机械制造装备设计

第一章、 机械制造及装备设计方法

第一节、概述

机械制造装备的发展趋势

1、向高效、高速、高精度方向发展

2、多功能复合化、柔性自动化

3、绿色制造与可持续发展

4、智能制造技术与智能化装备

第二节 机械制造装备应具备的主要功能

机械制造装备应具备的主要功能需满足以下几方面要求：

1、 一般的功能要求

2、 柔性化

3、 精密化

4、 自动化

一般的功能要求包括

（1）加工精度方面的要求

（2）强度、刚度和抗振性方面的要求

（3）加工稳定性方面的要求

（4）耐用性方面的要求

（5）技术经济方面的要求

第三节 机械制造装备的分类

机械制造装备的分类

1、加工装备（机床或工作母机） 2、工艺装备

3、 储运装备 4、辅助装备

加工装备包括：金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、 冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。

金属切削机床可按如下特征进行分类：

1、按机床的加工原理分为：车床、钻床、镗床、纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、5、 机电一体化

6、 节材

7、 符合工业工程要求

8、 符合绿色工程要求 切断机床和其它机床等。

2、按机床的使用范围分为：

通用机床：通用的金属切削机床可加工多种尺寸和形状的工件的多种加工面

专用机床：用于特定工件的特定表面、特定尺寸和特定工序加工的机床

专门化机床：用于对形状相似尺寸不同的工件的特定表面，按特定的工序进行加工

3、机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等

第四节 机械制造装备设计的类型

机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类

第五节 机械制造装备设计的方法

机械制造装备设计的典型步骤

(一)产品规划阶段 (二)方案设计阶段

(三)技术设计阶段 (四)施工设计阶段

第二章 金属切削机床设计

第一节 概述

机床设计应满足的基本要求

（1）工艺范围 （2）柔性 （3）与物流系统的可亲性

（4）刚度 （5）精度 （6）噪声

（7）成产率和自动化 （8）成本 （9）生产周期

（10）可靠性 （11）造型与色彩

机床设计步骤

1、确定结构原理方案 2、总体设计 3、结构设计

4、工艺设计 5、机床整机综合评价 6、定型设计

第二节 金属切削机床设计的基本理论

机床的运动学原理

金属切削机床工作原理是通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工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。

工件表面的形成方法与机床运动 几个概念：从几何学表面观点来看，机器零件上每个表面都可以看作是一条线（母线），沿着另一条线（导线）运动的轨迹。

母线和导线统称为形成表面的发生线。在切削加工的过程中，这两条发生线是通过刀具的切削刃与毛坯的相对运动把零件的表面切削成要求的形状。

可逆表面：形成平面、直线成形表面和圆柱面的两条发生线——母线和导线可以互换，而不改变形成表面的性质。

不可逆表面：形成不可逆表面的母线和导线是不可互换的。圆锥面、球面、圆环面和螺旋面等，都属于不可逆表面。

发生线的形成方法

1）轨迹法（描述法） 2）成型法（仿形法）

3）相切法（旋切法） 4）展成法（滚切法）

机床的运动分类

按运动的功能分：成形运动和非成形运动

按运动的性质分：直线运动和回转运动

按运动之间的关系分类：独立运动和复合运动

机床的成形运动的分类：主运动和形状创成运动

机床运动功能的描述方法

1、 机床运动功能式（要求会写）

左边写工件，用W表示；右边写刀具，用T表示；中间写运动，按运动顺序排列；工件、运动和刀具之间用“/”分开，下标p表示主运动，下标f表示进给运动，下标a表示分成形运动

2、 机床运动原理图（要求会画，特别是车、铣、刨）

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、形式及排列顺序外，还表示了机床两个末端执行器和各个运动轴的空间方位，是认识、分析、设计机床传动系统的依据。

精度（要求了解即可）

1、几何精度 2、运动精度 3、传动精度

4、定位精度和重复定位精度 5、工作精度 6、精度保持性

低速运动平稳性（要求知道概念、原因、表现形式、解决方案）

概念及表现形式：机床上有些运动部件，需要低速或微小位移。当运动部件低速运动时，minmaxmin1000vnd主动件匀速运动，从动件往往出现明显的速度不均的跳跃式运动，即时走时停或者时快时慢的现象，这种在低速运动时产生的运动不平稳性称为爬行。

