核心是金属切削机床。而金属切削机床的技术水平直接影响到机械制造业的产品质量和劳动生产率。绪论一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。二、机械制造装备的状况及发展前景1、五十年代为“规模效益”模式，少品种大批量生产模式；2、七十年代为“精益生产”模式，以提高质量，降低成本为标志；3、八十年代，较多的采用数控机床、机器人、柔性制造单元和系统等高技术的集成机械制造装备；4、九十年代，机械制造装备普遍具有“柔性化”、“自动化”和“精密化”的特点，适应多品种小批量和经常更新产品的需要。绪论绪论三、机械制造装备的组成机械制造装备包括加工设备、工艺装备、工件输送装备和辅助装备。1、加工设备，主要指金属切削机床，特种加工机床。2、工艺装备，是机械加工中所使用的刀具、模具、机床夹具、量具、工具的总称。3、工件输送装备，主要指坯料、半成品或成品在车间内工作地点间的转移输送装置，以及机床的上下料装置。4、辅助装备，包括清洗剂、排屑装置和计量装置等。绪论绪论四、本课程主要研究内容1、金属切削机床设计2、刀具设计3、机床夹具设计第一章金属切削机床的总体设计机床的总体设计是机床设计的关键环节,对机床的技术性能和经济性指标起着决定性作用。机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟定出性能先进，经济性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的主要技术参数。1.1机床的基本要求一、机床应具有的性能指标1、工艺范围指机床适应不同生产要求的能力。包括可加工的零件类型、形状和尺寸范围，能完成的工序种类等。第一节机床的基本要求2、加工精度指被加工工件表面的形状位置、尺寸的准确度，表面的粗糙程度。机床的精度分为三级：普通精度机床；精密机床；高精度机床。3、生产率和自动化指机床在单位时间内所能加工的工件数量。4、可靠性机床在整个使用寿命期间内完成规定功能的能力。1.1机床的基本要求1.1机床的基本要求二、人机关系机床除具有一定的计术性能指标外，还应有良好的人机关系。即使机床符合人的生理和心理特征，实现人机环境高度协调统一，为操作者创造一个安全、舒适、可靠、高效的工作条件；能减轻操作者精神紧张和身体疲劳。1.1机床的基本要求机床的信号指示系统的显示方式、显示器位置等都能使人易于无误的接受；机床的操纵应灵活方便，符合人的动作习惯，使操作者从接收信号到产生动作不用经过思考，提高正确操作的速度，不易产生误操作或故障。机床造型应美观大方，色彩协调，提高作业舒适度。另外，应降低噪声，减少噪音污染。1.2金属切削机床的设计步骤第二节金属切削机床的设计步骤机床设计大致包括四个阶段：第一、总体设计第二、技术设计第三、零件设计第四、样机试制和鉴定1.2金属切削机床的设计步骤一、总体设计1．掌握机床的设计依据，包括技术信息、实验研究成果、新技术的应用成果。2．工艺分析，优化加工方案。必要时画出加工示意图。3．总体布局,确定机床刀具和工件的相对运动，确定各部件的相互位置。画出传动原理图，主要部件的结构草图，液压系统原理图，电气控制电路图，操纵控制系统原理图。画出机床联系尺寸图——机床原始总图。总体设计阶段应采用可靠性设计原理，进行预防故障设计。利用概率设计，将所设计零件的失效概率限制在允许的很小范围内，以满足可靠性定量的要求。4．确定主要的技术参数，主要参数包括尺寸参数、运动参数和动力参数。1.2金属切削机床的设计步骤可靠性设计的六条原则：①采用成熟的经验或经分析试验验证了的方案；②结构简单，零部件数量少；③多用标准化、通用化零部件；④重视维修性，便于检修、调整、拆换；⑤重视关键零件的可靠性和材料选择；⑥充分运用故障分析成果，及时反馈，尽早改进。