1、机械制造装备设计,安徽科技学院机械工程学院,第三节 金属切削机床总体设计,一 机床系列型谱的制定二 机床的运动功能设计三 机床总体结构方案设计四 机床主要参数的设计,机床分为十一大类，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。,一 机床系列型谱的制定,二 机床的运动功能设置,1、工艺分析 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，进行机床工艺范围的选择。2、机床运动功能设置 根据工艺范围分析和所确定的加工方法，进行运动功能设置。 （1）分析式设计方法：参考同类型 （2）解析式设计方法：创成式原理3、写出机床的运动功能
2、式，画出运动原理图。,（一） 主参数和尺寸参数（二） 运动参数 （1）主运动参数 （2）主轴转速和变速范围 （3）标准公比和标准转速数列 （4）进给运动参数（三） 动力参数 （1）确定主传动功率 （2）确定进给传动功率,四 机床主要参数的确定,主参数,机床主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数。通用机床的主参数通常都以机床的最大加工尺寸来表示；专用机床的主参数一般以与通用机床相对应的主参数表示。为了更完整地表示机床的工作能力和加工范围，可在主参数后面标出第二主参数，如最大工件长度、最大跨距等。,主参数各类主要机床的主参数和折算系数,基本参数尺寸参数,机床尺寸参数是指机床主要结
3、构的尺寸参数。包括： 1、与工件有关的尺寸参数； 2、与工、夹、量具有关的尺寸参数； 3、主要的结构尺寸。,基本参数运动参数,机床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。,基本参数运动参数主运动参数,主运动为回转运动的机床，主运动参数为主轴转速n(单位：rmin)： 主运动为直线运动的机床，主运动参数是刀具每分钟往复次数（单位：次/min），或称为双行程数；也可以是装夹工件的工作台的移动速度。,基本参数运动参数主运动参数,主运动为旋转运动时，机床主轴转速n(单位为rmin)：,专用机床可根据特定工序实际使用的切削速度和工件(或刀具)的直径确定主轴转速，且大多数情况只需一种速度
4、。 通用机床，为适应各种不同的加工要求，主轴应有一定的变速范围和变速方式(有级或无级变速)。,n ：主轴转速(r/min)v : 切削速度(m/min)d : 工件或刀具直径(mm),（1） nmin和nmax的确定,dmax、dmin为最大最小经济加工直径 dmax=K1D dmin=K2dmax 卧式车床K1=0.5 摇臂钻床K1=1.0 K2=0.2-0.25,基本参数运动参数主运动参数,例题:确定卧式车床主轴的转速范围。,硬质合金车刀半精车小直径钢材外圆时达最高转速，取Vmax=200m/min，K1=0.5,K2=0.25,机床能加工的最大直径为400mm。则:,高速钢车刀粗车铸铁件
5、表面时可能达最低转速，取Vmin=m/min，机床能加工的最大直径为400mm。则:,高速钢刀具精车合金钢材料的梯形螺纹时达最低转速，取Vmin=1.5m/min，机床能加工丝杠最大直径在4050mm左右。,综上所述,再考虑留有技术储备,最后确定 nmax =1600 r/min nmin = 10 r/min,（2）主轴转速的合理排列 已知变速范围，若采用有级变速，应进行主轴转速分级； 目前，多数机床主轴转速是按等比级数排列，其公比为,转速级数用Z表示。,基本参数运动参数主运动参数,各级转速：,变速范围：,考虑刀具寿命，实际加工时用nj，则其相对转速损失为n-nj 相对转速损失率为：,加工某
6、工件的最佳切削速度为v，相应的转速为n：,最大相对转速损失率为n趋近与nj+1时：,结论：最大相对转速损失率相等。,（2）主轴转速的合理排列 转速范围内转速相对损失均匀； 使变速传动系统简化； 混合公比转速使用的机会相差较大 常用转速：采用较小的公比； 不常用转速：采用较大的公比；,（3）标准公比值和标准转速系列标准公比的规定： 1，因为机床要满足不同的工艺需求，需要一系列等比数列转速，nminnmax逐渐变大； 1 2，因为大，则Amax大，对机床生产率影响率大，所以规定Amax50%。,（3）标准公比值和标准转速系列 标准公比值有 1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78