产生原因：爬行是个很复杂的现象，它是因摩擦产生的自激振动现象，产生这一现象主要原因是摩擦面上的摩擦系数随速度的增大而减小和传动系的刚度不足。

解决方案：在设计低速运动部件时，应减少静、动摩擦系数之差，提高传动机构的刚度和降低移动件的质量等。

第三节 金属切削机床总体设计

金属切削机床总体设计内容包括

1、机床系列型谱的制定 2、机床运动功能设置

3、机床总体结构方案设计 4、机床主要参数的设计

在机床主要参数的设计阶段若干概念

主运动为回转运动的机床,主运动参数是主轴转速n（r/min）。转速与切削速度v的关系为： d ——工件或刀具直径（mm）

主运动的速度范围：

变速范围Rn：

几个重要参数的选择：

vmax 和 vmin

切削速度与刀具材料、工件材料、进给量和切削深度有关。

选择vmax和vmin，是根据机床上几种典型加工情况来考虑的。

例如，车床最高切削速度是在用硬质合金刀具半精车钢件时，作为选择vmax典型加工情况。

最低切削速度是在用高速钢刀具车螺纹时，作为选择vmin的典型加工情况。

dmax 和 dmin

dmax和dmin不是指机床上可能加工的最小直径和最大直径

dmin是指在典型加工实际使用vmax时经常加工工件直径d值的较小值。

dmax是指在典型加工实际使用vmin时经常加工工件直径d值的较大值。

标准公比和标准数列

规定标准公比＞1，并且规定相对速度损失的最大值Amax不大于50％，则相应不大于2，所以1＜2。 dvn1000maxminmax1000vndmaxminnnRn为了简化机床设计和使用，规定了几个标准值，这些数值是选取2或10的某次方根，1.06、1.12、1.26、1.41、1.58、1.78、2。

★★★★ 第四节 主传动系设计 ★★★★

主传动系设计应满足的基本要求：

1、 满足机床使用性能要求 2、 满足机床传递动力要求

3、 满足机床工作性能的要求 4、 满足产品设计经济性的要求

5、 维修调整方便，结构简单、合理，便于加工和装配。

主传动系分类

按驱动主传动的电动机类型：交流电动机驱动、直流电动机驱动

按传动装置类型：

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

按变速的连续性：分极变速传动、无极变速传动

主传动系的传动方式分类：集中传动方式和分散传动方式

★★★★ 分级变速主传动系的设计 ★★★★

这个，全部掌握吧，号称此题不过，来年再考。在此不做整理(p91—p105)

无级传速主传动系（了解相关概念，图不必掌握）

机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：

1、变速电动机、 2、机械无级变速装置、 3、液压无级变速装置

无级变速主传动系设计原则

1、尽量选择功率和转矩特性符合传动系要求的无级变速装置。

2、无极变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了要求，尤其是恒功率调 速范围往往远小于机床实际需要的恒功率变速范围。

第三章 典型部件设计

第一节 主轴部件设计

主轴部件的组成及作用

主轴部件是机床的执行件，由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。

主轴部件的作用是夹持工件或刀具，直接参与工件表面的成形运动，并在一定转速下传递扭矩、承受载荷

主轴部件应满足的基本要求： （1）旋转精度：旋转精度指装配后，在无载荷、低速转动条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动。

（2）刚度：指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。

（3）抗震性：指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳地运转的能力

主轴振动有两种类型：受迫振动和自激振动

（4）温升和热变形：主轴组件工作时，由于摩擦和搅油等而发热，产生了温升

（5）精度保持性：是指其长期保持原始精度的能力，即精度的保持性

主轴的传动方式：齿轮传动、带传动、电动机直接驱动

主轴部件结构设计

多数机床的主轴采用前、后两个支承。

为提高刚度和抗振性，有的机床采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承。

推力轴承的位置配置型式：

1、前端配置 2、后端配置 3、两端配置 4、中间配置

主轴轴承对主轴旋转精度的影响（图，p155）

主轴滑动轴承的分类：

按产生油膜的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。

按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。

动压轴承的工作原理：当主轴旋转时，带动润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油楔而产生油膜压力p将主轴浮起

第二节 支承件设计

支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件

支承件应满足的基本要求：

（1）应具有足够的刚度和较高的刚度——质量比。

（2）应具有良好的动态特性，各阶频率不致引起结构共振。

（3）热稳定性好。

（4）排屑畅通、调运安全，并具有良好的结构工艺性

第三节 导轨设计

导轨的功用和分类