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第二章金属切削机床设计1.机床设计应满足哪些基本要求，其理由是什么？答：机床设计应满足如下基本要求：1）、工艺范围，机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，也可称之为机床的加工功能。机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。2）、柔性，机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，分为功能柔性和结构柔性；3）、与物流系统的可接近性，可接近性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）流动的方便程度；4）、刚度，机床的刚度是指加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响加工精度方向变形的能力。刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率；5）、精度，机床精度主要指机床的几何精度和机床的工作精度。机床的几何精度指空载条件下机床本身的精度，机床的工作精度指精加工条件下机床的加工精度（尺寸、形状及位置偏差）。6）、噪声；7）、自动化；8）、生产周期；9）、生产率，机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量来表示。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。10）、成本，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、再利用和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标；11）、可靠性，应保证机床在规定的使用条件下、在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概率要高。12）、造型与色彩，机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学要求进行设计。2.机床设计的主要内容及步骤是什么？答：一般机床设计的内容及步骤大致如下：（1）总体设计包括机床主要技术指标设计：工艺范围运行模式，生产率，性能指标，主要参数，驱动方式，成本及生产周期；总体方案设计包括运动功能设计，基本参数设计，传动系统设计，传动系统图设计，总体结构布局设计，控制系统设计。总体方案综合评价与选择；总体方案的设计修改或优化（2）详细设计包括技术设计；施工设计。设计机床的传动系统，部件装配图，对主要零件进行分析计算或优化，设计液压部件装配图，电气控制系统等。（3）机床整机综合评价（4）定型设计，可进行实物样机的制造、实验及评价。根据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。3.机床系列型谱的含义是什么？答：每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，合称为这类机床的系列和型谱。机床的主参数系列是系列型谱的纵向（按尺寸大小）发展，而同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向发展，因此，“系列型谱”也就是综合地表明机床产品规格参数的系列性与结构相似性的表。4.机床的基本工作原理是什么？答：机床的基本工作原理是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件上多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。5.工件表面的形成原理是什么？答：任何一个工件表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。6.工件表面发生线的形成方法有哪些？答：工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。有如下四种方法：（1）轨迹法（2）成型法（3）相切法（4）范成法7.工件表面的形成方法是什么？答：工件表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，工件表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。8.机床的运动功能有哪些？答：为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，各个运动的功能是不同的。可以分为成形运动和非成形运动，或简单运动和复合运动。9.机床的主运动与形状创成运动的关系如何？进给运动与形状创成运动的关系如何？答：主运动功能是切除加工表面上多余的金属材料，因此运动速度高，消耗机床的大部分动力，故称为主运动，也可称为切削运动，它是形成加工表面必不可少的成形运动。形状创成运动的功能是用来形成工件加工表面的发生线（包括母线和导线）。有些加工中主运动除了承担切除金属材料的任务外，还参与形状创成，而有些加工中，主运动只承担切削任务，不承担发生线的创成任务。当形状创成运动中不包含主运动时，“形状创成运动”与“进给运动”两个词等价，这时进给运动就是用来生成工件表面几何形状的，因此无论用主运动和进给运动或主运动和形状创成运动来描述成形运动，两种描述都是一样的；当形状创成运动中包含主运动时，“形状创成运动”与“成形运动”两个词等价，这时就不能仅靠进给运动来生成工件表面几何形状（如滚齿加工）。10.机床上的复合运动、内联系传动链、运动轴的联动的含义及关系如何？答：复合运动即为运动之间有严格运动关系的运动。如果一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转运动或(和)直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。传动链的两个末端件的转角或位移量之间如果有严格的比例关系要求，这样的传动链称为内联系传动链。对机械传动的机床来说，复合运动是通过内联系传动系来实现。运动轴联动是指在一台机床上的多个坐标轴(包括直线坐标和旋转坐标)上同时进行加工，而且可在计算机数控系统(CNC)的控制下同时协调运动进行。对数控机床，复合运动是通过运动轴的联动来实现。11.机床运动功能方案设计的方法及步骤如何？答：机床运动功能方案设计的方法及步骤如下：（1）工艺分析。首先对所设计的机床的工艺范围进行分析；然后选择适当的加工方法。工件加工工序的集中与分散主要根据作业对象的批量来决定，应根据可达到的生产率和加工精度、机床制造成本、操作维护方便程度等因素综合分析进行机床的工艺范围选择。