第七章机床主要参数的确定.

第一节、尺寸参数第二节、运动参数第三节、动力参数第七章机床主要参数的确定第一节、尺寸参数机床尺寸参数的确定，主要是确定影响机床加工性能的一些尺寸。其中包括机床的主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数。当主参数、第二主参数和其他一些尺寸参数确定后，就基本上确定了该机床所能加工或安装的最大工件的尺寸。机床的尺寸参数是根据零件尺寸确定的。前面进行了机床的研究分析，下面开始讨论机床的设计。第七章机床主要参数的确定机床的主参数是代表机床规格大小的一种参数，各类机床以什么尺寸作为主参数已有统一的规定。卧式车床是床身上工件的最大回转直径；齿轮加工机床是最大工件直径；外圆磨床和无心磨床是最大磨削直径；龙门刨、铣床，升降台铣床和矩形工作台平面磨床是工作台工作面宽度；卧式铣镗床是主轴直径；立式钻床和摇臂钻床是最大钻孔直径；牛头刨床和插床是最大刨削和插削长度也有的机床不用尺寸作为主参数，如拉床的主参数是额定拉力等。有的机床，一个主参数还不足以确定机床的规格，还需第二主参数加以补充：车床的第二主参数是最大工件长度；铣床和龙门刨床是工作台工作面长度；摇臂钻床是最大跨距等。此外，还要确定其他一些尺寸参数：车床常常还要确定在刀架上工件的最大回转直径和主轴孔允许通过的最大棒料直径等；龙门铣床还应确定横梁的最高和最低位置等；摇臂钻床还要确定主轴下端面到底座间的最大和最小距离，其中包括了摇臂的升降距离和主轴的最大伸出量等。运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台、刀架等的运动速度。1、主运动参数回转主运动的机床，主运动参数是主轴转速。转速（r/min）与切削速度的关系是：式中：n―转速（r/min)；v―切削速度（m/min)；d―工件（或刀具）直径（mm）。第二节、运动参数1000vnd主运动是直线运动的机床，如插床或刨床，主运动参数是每分钟的往复次数。对于不同的机床，主运动参数有不同的要求。专用机床和组合机床是为某一特定工序而设计制造的，每根主轴一般只须有一个转速，根据最有利的切削速度和直径而定，故没有变速要求。通用机床是为适应多种零件加工而设计制造的，主轴需要变速。因此需确定它的变速范围，即最低与最高转速。如果采用分级变速，则还应确定转速级数。1）主轴最低（nmin）和最高（nmax）转速的确定：应当指出，通用机床的和并不是机床上可能加工的最大和最小直径，而是指常用的经济加工的最大和最小直径（即不是理论上的最大和最小直径）。对于通用机床，一般取：最大加工直径dmax=(0.5-0.6)D（D—可能加工的最大直径）最小加工直径dmin=(0.2-0.25)dmaxnmin和nmax的比值是变速范围：maxdkDminmaxdddRmaxdmind（Rd—计算直径范围）在确定切削速度时应考虑到多种工艺的需要。切削速度主要与刀具和工件的材料有关。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷等。工件材料可以是钢、铸铁以及铜铝等有色金属。切削速度可通过切削试验、查切削用量手册和通过调查得到。在确定了nmax和nmin后，如采用分级变速（大多数普通机床），则应进行转速分级；如采用变速电动机进行无级变速（大多数数控和重型机床），有时也需用分级变速机构来扩大其调速范围。2）主轴转速数列：如某机床的分级变速机构共有Z级，其中n1=nmin,nz=nmax,Z级转速分别为：nl,n2,n3,…，nj,nj+l,…,nz如果加工某一工件所需要的最有利的切削速度为v，则相应的转速为n。通常，分级变速机构不能恰好得到这个转速，而是n处于某两级转速nj,nj+l之间：njnnj+l。如果采用较高的转速nj+l，必将提高切削速度，刀具的耐用度将要降低。为了不降低刀具耐用度，以采用较低的转速nj为宜。这时转速的损失为n-nj，相对转速损失率为：最大的相对转速损失率是当所需的转速n趋近于nj+l时，也就是：在其他条件（直径、进给、切深）不变的情况下，转速的损失就反映了生产率的损失。