機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)之2――金屬切削機(jī)床-哈工大(威海)黃博

1、機(jī)械制造設(shè)備設(shè)計(jì)，黃波，山東省現(xiàn)代數(shù)字醫(yī)療設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)機(jī)器人研究所，本課程主要講述機(jī)械制造設(shè)備和制造動(dòng)態(tài)機(jī)械制造設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，金屬切削機(jī)床典型零件設(shè)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，機(jī)床夾具設(shè)計(jì)，物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)，加工生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)，1。機(jī)械制造設(shè)備和制造動(dòng)態(tài)設(shè)備，機(jī)械制造工藝：機(jī)械制造設(shè)備：加工設(shè)備，工藝設(shè)備，倉(cāng)儲(chǔ)和輸送設(shè)備，輔助設(shè)備加工設(shè)備(機(jī)床，制造機(jī)器的機(jī)器，工作機(jī)器)金屬切削機(jī)床(切削余量，以達(dá)到尺寸，形狀，精度和表面質(zhì)量)車削，銑削，刨，磨削，鉆孔和鏜孔一般，特殊和專業(yè)；精確度；自動(dòng)化程度；數(shù)控分類、設(shè)計(jì)方法綜述、機(jī)械制造設(shè)備設(shè)計(jì)方法的功能要求、一般功能(精度、剛度、熱穩(wěn)

2、定性、耐久性等)分析。)、精確、靈活、自動(dòng)化、綠色設(shè)計(jì)類型、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)方法、典型設(shè)計(jì)步驟、產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)系列化設(shè)計(jì)(推進(jìn)“三個(gè)轉(zhuǎn)變”)，步驟是：(1)確定主要參數(shù)和主要性能、參數(shù)分析、系列模式譜模塊化設(shè)計(jì)的制定、根據(jù)需求分析確定任務(wù)、建立功能結(jié)構(gòu)和模塊劃分、確定系列模式譜和參數(shù)、模塊間組合、模塊計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。合理評(píng)價(jià)工程機(jī)械制造方法，如技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、可靠性評(píng)價(jià)、人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)可制造性評(píng)價(jià)、產(chǎn)品造型評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)。2.機(jī)械制造設(shè)備設(shè)計(jì)方法功能要求，一般功能要求加工精度(尺寸精度、表面形狀精度、位置精度、粗糙度等)。)；影響因素包括幾何精度、傳

3、動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)精度、定位精度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等。強(qiáng)度、剛度和抗振性要求；加工穩(wěn)定性要求(切削熱、摩擦熱和環(huán)境熱)；降低熱值、散熱隔熱、保溫補(bǔ)償、控制環(huán)境溫度等。耐久性要求(磨損導(dǎo)致間隙和精度損失)，設(shè)計(jì)、工藝、材料、熱處理和使用應(yīng)考慮減少磨損、均勻磨損和磨損補(bǔ)償。技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求，費(fèi)用分?jǐn)?！柔性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是柔性的；(設(shè)備產(chǎn)品的系列化)功能靈活性；(少量軟件被調(diào)整或修改，功能被改變)，如備用主軸、可調(diào)主軸、工具和夾具的分組、軟件和工序的數(shù)控等。精密微米級(jí)亞微米級(jí)納米級(jí)；設(shè)備本身的精度不能有效，因此需要誤差補(bǔ)償；熱變形、幾何誤差、傳動(dòng)誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、定位誤差和工藝彈性變形的建模。2.機(jī)械制造設(shè)備設(shè)計(jì)方法功能

