机械制造装备设计.doc

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：
5、 机电一体化：机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子技术，按系统工程和整体优化方法，有机组合最佳系统。
6、 节材
7、 符合工业工程要求
8、 符合绿色工程要求

1、 一般的功能要求
2、 柔性化：结构/功能
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
机械制造装备应满足的一般功能要求：①加工精度②强度、刚度和抗振性③加工稳定性④耐用度⑤技术经济方面要求
柔性化是指什么？试分析组合机床，普通机床，数控机床，加工中心的柔性化表现在那里？
答：产品结构柔性化：设计时用模块化设计和机电一体化技术，只对结构少量重组修改或修改软件。功能柔性化：进行少量调整或修改软件可该笔那产品功能。* 机床可进行调整以满足不同工件的加工，如采用备用主轴，位置可调主轴，工夹量具成组化，工作程序软件化和部分动作实现数控化等。
机械制造装备的机电一体化体现在哪些方面？可获得什么好处？
答：机电一体化是指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体化优化法，有机地组成的最佳技术系统。 可获功能：（1）对机器或机组系统的运行参数进行巡检和控制(2)对机组或机组系统工作程序的控制。可实现复杂的控制任务，提高智能化和可靠性（3）用微电子技术代替传统产品中机械部件完成的功能，简化产品的机械结构。具有较高的可靠性，维修方便，性价比高。

机械制造装备分类：1.加工装备2工艺装备3.仓库传送装备4辅助装备
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、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

设计方法：创新，变型（适应性/变参数），模块化
系列化设计：基型——派生产品（产品系列型谱）
模块化设计：模块组成
评价：技术经济；可靠性；人机工程；结构工艺；产品造型；标准化
什么是系列化设计？优缺点？答：系列化设计方法是在设计的某一类产品中，选择功能，结构和尺寸等方面较典型产品为基型，以它为基础，运用结构典型化，零件通用化，标准化（结构的典型化）的原则设计出其他各种尺寸参数的产品构成产品的基型系列。优点：（1）可用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求（2）可减少设计工作量，提高质量，减少开发风险，缩短研制周期（3）可压缩工艺装备的数量和种类，缩短研制周期，减低成本（4）零备件种类少，便于维修和售后服务（5）伟变型设计提高基础。缺点： 产品具有通用性，用户只能在系列型谱内有限的品种规格中选取，参数功能不一定最符合，功能还可能冗余。
模块化设计的优点：（1）科技发展，性能更好的模块取代旧模块，加快产品的更新换代（2）指需要更换部分模块或设计制造个别模块个专业部件，便可快速满足用户提出的要求。缩短设计和供货周期（3）推动了整个企业技术，生产管理和组织体制的改革（4）维护翻遍，对生产影响烧。
可靠性指什么？有哪些衡量指标？答：可靠性是指产品在规定的条件下河规定的时间内完成规定任务的能力。衡量指标：可靠度，累积失效概率，失效率，可靠寿命。

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，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j＞1，并且规定相对速度损失的最大值Amax不大于50％，则相应j不大于2，所以1＜j£2。
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。

机床主要参数设计有哪些？动力参数的概念？取大或取小的影响？确定方法？1机床主要参数设计：尺寸参数，运动参数，2动力参数动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或转矩，因为机床个传动件的结构参数都是根据动力参数设计计算的，3如果动力参数取得过大，电动机经常处于低负荷情况，功率因数小，造成浪费，同时使传动件及相关零件尺寸设计得过大浪费材料，且机床笨重；如果取得过小，机床达不到设计提出的使用性能要求。4通常动力参数可通过类比法，试验法或计算方法来确定。

★★★★ 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。
主传动系组成：动力源，变速装置，执行件，开停、换向、制动机构
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
主传动系传动方式和特点？①集中传动特点：结果紧凑，便于实现集中操作，安装调整方便，适用于普通精度中大型机床。②分离传动特点：变速箱所产生的热量不能直接传给货少传给主轴，从而减少主轴的震动和热变形，有利于提高机床精度。

★★★★ 分级变速主传动系的设计 ★★★★
设计基本原则：传动副前多后少；传动顺序与扩大顺序相一致；变速组的降速前快后慢
扩大传动系变速范围：增加变速组，采用背轮机构，采用双公比的传动系；采用分支结构
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。

进给传动系统设计
设计特点：速度低 ，受力小，消耗功率少；恒转矩传动；设计转速为最高转速；转速图前疏后密；间隙消除机构；快速空程传动；微量进给采用、

变速组的级比是指主动轴上同一点传往从动轴相邻两传动路线的比值，用ψxi表示，指数xi称为级比指数。
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
分析主轴推力支承的配置形式及其结构特点？答：①前端配置，两个方向的推力支承部布置在前支承处，这类配置方案在前支承处轴承较多，发热大，温升高，但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，精度高，对提高主轴部件刚度有利，用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床②后端配置，两个方向的推力轴承都布置在后支承处，这类配置方案前支承轴承较少，发热小，温升低，但是主轴受热都向前伸长，影响轴向精度，用于轴向精度要求不高的普通精度机床③两端配置，两个方向的推力轴承分别布置在前、后两个支承处，这类配置方案当主轴受热伸长后，影响主轴轴承的轴向间隙。为避免松动，可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀，两端配置常用于短主轴④中间配置，两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧，这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并使主轴受热膨胀后向后伸长，但前支承结构复杂，温升也可能较高。