1.2金属切削机床的设计步骤1.2金属切削机床的设计步骤二、技术设计画出传动系统图，绘制部件装配图，绘制电气系统安装接线图，液压系统和控制操作系统装配图，绘制总装配图及部件装配图三、零件设计及资料编写四、样机试制和鉴定样机试制；空车试运转；随后进行工业性试验，在额定载荷下进行试工作，并写出工业性试验报告。1.3机床的总体布局一、分配机床的运动机床运动的分配应掌握三个原则：1、将运动分配给质量小的零部件。运动件质量小，惯性小，需要的驱动力就小，传动机构体积小；制造成本低。2、运动分配应有利于提高工件的加工精度。3、运动分配应有利于提高运动部件的刚度。4、运动的分配应视工件形状而定。1.3机床的总体布局二、选择传动形式和支承型式机床的主传动按驱动电动机类型分为，交流电动机驱动和直流电动机驱动；交流电动机驱动又分为单速电动机、双速电动机及变频调速电动机驱动。机床传动的形式有机械传动，液压传动等。机械传动靠滑移齿轮变速，变速级数一般少于30级，它传递功率大，变速范围较广，传动比准确，工作可靠，广泛用于通用机床中。支承型式是指支承件的形状，支承件高度方向尺寸小于长度方向尺寸时称为卧式支承；支承件高度方向尺寸大于长度方向尺寸时称为立式支承。卧式支承的机床，重心低，刚度大，是中小型机床的首选支承形式。立式支承又称为柱式支承，简称为立柱。这种支承占地面积小，刚度较卧式差，机床的操作位置比较灵活。龙门框架支承，是单臂支承的改进形式,又称为双柱式支承，适用于立式大型机床。1.3机床的总体布局1.3机床的总体布局三、安排操作部位机床总体设计,在考虑达到技术性能指标的同时，必须注意机床操作者的生理和心理特征，充分发挥人和机床的各自特点，达到人机最佳综合功效。1.3机床的总体布局机床各部件相对位置的安排，应保证：①操作者和工件有适当的相对位置，有足够的活动空间，以便于工件的装卸、刀具的安装调试、加工情况的观察和工件检验；②操作者与操作手柄等控制元件的适当位置，有足够的操作空间，达到操作准确、省力、方便；③操作件应按GB4141选用，操作件之间有合理的距离；④功能不同的按钮应有不同的颜色，且这些颜色应和人的视觉习惯一致、符合人的心理生理特征。防止误操作。1.3机床的总体布局四、提高动刚度的措施1、抗振性能的提高机床的抗振性是指机床工作部件在交变载荷下抵抗变形的能力，包括抵抗受迫振动和自激振动的能力。习惯上称前者为抗振性，后者为切削稳定性。自激振动，可通过增大工作部件的阻尼比外、调整切削用量来避免，使切削稳定。机床外部的振源，最可靠有效的方法就是隔离振源。1.3机床的总体布局无法隔离的振源，应采用下列措施：①选择合理的传动形式，尽量减短传动链，减少传动件个数。既减少振动源的数量；②提高传动链各传动轴组件，尤其是主轴组件的刚度，提高其固有角频率；③大传动件应作动平衡或设置阻尼机构；④箱体外表面涂刷高阻尼涂层，增加阻尼比；⑤提高各部件结合面的表面精度，增强局部刚度。1.3机床的总体布局2、减小热变形减少热变形最简单最有效的方法是隔离热源。不能分离的热源，应采用以下措施：①产生热量较大的热源，进行强制冷却。②热源相对结构对称，热变形后中心位置不变。③改善排屑状态。数控车床将床身倾斜与主轴后上方，使切屑在自重作用下落入下面小车中或切屑输送机上，切屑不与床身和导轨副接触，避免了切屑携带的切削热传给导轨床身，减少了热变形。1.3机床的总体布局3、降低噪声机床主要的噪声源是齿轮振动，减少齿轮噪音的措施有：①缩短传动链，减少传动件的个数；②采用小模数、硬齿面齿轮，降低传动件的线速度。③提高齿轮的第Ⅱ组精度；④采用增加齿数、减小压力角或圆柱螺旋齿轮，增加齿轮啮合的重合度，机床齿轮的重合度应不小于1.3；⑤提高传动件的阻尼比；增加支承组件的刚度。