对于普通机床，如果认为每个转速的使用机会都相等，那么应使Amax为一定值，即：从这里可看出，任意两级转速之间的关系应为：nj十1=njφ最大相对转速损失率为：变速范围为：机床的转速应该按等比数列（几何级数）分级。其公比为φ，各级转速应为例：有一台车床，主轴转速（r/min）共12级，分别为：31.5、45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400，公比为φ=1.41，则最大相对转速损失率：变速范围：等比数列同样适用于直线往复主运动（刨床、插床）的往复次数数列、进给数列以及尺寸和功率参数系列。大部分机床的进给量用工件或刀具每转的位移表示，即单位为mm/r，如车床、钻床、镗床及滚齿机等。直线往复运动的机床，如刨、插床，以每一往复的位移表示。铣床和磨床；由于使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移量表示，即单位为r/min。在其他条件（切速、切深等）不变的情况下，进给量的损失也反映了生产率的损失。2、进给运动参数数控机床和重型机床的进给为无级调整；普通机床多采用分级调整。如进给链为外联系传动链，为使相对损失为一定值，则进给量的数列也应取等比数列。有的往复主运动机床，例如刨床和插床，进给运动是间歇的，为使进给机构简单，采用了棘轮机构，进给量由每次往复转过的齿数而定，则是等差数列。供大量生产用的自动和半自动车床，常用交换齿轮来调整进给量。这时可以不按一定的规则，而用交换齿轮选择最有利的进给量。卧式车床因为要车螺纹，进给箱的分级应根据螺纹标准而定。螺纹标准不是一个等比数列，而是一个分段的等差数列。3、标准公比Ф和标准转速数列机床转速是从小到大递增的，因此φ＞1。为使最大相对转速损失率不超过50%，即则，φ≤2。因此1＜Ф≤2为方便起见，规定了公比的标准值：1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,2。当采用标准公比后，转速数列可从（书123页）表7-1中直接查出。表中给出了以1.06为公比的从1-10000的数值。1.12=1.062,1.26=1.064,1.41=1.066,1.58=1.068,2=1.0612。此表不仅可用于转速、双行程数和进给量数列，而且也可用于机床尺寸和功率参数等数列。表中的数列应优先选用。4、公比的选用当确定了最高与最低转速以后，就应选取公比Ф。从使用性能方面考虑，公比最好选得小一些，以便减少相对转速损失。但公比越小，级数就越多，将使机床的结构复杂。选用标准公比的一般原则和经验数据（1）对于通用机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，一般取=1.26或1.41。（2）对于大批、大量生产的专用机床、自动化机床，公比应取小一些。因这些机床的生产率较高，转速损失的影响较显著。一般取=1.12或1.26。（3）对于大型机床，公比应取小一些。因在大型机床上的切削加工时间较长，转速损失的影响较显著。一般取=1.26或1.12及1.06。（4）对于非自动化小型机床，公比应取大一些。因在这些机床上，辅助时间较多，而切削加工时间所占的比例不大，转速损失的影响不很显著。一般取=1.58、1.78或2。第三节、动力参数Next动力参数包括电动机的功率，液压缸的牵引力，液压马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。各传动件的参数（轴或丝杠的直径、齿轮与蜗轮的模数等）都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数定得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。1、主传动功率的确定机床主运动的功率，包括切削功率、空转功率损失和附加机械摩擦损失三部分。进行切削加工时，要消耗切削功率P切。它与刀具材料、工件材料和所选用的切削用量的大小有关。如果是专用机床，则工作条件比较固定，也就是刀具与工件的材料和切削用量的变化范围较小。