7、、2。 标准转速系列可由标准数列查取。,基本参数运动参数主运动参数,用于旋转主运动、直线主运动、等比进给运动。对于无级变速系统可参考标准公比。,当选定标准公比之后，转速数列可从表2-5中查出。表中给出了公比为1.06的从115000的数列，其它公比的数列可由此派生得到。表31和表2-5均适用于转速、双行程和进给系列，也可以用于机床尺寸和功率参数等数列。,2,A 结构中型机床 不能太大 不能很复杂取1.26, 1.41大型机床 不能大(要小) 可以复杂点 取1.12,1.26小型机床 可以大一些 结构简单 取1.58,1.78半自动车床 要小 工艺范围小结构不复杂 取1.12,1.26专门化机床
8、 要小 工艺范围小结构不复杂 取1.06,1.12,1.26,（）公比的选用,基本参数运动参数主运动参数,圆整；宜采用双联、三联滑移齿轮变速 Z 取 6 8 9 12 16 18 24,基本参数运动参数主运动参数,(5)变速范围Rn，公比和级数Z的关系,机床进给量的变换可用无级变速（数控机床）和有级变速方法。采用有级变速方式时，进给量一般为等比数列。进给量也有等差数列的(加工螺纹)。如利用棘轮机构实现进给的机床(刨床、插床)。,基本参数运动参数进给量,fmax、fmin ：最大、最小进给量；Za ：进给量级数；C ：差值，由被加工螺纹的导程或棘轮机构的结构决定；,动力参数指主运动、进给运动和辅
9、助运动的动力消耗，它主要由机床的切削载荷和驱动的工件质量决定。对于专用机床，机床的功率可根据特定工序的切削用量计算或测定；对于通用机床，目前单纯用计算的方法来确定功率是困难的，故通常用类比、测试和近似计算几种方法互相校核来确定。下面介绍用近似计算的方法确定机床动力参数。,基本参数运动参数动力参数,主传动功率的确定,当主传动链的结构方案尚未确定时：,当主传动链的结构方案确定时：,进给传动功率的确定,进给运动与主运动合用一个电动机，进给运动消耗功率远小于主运动。进给运动中工作进给与快速进给合用一个电机时，由于快速电机所需功率远大于工作进给功率，且二者不同时工作，所以不必考虑工作进给所需功率。进给运
10、动采用单独电动机驱动时，进给电动机功率：,数控机床的进给运动，伺服电动机按转矩为：,第四节 主传动系统设计,一、主传动系统设计应满足的基本要求1）满足机床使用性能要求应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数，传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。,2）满足机床传递动力要求 主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和扭矩，具有较高的传动效率。3）满足机床工作性能要求 主传动系统中所有零、部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。,4）满足产品设计经济性要求 传动链尽可能简短，零件数目要少，以便节省材料，降低成本。5）调整维修方便，结构合理简单，便于加工装配
11、等。,二、主传动系统分类和传动方式（一）主传动系统分类（1）按驱动主传动的电动机类型分类,主电动机,（2）按传动装置类型分类可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。（3）按变速的连续性分类1）分级变速传动在一定变速范围内只能得到某些转速，一般 Z Z2 Z1。,三联滑移齿轮能顺利滑移变速的条件是：三联滑移齿轮的最大和次大齿轮之间齿数差应大于 4。,齿轮齿数的确定，往往需反复多次计算才能确定，合理与否还要在结构设计中进一步检验，必要时还须改变。若按传动比要求，按上述方法确定的齿数和过大以及传动比误差过大时，可采用变位齿轮的方法来凑中心距，以获得要求的传动比值。,（八）计算转
12、速机床上的传动件在设计时应该校核其强度，决定零件强度的条件之一是零件所受的载荷，而载荷则取决于零件所传递的功率和转速。机床变速传动链中的零件，有的转速是恒定的，有的转速则是变化的。下面将讨论变速传动件应根据哪个转速进行动力计算的问题。,1.机床的功率转矩特性从机械制造技术基础课程中得知，在背吃刀量和进给量不变的情况下，切削速度对切削力的影响较小。因此，作直线运动机床的执行机构，可以认为不论在什么速度下都可能出现最大转矩，即主运动为直线运动的机床主传动应属于恒转矩传动。,而执行机构作旋转运动的机床主传动链则有所不同。其主轴转速不仅取决于切削速度的高低，还取决于工件或刀具直径的大小。对于主运动为旋