1.3机床的总体布局五、造型设计机床的造型必须与功能相适应，功能决定造型，造型表现功能。机床的造型设计是在保证人机关系的基础上，应用艺术规律和造型美学法则加以精炼和塑造，得到恰到好处的造型。机床造型总的原则是经济实用，美观大方。尽管人的审美观不尽相同，但还是有规律可循，良好的外观造型应从机床造型设计和色彩两方面去评价。1.3机床的总体布局外观造型应使机床整体统一，均衡稳定，比例协调。部件的形体目前多流行小圆角过渡的棱柱体造型,长、宽（或高）的比率要适当，常用的比值为：黄金分割比率、均方根比率、整数比率等；各部件的形体比率相互协调,做到衔接紧密、转换自然，组合而成的外形轮廓的几何线型要大体一致，达到线型风格的协调统一；整体造型应使人感到稳定而不笨重，轻巧且安定。1.3机床的总体布局色彩可配合造型使机床达到人的审美要求。机床的主色调是绿色。实践证明，绿色有助于提高劳动生产率，蓝色和紫色则降低劳动生产率。国内外各种机床多采用绿色，它给人以贴近自然，适宜、舒畅的感觉，同时也是一种耐油污的隐蔽色。机床色彩应适应不同的使用环境，热带地区使用的机床宜采用冷色，如乳白色、奶黄色，使人产生清凉、心情平静的感觉；寒冷地区应采用暖色，如桔黄色、桔红色等，以增强人们的温暖感。1.4主要技术参数的确定一、尺寸参数机床的尺寸参数是指影响机床加工性能的一些尺寸。主参数代表机床的规格的大小，是最重要的尺寸参数。另外，机床尺寸参数还包括第二主参数和一些重要的尺寸。机床的主参数已规定在“GB/T15375—1994金属切削机床型号编制方法”中，每种机床的主参数按等比数列排列。1.4主要技术参数的确定nvd1000二、运动参数主运动为旋转运动的机床，主运动的运动参数为主轴转速。转速与切削速度的关系为：nv——工件或刀具直径（mm）。d1.4主要技术参数的确定1．最低转速和最高转速的确定按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直径，由主轴转速公式计算出最低转速、最高转速、变速范围，其中D是机床加工的最大直径（主参数），k是系数。nRminnmaxn1.4主要技术参数的确定nvdminminmax1000nvdmaxmaxmin1000RnnnmaxminkDdmax1.4主轴转速2．主轴转速的合理排列机床的主轴转速绝大多数是按照等比数列排列的。原因是：设计简单；使用方便，最大相对转速损失率相等。(1)设计方便如果机床的主轴转速数列是等比的，公比为，且转速级数Z为非质数。则这个数列可分解成几个等比数列的乘积，使传动设计简化。1.4主轴转速nnnnnn1224123123211236121111111ZPPPaxbxcxabc()()()126312223241.4主轴转速(2)使用方便最大相对转速损失率相等等比数列转速的转速通式为nnjj11则机床的切削速度与工件（或刀具）直径的关系为1110001000jjnvnvd1.4主轴转速lg)1()lg497.03(lglg1jnvdkjvlg)1(lg的对数值是对数值的一次函数，斜率为1，函数图像是与切削速度对数坐标轴成45o的斜线，取j=1~Z，可得到Z条平行间距相等的斜线。dv1.4转速选择图11.21622.431.545639012518012.5182535.55071100140200280400n12n3n4n5n6n7n8n9n10n11n12n13n14n15n16n17n18nd(mm)图1-1转速选择图v(m/min)1.4主轴转速nnnjj1如果加工某一工件需要的最佳切削速度为，相应的转速为。一般情况下，不可能正好在某一转速线上，而是在两转速线与之间vnjn1jn为保证刀具的使用寿命，应选择较低的转速，这时转速的损失为，相