这时计算值也比较接近实际情况。若是普通机床，则刀具与工件的材料和切削用量的变化都相当大。通常，可根据机床检验时所要求的重负荷切削条件来确定。机床主运动空转时，要消耗电动机的一部分功率，这部分消耗称为空转功率损失，用P空（kw）表示。机床的空转功率损失只随主轴和其他各轴转速的变化而改变。引起空转损失的主要因素是：各传动件在空转时的摩擦，由于加工和装配误差而加大的摩擦以及搅油，空气阻力和其他动载荷等。中型机床主传动链的空转功率损失可用下列的试验公式进行估算：da―主运动链中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径。如果主运动链的结构尺寸尚未确定，初步按电动机功率P选取：d主―主轴前后轴颈的平均值（mm);Σni―当主轴转速为n主时，传动链内除主轴外各传动轴的转速之和。如传动链内有不传递载荷但也随之作空运转的轴时，这些轴的转速也应计入（r/min);n主—主轴转速（r/min);kl―润滑油粘度影响的修正系数。N46号机械油，kl=1；N32号机械油，kl=0.9；N15号机械油，kl=0.75;k2―系数。主轴用两支承的滚动轴承或滑动轴承，k2＝8.5；三支承滚动轴承，k2=10机床在切削时，齿轮、轴承等零件上的正压力加大了，功率的损耗也加大了。比P空多出来的那部分功率损耗，称为附加机械摩擦损失功率P机。切削功率越大，这部分损失也越大。综上所述，主电动机功率（kw）为：式中ηl、η2、η3…―主运动链中各传动副的机械效率，见表7-2。pppppp切切主空空机机123机图7-1表示主运动链在某一转速下所消耗的各项功率之间的关系。当开动机床尚未切削时，就需要消耗部分功率P空（图7-1的OB）。随着P切的增加，P机也在增加。P主沿AB上升，直到A点。这时机床满载，在图7-1中就是OA联线与水平轴夹角α的余切，η总＝ctgα。当P切从0上升到P切max时，P主是沿OBA折线上升的。因此，η总仅对满载时有效。当P切＜P切max时，根据η总总算出的电动机功率将小于实际值。ppppp切max切max主max空机max总在主传动的结构方案尚未确定之前，可用式进行估算。式中：—主传动电机功率（）；—消耗于切削的功率（）；—主传动链的总效率。对于通用机床一般可取=0.65～0.80。机构简单和主轴转速较低时取大值；相反，机构复杂和主轴较高时取小值。当主传动的结构方案确定后，可用式进行估算：式中：—消耗于空转的功率损失（）；—主传动链的总机械效率。式中：、……为主传动链中各传动副的机械效率。PP切主总kwkwkwPPP切主空机123......机P空机12P主总P切总2、进给运动功率的确定1)在进给运动与主运动共用一个电动机的普通机床上，如卧式车床和钻床，由于进给运动所消耗的功率与主运动相比是很小的，因此可以忽略进给所需的功率。2)在进给运动与空行程运动共用一个电动机的机床上，如升降台铣床，也不必单独考虑进给所需的功率，因为使升降台快速上升所需的空行程运动功率比进给运动的功率大得多。3)进给运动采用单独的普通电动机的机床，如升降台铣床和龙门铣床，以及用液压缸驱动进给的机床，如仿形车床、多刀半自动车床和组合机床等，都需要确定进给运动所需的功率。通常用参考同类型机床和计算相结合的办法确定。注意比较传动链的长短和低效率传动副（丝杠螺母、蜗杆蜗轮）的数量。进给传动链的机械效率，ηs会低至0.15-0.2。进给功率（kw）可根据进给牵引力FQ（N)，进给速度vs(m/min）和机械效率ηs，滑动导轨进给牵引力FQ的估算公式如下：三角形或三角形与矩形综合导轨：矩形导轨：燕尾形导轨：钻床主轴：式中：G―移动部件的重力（N），G=mg;Fx、FY、Fz―切削力的三向分力。其中Fz沿导轨的纵向（N)，见下图。fˊ―当量摩擦系数；f一钻床主轴套筒上的摩擦系数；k―考虑颠覆力矩影响的系数；d―主轴直径（mm);T―主轴上的转矩（N·mm）导轨上的作用力3、空行程功率的确定空行程功率的确定应参考同类型机床，辅之以计算，最好再经试验验证。快速（空）行程电动机往往是满载起动，移动件较重，加速度也较大，因此计算时必须考虑惯性力。各运动件在电机轴上的当量转动惯量（kg·m