13、转运动的通用机床，其较低的转速多用于大直径的刀具或加工大直径的工件，此时要求输出较大的转矩，即输出转矩与主轴转速成反比，基本上是属于恒功率的。,但由于主轴最低的几级转速常用于光整加工、车螺纹、铰大孔、精镗等，并不需要传递全部功率，即主轴一般在最低转速段所消耗的功率都较小。而主轴在高转速段又由于受到电动机功率的限制，传动件所受的转矩随转速的增高而减小。,由以上分析得知，主运动为旋转运动的通用机床主轴虽然是在很多级不同的转速下工作的，但主轴并不是在所有的转速下都传递着全部功率。机床主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为机床的功率转矩特性。,综上所述，主运动为旋转运动的通用机床主轴或传动件在传
14、递全部功率时的最低转速，能够传递最大转矩。因此，将传递全部功率时的最低转速，称为该主轴或传动件的计算转速。主运动是直线运动的机床主传动属恒转矩传动；而主运动是旋转运动的机床基本上属恒功率传动。,图3-22 主轴的功率转矩特性图,从机床的“主轴的功率转矩特性图”中可见，主轴从 nj 起至nmax间的所有转速下都能传递全部功率（即电动机为满载），而 nj 是主轴传递全,部功率时的最低转速，而其输出的转矩则随转速的增加而减少，此为恒功率区；,图3-22 主轴的功率转矩特性图,低于主轴 nj的各级转速所能输出的转矩与主轴在 nj 时输出的转矩相等，即为该机床的最大输,图3-22 主轴的功率转矩特性图,
15、出转矩，而传递的功率则随转速的减低而减少，此为恒转矩区。,不同类型机床主轴的计算转速选取是不同的。对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围很宽，计算转速可取得高一些；对于精密机床、钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范围较小，计算转速应取得低一些；通用机床及专门化机床可根据调查分析和测定。各类机床主轴的计算转速统计公式见表3-7。,表3-7 各类机床的主轴计算转速（部分）,2. 变速传动系统中传动件计算转速的确定主轴从 nj 起至nmax间的所有转速都能传递全部功率。因此，实现上述主轴转速的其他传动件的实际工作转速也在传递着全部功率，这些传动件实际工作转速中的最低转速，就是其计算转速。,当主
16、轴的计算转速确定后，就可以从转速图上确定其他各传动件（传动轴与齿轮）的计算转速。确定顺序通常是按传动顺序由后到前，先确定传动轴的计算转速，再确定各齿轮的计算转速。,在确定传动件的计算转速时：首先找出该传动件共有几级实际工作转速；再找出其中能传递全部功率时的那几级转速；最后确定出能传递全部功率的最低转速，即为该传动件的计算转速。,【例】试确定下图所示X6132型铣床的主轴、各传动轴和齿轮的计算转速。,提高传动件的计算转速，可使其尺寸缩小、结构紧凑。因此，在主传动系统中，有某些重复转速时，应采用传动件计算转速较高的传动路线，并由操纵机构予以保证。,图3-20 CA6140型普通车床的主传动系统图及
17、转速图,图3-20 CA6140型卧式车床传动系统图（局部）,轴与轴上滑移齿轮在不同轴向位置时的组合情况,【作业】 拟设计一台普通（卧式）车床的主变速传动系统。已知：=1.26，主电动机转速n电=1500r/min，主轴最低转速nmin=31.5r/min，最高转速nmax=1600 r/min。求：1.计算主轴的转速范围Rn；2.利用公式确定主轴的转速级数Z；3.用标准数列表确定主轴的各级标准转速值；4.写出三个不同的可供选择的结构式；5.确定一个合理的结构式并说明理由；6.画出一个合理的转速图；7.试画出该主变速传动系统图；8.用查表法确定第一个变速组的各齿轮齿数。9.确定主轴、各传动轴以
18、及最末扩大组中各齿轮的计算转速。,（九）变速箱内传动件的空间布置与计算1. 变速箱内各传动轴的空间布置变速箱内各传动轴的空间布置首先要满足机床总体布局对变速箱形状和尺寸的限制，还要考虑各轴的受力情况，装配调整和操纵维修的方便。其中变速箱的形状和尺寸限制是影响传动轴空间布置最重要的因素。,图3-23 CA6140型普通车床横截面图,主轴,轴,轴,轴,轴,各轴按三角形布置,各轴按三角形布置,、轴轴线重合,图3-24 CA6140型普通车床主轴箱展开图,各轴的布置顺序大致如下：首先确定主轴的位置；然后确定传动主轴的轴，以及与主轴有齿轮啮合关系的轴的位置；接着确定电动机轴或运动输入轴（轴）的位置；最后确定其它各传动轴的位置。为缩小箱体的径向尺寸，各传动轴常按三角形布置，有时还可以使箱内某些传动轴的轴线重合。,