4、要求，自動(dòng)凸輪控制、程序控制、數(shù)字控制、自適應(yīng)控制等。機(jī)電一體化充分考慮機(jī)械、液壓、起動(dòng)、電力電子、計(jì)算機(jī)軟硬件的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的功能配置，按照系統(tǒng)工程和整體優(yōu)化的方法，有機(jī)地形成最佳的技術(shù)體系。節(jié)材(附加設(shè)計(jì))符合工業(yè)工程的要求。開(kāi)發(fā)階段：充分考慮結(jié)構(gòu)的可制造性，提高標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度，采用最佳工藝方案，選擇合理的制造設(shè)備，減少工時(shí)和材料消耗；合理進(jìn)行設(shè)備總體布局，優(yōu)化操作步驟和方法(分析操作程序，取消不必要的操作，合并和簡(jiǎn)化重復(fù)性和繁瑣的工作，縮短操作路線和事件，合理分配雙手負(fù)荷等)。)，減少工人在操作過(guò)程中的體力消耗；調(diào)查市場(chǎng)和消費(fèi)者，確保合理的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)末端執(zhí)行器之間的嚴(yán)格運(yùn)動(dòng)關(guān)系取

5、決于直列傳動(dòng)系統(tǒng)或坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)軸之間的關(guān)系和運(yùn)動(dòng)行程。工件表面和機(jī)床運(yùn)動(dòng)的任何規(guī)則表面的形成方法可視為：一條曲線(或直線)沿另一條曲線(或直線)運(yùn)動(dòng)的軌跡(生成線)。刀具的切削刃可分為點(diǎn)切削刃、線切削刃和面切削刃。3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論，工件加工面上有四種出現(xiàn)線(刀具的切削刃與工件接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)):軌跡法A是直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)E是軌跡法銑削圓柱面成形法(仿形法)B是寬刃車削刀具相切法(旋轉(zhuǎn)切削法)D是相切法銑削圓柱面生成法(滾切法)C是生成法， 支柱與工件之間的復(fù)合相對(duì)運(yùn)動(dòng)n1和n2形成加工表面的方法母線形成方法和線形成方法的組合、生成線1直母線、生

6、成線2圓導(dǎo)線、生成線1漸開(kāi)線母線、生成線2直導(dǎo)線、3.1金屬切割機(jī)設(shè)計(jì)的基本理論、 機(jī)床運(yùn)動(dòng)分類運(yùn)動(dòng)特性分類直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能分類成形運(yùn)動(dòng)，完成待加工工件表面幾何形狀的生成和金屬去除任務(wù)的運(yùn)動(dòng)非成形運(yùn)動(dòng)切入運(yùn)動(dòng)(刀具切入工件)分度運(yùn)動(dòng)(工件與加工刀具之間以給定角度或長(zhǎng)度間隔的相對(duì)運(yùn)動(dòng))輔助運(yùn)動(dòng)(刀具接近、退刀、回位等。 3)調(diào)整運(yùn)動(dòng)(調(diào)整刀具與工件的相對(duì)位置或方向)控制運(yùn)動(dòng)(一些操縱運(yùn)動(dòng))獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)的分類(運(yùn)動(dòng)之間嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如車削螺紋時(shí)工件主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具的縱向直線運(yùn)動(dòng)，由直列傳動(dòng)系統(tǒng)或數(shù)控聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn))，3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論，根據(jù)速度和功耗， 機(jī)床的成形運(yùn)動(dòng)根據(jù)

7、其完成的功能可分為：主運(yùn)動(dòng)(高速、大功率消耗)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(低速、小功率消耗)主運(yùn)動(dòng)(金屬去除，也稱為切削運(yùn)動(dòng))工件主軸在車削過(guò)程中旋轉(zhuǎn)； 銑削過(guò)程中銑刀主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：磨削時(shí)，砂輪主軸旋轉(zhuǎn)(工件不旋轉(zhuǎn))；滾齒時(shí)，滾刀主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形狀產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)(實(shí)現(xiàn)曲面幾何的生成，即母線和線的生成)。結(jié)合上圖，說(shuō)明直母線需要F(進(jìn)給)，圓導(dǎo)線需要N(主運(yùn)動(dòng))；車削寬刃短外圓時(shí)，直母線不需要移動(dòng)，圓導(dǎo)線需要旋轉(zhuǎn)N(主運(yùn)動(dòng))；縱向磨削外圓時(shí)，直母線需要F(進(jìn)給)，圓導(dǎo)線需要N(主運(yùn)動(dòng))。對(duì)于切線銑削，直母線1需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)N(主運(yùn)動(dòng))，圓導(dǎo)線需要f1和f2(進(jìn)給)軌跡銑削，直母線需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)N(主運(yùn)動(dòng))和F(進(jìn)給)，當(dāng)