（2）机床运动功能设置。运动功能设置的方法有两类：分析式设计方法和解析式设计方法。（3）写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。根据对所提出的运动功能方案的评定结果，选择和确定机床的运动功能配置，写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。12.数控机床的坐标系如何选取？答：为了进行机床运动功能式、机床运动原理图的描述，首先要建立机床基准坐标系与机床运动轴坐标系，一般采用直角坐标系。(1)机床基准坐标系：机床基准坐标系（即机床总体坐标系）XYZ(2)机床运动轴坐标系：沿X，Y，Z坐标轴方向的直线运动仍用X，Y，Z表示，绕X，Y，Z轴的回转运动分别用A，B，C表示。平行于X、Y、Z的辅助轴用U、V、W及P、Q、R表示，绕X，Y的辅助回转轴用D、E等表示。与机床基准坐标系坐标方向不平行的斜置运动轴坐标系用加“-”表示，如沿斜置坐标系的Z轴运动用Z表示。13.机床的运动功能式和运动原理图表达的含义是什么？答：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，）及排列顺序，是描述机床的运动功能的最简洁的表达形式。运动原理图是将机床的运动功能式用简洁的符号和图形表达出来，除了描述机床的运动轴个数、形式及排列顺序之外，还表示了机床的两个末端执行器和各个运动轴的空间相对方位，是认识、分析和设计机床传动原理图的依据。14.虚拟轴机床的原理是什么？有哪些特点？答：虚拟轴机床（VirtualAixsMachine）是一种六个运动并联的设计。基于让轻者运动，重者不动或少动的原则，虚拟轴机床取消了工作台、夹具、工件这类最重部件的运动，而将运动置于最轻部件——切削头上。六轴完全并联机构的优点是：各个杆不承受弯曲载荷，受力情况好。运动件质量小、速度高、比刚度高、各个分支运动误差不累加、精度高；缺点是作业空间小（尤其是回转运动范围小），运动算法复杂。15.分析图2-14所示各种机床的运动原理图，说明各个运动的所属类型、作用及工件加工表面的形成方法。图2-4a是车床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf和Xf为进给运动。对于一般的车床，Cp仅为主运动；对于有螺纹加工功能或有加工非圆回转面（如椭圆面）功能的数控车床，则Cp一方面为主运动，另一方面Cp可与Zf组成复合运动进行螺纹加工，或Cp可与Xf组成复合运动进行非圆回转面加工，称这类数控车床具有C轴功能。图2-4b是铣床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Xf、Yf和Zf为进给运动。图2-4c是平面刨床的运动原理图，往复直线运动Xp为主运动；直线运动Yf为进给运动；直线运动Za为切入运动。图2-4d是数控外圆磨床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf、直线运动Zf和Xf为进给运动；回转运动Ba为砂轮的调整运动。当Xf和Zf组成复合运动时，用碟形砂轮可磨削长圆锥面或任意形状的回转表面；Cf和Zf组成复合运动时，可进行螺旋面磨削。在进行长轴纵向进给磨削时，Xf应改为Xa，为切入运动，但在进行横向进给磨削端面时，Xf为横向进给运动，Zf应改为Za，为切入运动。若一个运动既可为进给运动又可为非成形运动，则用进给运动符号表示。图2-4e是摇臂钻床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为进给运动；回转运动Ca、直线运动Za及Xa为调整运动，用来调整刀具与工件的相对位置。图2-4f是镗床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为镗孔加工时工件作进给运动，Wf为镗孔加工时镗杆作进给运动,在数控镗床或加工中心上，镗孔进给通常由工件完成，只有Zf一个镗孔进给运动；Yf为刀具的径向进给运动，用于加工端面或孔槽；回转运动Ba为分度运动、直线运动Xa及Ya为调整运动，分别用来调整工件与刀具的相对方向及位置，用来加工不同方向和位置的孔。在镗铣床上通常Xa和Ya可改为进给运动Xf、Yf，用来铣削平面。图2-4g是滚齿机床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf和直线运动Zf为进给运动。Cp与Cf组成复合运动创成渐开线母线；直线运动Zf创成直导线，用于加工直齿轮，若Zf与Cf组成复合运动，则创成螺旋导线，用于加工斜齿轮；回转运动Ba为调整运动，用来调整刀具的安装角，使刀具与工件的齿向一致；直线运动Ya为经向切入运动，当用径向进给法加工蜗论时Ya为径向进给运动；Za为滚刀的轴向窜刀运动，为调整运动，用来调整滚刀的轴向位置，当用切向进给法加工蜗论时Za为切向进给运动。图2-4h是采用齿轮式插齿刀加工直齿圆柱齿轮的插齿机床的运动原理图，刀具和工件相当一对相互啮合的直齿圆柱齿轮，往复直线运动Zp为主运动；回转运动Cf1、Cf2为进给运动，并组成复合运动，创成渐开线母线；直线运动Ya为切入运动。图2-4i是直齿锥齿轮刨齿机的运动原理图，刨刀的往复直线运动ZP为主运动；回转运动Cf（假想齿轮摇架回转）和Cf（工件回转）组成复合运动，产生范成运动；回转运动Ca为分度运动，直线运动Za为趋近与退离运动，回转运动Ba为调整运动，根据刀倾角进行调整，使刀具运动方向与工件齿根平行。图2-6j是弧齿锥齿轮铣齿机的运动原理图。Cp是铣刀盘的旋转运动，为主运动，铣刀盘的刀刃为直线形，铣刀盘作旋转运动时刀刃轨迹形成假想齿轮（平面齿轮或平顶齿轮）上的一个齿的齿廓面；Cf为假想齿轮的往复摆动运动（即摇架的摆动），Cf为工件的回转运动，Cf和Cf复合组成范成运动；Ca为工件的分度运动，Za为趋近与退离运动，Ba为调整运动，按工件的齿根角进行调整。铣刀盘一面进行作旋转运动Cp，一面随摇架作摆动运动Cf，摆动一次为一个行程，一个行程内完成一个齿的加工，行程终了，工件退离、分度，进行下一个齿的加工。16.机床的传动原理图如何表示？它与机床运动原理图的区别是什么？将动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，即是传动原理图。机床的运动原理图只表示运动的个数，形式、功能及排列顺序，不表示运动之间的传动关系。17.机床运动分配式的含义是什么？答：运动功能式的主要含义在于确定基础支承件设在何处（即“接地”的位置），用“·”符号表示“接地”。“·”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“·”接地符号后，称之为运动分配式。一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得到多个运动