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。
角接触球轴承：径向和一个方向的轴向；成组安装；背对背更有抗颠覆力矩能力；
双列短圆柱滚子轴承：较大的径向载荷
圆锥滚子轴承：单列：径向和一个方向的轴向
推力轴承：只能受到轴向载荷

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
根据什么原则选择支承件的界面形状 ：（1）为尽可能提高支承件刚度，支承件的截面应是中空形状，经可能加大截面尺寸，在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些（2）圆形截面的抗扭刚度壁正方形好，而抗弯刚度比正方形低，因此，以承受弯矩为主的支承件截面形状应取矩形并以其高度方向为受弯方向；以承受扭矩为主的支承件的截面形状应取圆形（3）尽可能吧支承件截面做成封闭形状。
支承件的形状分类，提高其机构性能的措施？支承件的形状分为箱形类、板块类、梁类。提高措施有提高支承件的精刚度和固有频率，提高动态特性、改善阻尼、采用新材料、提高热稳定性、控制温升、采用热对称结构，采用热补偿装置。

第三节 导轨设计
导轨的功用和分类
导轨的功用是承受载荷和导向。
导轨按结构形式可分为开式导轨和闭式导轨。
导轨应满足的要求
1、导向精度高 2、承载能力大，刚度好 3、精度保持性好；
4、低速运动平稳 5、结构简单、工艺性好 6、导轨要求结构简单，易于加工
直线导轨的截面形状：
主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形
矩形：侧向间隙，使用载荷大要求低
三角形：小顶角轻载荷精密；大顶角大型机床
燕尾形：承受较大的倾覆力矩
圆柱形导轨：轴向符合导轨
导轨间隙调整：压板，镶条，导向调整板

第四节、 机床刀架和自动换刀装置设计
机床刀架和自动换刀装置的类型
按安装刀具的数目分为单刀架和多刀架。
按结构形式分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等。
按驱动刀架转位的动力分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架
刀库的类型：盘式刀库、链式刀库、斗笠式刀库

机床夹具类型：①通用②专用③可调整夹具和成组夹具④组合⑤随行。
机床夹具的作用是什么？有哪些要求？答：作用：①保证加工精度②提高生产率③扩大机床使用范围④减轻工人的劳动强度，保证生产安全。要求：①保证加工精度②夹具的总体方案应与年生产纲领相适应③安全，方便，减轻劳动强度④排屑顺畅⑤机床夹具应具有良好的强度，刚度和机构工艺性。
机床夹具的基本组成部分：定位元件装备、夹紧原件及装置，导向及对刀装置。动刀装置、夹具体、其他元件及装置。
何谓可调整夹具？调整方式有几种？可调整夹具适用于何种场合？答：成组夹具是专门为成组工艺中的一组相似性很强的零件而设计的，调整范围仅限于本组的零件，因而也称为可调整夹具。 方式：调节式、更换式、综合式、组合式。它主要为几个尺寸，结构和工艺性相似的零件的相同工序设计的。
夹紧与定位的区别？对夹紧装置的基本要求有哪些？答：夹紧：夹牢工件，在一定好的位置上将工件可靠的夹住。定位：把工件装好，在机床上确定工件相对刀具的正确加工位置。要求：（1）夹紧必须保证定位准确可靠，而不能破坏定位（2）工件和夹具的变形必须在允许的范围内（3）夹紧机构必须可靠（4）夹紧机构操作必须安全，省力，迅速，符合工人的操作习惯（5）夹紧机构的复杂程度，自动化程度必须与生产纲领和工厂的条件向适应。
夹紧力：
方向：（1）有利于工件定位，不能破坏定位（主夹紧力垂直于第一定位基准）
（2）夹紧力的方向与工件刚度高的方向一致减少变形）
（3）尽量与切削力，重力方向一致（减少夹紧力）
作用点：（1）夹紧力作用点应与支撑点点对点
（2）夹紧力作用点在工件刚度高的位置
（3）作用点尽量靠近切削部位
（4）夹紧力反作用力不应使家具产生影响加工精度的变形
（5）夹紧力作用点数目增多，能使工件夹紧均匀，提高夹紧可靠性，减小夹紧变形
何谓定位误差？定位误差是由哪些因素引起的？答：定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。因素：（1）工件在夹具中的定位，夹紧误差（2）夹具带着工件安装在机床上，相对机床主轴（或刀具）或导轨的位置误差，也叫对定误差（3）加工过程中误差。
何谓夹具的对定？包括哪几个方面？为什么在加工是还要解决夹具的对定问题？夹具的对定是指：夹具与机床连接时使夹具定位表面相对机床主轴（或刀具），机床运动导轨有准确的位置和方向的过程。包括：（1）夹具在机床上的定位（2）夹具的对刀（3）分度和转位定位。使用夹具加工工件时，只有首先保证夹具在机床上的对定要求，其对定误差要小于工件的允许误差，才能使工件在家具中相对刀具及成型运动处于正确位置，即夹具定位。从而保证工件的尺寸精度和相对位置加工精度。