8、圓導(dǎo)線需要旋轉(zhuǎn)(成形)滾齒時(shí)，漸開(kāi)線母線需要生成n1和n2，直導(dǎo)線需要線性運(yùn)動(dòng)F，3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論，3.1金屬切削機(jī)床。它比運(yùn)動(dòng)功能風(fēng)格更直觀、更全面。包括：機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量、形式和排列順序；兩個(gè)末端效應(yīng)器和每個(gè)移動(dòng)軸的空間相對(duì)方向。典型運(yùn)動(dòng)原理圖車床：Cp主運(yùn)動(dòng)，ZfXf進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；車床具有C軸功能，C軸可與Z軸或X軸組合，如車削螺紋或非圓回轉(zhuǎn)面；銑床：Cp主運(yùn)動(dòng)，XfYfZf進(jìn)給運(yùn)動(dòng)刨床：往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)Xp主運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)Yf進(jìn)給；咱是切入運(yùn)動(dòng)。3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論，典型運(yùn)動(dòng)示意圖(續(xù))數(shù)控外圓磨床：Cp為主要運(yùn)動(dòng)，Cf、Zf和Xf為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；Ba是Xf和Zf的結(jié)合

9、體，可以用蝶形砂輪磨削長(zhǎng)錐面或任意旋轉(zhuǎn)面；Cf和Zf復(fù)合可磨螺旋面：長(zhǎng)軸縱向進(jìn)給磨削時(shí)，Xf為Xa，為切削運(yùn)動(dòng)；(由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)符號(hào)表示)徑向鉆床：Cp是主運(yùn)動(dòng)，Zf是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；XaZaCa是一臺(tái)調(diào)整運(yùn)動(dòng)鏜床：Cp為主要運(yùn)動(dòng)，Zf1和Zf2為鏜削時(shí)工件和鏜桿的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；Yf是刀具的徑向進(jìn)給，Ba是分度運(yùn)動(dòng)，Xa和Ya是調(diào)整運(yùn)動(dòng)(也可以進(jìn)給到銑削平面)，3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論，典型運(yùn)動(dòng)原理圖(續(xù))滾齒機(jī)：Cp是主要運(yùn)動(dòng)，Cf和Zf是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；兩根碳復(fù)合漸開(kāi)線Cf和Zf復(fù)合螺旋線，可加工斜齒輪；Ba是調(diào)整運(yùn)動(dòng)，調(diào)整刀具的安裝角度，并使刀具的齒向與工件一致；線性運(yùn)動(dòng)亞切割成徑向運(yùn)動(dòng)。用徑向進(jìn)給

10、法加工汽輪機(jī)時(shí)，亞是進(jìn)給；有些還有Za滾刀的軸向切削運(yùn)動(dòng)(加工渦輪時(shí)的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)):Zp是主要運(yùn)動(dòng)；Cf1和Cf2進(jìn)給，并復(fù)合以產(chǎn)生漸開(kāi)線；亞切削運(yùn)動(dòng)、3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論、典型運(yùn)動(dòng)示意圖(續(xù))直齒錐齒輪刨床Zp刨床的主要運(yùn)動(dòng)，Cf和Cf復(fù)合生成，Ca為分度運(yùn)動(dòng)，Za為后退運(yùn)動(dòng)；Ba調(diào)整，使刀具運(yùn)動(dòng)方向平行于工件齒根。螺旋錐齒輪銑床Cp銑刀的主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，Cf搖架的擺動(dòng)；Cf工件旋轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)Cf的復(fù)合生成；Ca是工件的分度運(yùn)動(dòng)；Za方法和務(wù)虛會(huì)；巴是調(diào)整運(yùn)動(dòng)的，關(guān)于四銑床的運(yùn)動(dòng)分布，3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論，運(yùn)動(dòng)功能分布設(shè)計(jì)(進(jìn)一步明確了運(yùn)動(dòng)功能)，基本支撐不明確，即“接地”

11、沒(méi)有用“符號(hào)”明確表示，以及“.”的左側(cè)由工件完成；正確的工具完成了。例如，帶xf、Zf、Yf、CP/t(龍門銑床、落地鏜床和銑床)帶Xf、YF、CP/t帶Xf、zfyf、Cp/T(立式轉(zhuǎn)塔銑床)的臥式移動(dòng)銑床帶Xf、Zfyf、Cp/T(立式轉(zhuǎn)塔銑床)帶機(jī)床傳動(dòng)示意圖(傳動(dòng)關(guān)系，同時(shí)表示動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)和關(guān)系)可從書上的圖表中讀?。籥代表線性運(yùn)動(dòng)；b代表旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；Uv代表主傳動(dòng)比；Uf代表進(jìn)給傳動(dòng)比；Ui代表內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)比。3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論精度、幾何精度空載條件下，當(dāng)機(jī)床不移動(dòng)或低速移動(dòng)時(shí)，機(jī)床主要獨(dú)立部件的形狀(直線度、平面度)和相互位置(平行度、垂直度、重合度、等距度

12、、角度)；旋轉(zhuǎn)位移(徑向圓跳動(dòng)、周期性軸向運(yùn)動(dòng)、端部圓跳動(dòng))的精度是評(píng)價(jià)機(jī)床質(zhì)量的基本指標(biāo)，它取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量，如(EZZ/EXZ/EYZ) Z坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)部件在各個(gè)方向的位置偏差；(eczebzeaz坐標(biāo)移動(dòng)部件圍繞ZYX軸的角度偏差；運(yùn)動(dòng)精度當(dāng)機(jī)床以工作速度卸載和移動(dòng)時(shí)，執(zhí)行部件的幾何位置精度傳動(dòng)精度機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)兩端執(zhí)行部件之間運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和一致性。傳統(tǒng)機(jī)床受傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和傳動(dòng)部件裝配精度的影響。數(shù)控機(jī)床受電機(jī)、導(dǎo)軌等部件、驅(qū)動(dòng)器和控制器精度的影響。3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論是精度和定位精度。機(jī)床定位部件達(dá)到規(guī)定位置的精度受到部件和控制系統(tǒng)的精度、剛度和動(dòng)態(tài)特性的影響

13、。重復(fù)定位精度：機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在相同條件下用相同方法重復(fù)定位時(shí)位置的一致性。它也是影響因素有：磨損。具體：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝、材料、熱處理、潤(rùn)滑等。3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論剛度，指機(jī)床承受載荷時(shí)抵抗變形的能力，表示為：K=F/y，K為剛度(N/um)；f是負(fù)載；y是機(jī)床變形(um)載荷：重力、夾緊力、切削力、傳遞力、摩擦力、沖擊振動(dòng)等。靜態(tài)載荷(基本上不隨時(shí)間變化)”靜態(tài)剛度(通常代表機(jī)床剛度)動(dòng)態(tài)載荷(隨時(shí)間變化)”動(dòng)態(tài)剛度(抗振性)機(jī)床由許多部件和柔性接頭組成。整個(gè)機(jī)器剛度的50%取決于接頭的剛度；整機(jī)50%-80%的阻尼來(lái)自關(guān)節(jié)阻尼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，以提高各部件的剛度；關(guān)節(jié)剛度和部件間剛度

14、的匹配每個(gè)部件對(duì)整機(jī)剛度的貢獻(xiàn)不同，因此有必要合理分配和優(yōu)化剛度。3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論振動(dòng)，振動(dòng)抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)(從內(nèi)部或外部)。強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與振源激振力的頻率相同，振幅也與機(jī)床的剛度阻尼有關(guān)。機(jī)床是一個(gè)多自由度的復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)它有多個(gè)固有頻率并以某一固有頻率自由振動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)振幅的比值稱為“主模態(tài)”。一階主模態(tài)3354的振動(dòng)是各階主模態(tài)的合成。一般來(lái)說(shuō)，只考慮幾個(gè)。自激振動(dòng)是刀具與工件之間的一種相對(duì)振動(dòng)，是切削過(guò)程與機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性相互作用產(chǎn)生的，接近機(jī)床系統(tǒng)的固有頻率。一般認(rèn)為，加工過(guò)程中的干擾因素(機(jī)理尚不清楚)，切削力越大，振動(dòng)越劇烈。影響振動(dòng)的主要因素是機(jī)床的剛度：材料的選擇

15、、部件的橫截面形狀、尺寸和肋的分布；機(jī)床阻尼：增加阻尼可以減少振動(dòng)。提高關(guān)節(jié)阻尼(占機(jī)床系統(tǒng)固有頻率的70-90%):遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率(預(yù)測(cè)各階固有頻率和激勵(lì)頻率)；3.1金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論:穩(wěn)定的熱噪聲，熱變形和熱變形引起的誤差可占總誤差的70%，逐步熱平衡，相對(duì)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，需要分析溫度場(chǎng)的措施：減少發(fā)熱，加速散熱，熱平衡，自動(dòng)溫度補(bǔ)償和隔熱等。機(jī)械噪聲、液壓噪聲、電磁噪聲和空氣動(dòng)力噪聲的測(cè)量單位為分貝。低速運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的低速爬行(當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)部分快而慢甚至停止)。原因：摩擦引起的自激振動(dòng)、摩擦系數(shù)變化和剛度不足措施：減小靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的差異，提高機(jī)構(gòu)的剛度；3.2降

16、低運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，金屬切削機(jī)床的總體設(shè)計(jì)是。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15375-94，根據(jù)加工性能和所用刀具的不同，機(jī)床可分為12大類：C A 6 1 40、Cc:類代碼(床型)A:結(jié)構(gòu)代碼(A結(jié)構(gòu))6:組代碼(臥式車床組)1:部門代碼(普通車床系統(tǒng))40:主要參數(shù)代碼(最大車削直徑400毫米)型譜需基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要參數(shù)的基本系列，變型系列型譜需根據(jù)要求進(jìn)一步制定。3.2金屬切削機(jī)床通用設(shè)計(jì)功能設(shè)置。小批量、集中加工，機(jī)床功能要求多。根據(jù)生產(chǎn)率、加工精度、機(jī)床制造成本、操作和維護(hù)程度等。運(yùn)動(dòng)功能設(shè)置分析方法：參照同類型機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能，分析后提出方案，模擬分析設(shè)計(jì)方法：用分析方法找出所有可能的方案，通過(guò)模擬評(píng)估寫出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能，并繪制機(jī)床運(yùn)動(dòng)示意圖。3.2金屬切削機(jī)床總體設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局：垂直、水平、傾斜；基礎(chǔ)支撐：基礎(chǔ)型、柱式、門式等。支撐結(jié)構(gòu)：一體式、分體式等。評(píng)價(jià)依據(jù)：機(jī)床剛度、占地面積、物流系統(tǒng)可達(dá)性等因素的定性分析。得到五軸鏜銑床總體結(jié)構(gòu)的示意性形狀和尺寸設(shè)計(jì)(圖2-10或3-10)，并確定末端執(zhí)行器的大致形狀和尺寸；設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器和下一個(gè)功能部件之間的關(guān)節(jié)(形狀和近似尺寸)，以根據(jù)軌道關(guān)節(jié)確定下一個(gè)功能部件的近似形狀和尺寸；重復(fù)上述過(guò)程，直至基本支架(底座、立柱和床身)設(shè)計(jì)完畢，然后