金属切削机床设计.ppt

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1、第二章 金属切削机床设计,第一节 概 述一、机床设计的基本要求 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。大批量生产模式，工序分散，但要求加工效率高，自动化程度高，应采用专用机床。单件小批量生产模式，要求机床具有较宽的加工范围，对加工效率和自动化程度的要求相对低一些，应采用普通机床或通用机床。多品种小批量生产模式，要求机床能适应多品种工件的加工，具有一定的工艺范围，较高的加工效率和自动化程度，应采用专门化机床。,一、机床设计的基本要求,2柔性机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。机床的柔性包括空间上的柔性和时间上的柔性。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

2、(工件、刀具、切屑等)流动的方便程度。对于普通机床，是由人工进行物料流动的，要求机床的使用、操作、清理和维护方便和安全。对于自动化制造系统，是采用工件传送带、自动换刀系统和自动排屑系统等装置自动进行物料流动的，要求机床的结构便于物料的自动流动，可靠性好。,一、机床设计的基本要求,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，因此机床应有足够的刚度。5精度要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须具有更高的精度要求。机床精度分为机床本身的精度，即空载条件下

3、的精度(包括几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等)和工作精度(加工精度)。,一、机床设计的基本要求,6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。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。7自动化机床的自动化程度越高，加工精度的稳定性越好，还可以有效地降低工人的劳动强度，便于一个工人看管多台机床，大大地提高劳动生产率。8成本成本是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。,一、机床设计的基本要求,9生产周期 生产周期(包括产品开发和制造周期)是衡量产品市场竞争力的重要指标，为了快速响应市场需求变化，应尽可能缩短机床的生产周

4、期。10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。11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，按照人机工程学的要求进行设计。,二、机床的设计步骤,按新的原理进行加工的机床应按创新设计的步骤进行；成系列的机床产品应按系列化设计的步骤进行；通用化程度较高的机床产品，应按模块化设计的步骤进行。机床技术设计阶段的主要内容，如图3-1所示。,第二节 金属切削机床设计的基本理论,一、机床的运动学原理不同的机床因其加工功能（能够采用的加工方法、工件的类型、加工表面形状等）的不同，实现加

5、工功能所需要的运动也不同。机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置。即配置什么样的运动功能，才能实现机床所需要的加工功能。,一、机床的运动学原理,(一)机床的工作原理 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，使工件具有要求的尺寸和精度的几何形状。工件的加工表面是通过机床上刀具与工件的相对运动而形成的，因此要分析机床的运动功能，需要先了解工件表面的形成方法。,（二）工件表面形成及形成方法,1.机械零件表面的基本形状,2.工件表面的形成,母线和导线统称为发生线，任何表面都可以看作是母线沿着导线轨迹运动而形成的。（图3-2）,2.

6、工件表面的形成,有些表面的两条发生线完全相同，只因母线的原始位置不同也可形成不同表面。,(1)轨迹法：轨迹法形成发生线需要一个独立的成形运动。(2)成形法：不需要专门的成形运动。(3)相切法：相切法形成发生线需要两个独立的成形运动。(4)展成法：用展成法形成发生线需要刀具和工件之间保持严格的传动比关系，即由(B21+B22)组合成的展成运动是复合运动。,3.发生线的形成,发生线的形成图示,a)点刃车刀车外圆柱面 b)宽刃车刀车外圆柱面 c)砂轮磨外圆柱面 d)盘铣刀铣外圆柱面 e)滚齿加工,1,f,n,n,1,.,f,n1,n2,1,a),c),b),f,n1,n2,f,d),e),(三)运动

7、分类,1按运动的功能分类为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，可以分为成形运动和非成形运动。(1)成形运动 完成一个表面的加工所必须的最基本的运动，称为表面成形运动，简称成形运动。根据运动在表面形成中所完成的功能，成形运动又分为主运动和形状创成运动。1)主运动。它是切除加工表面上多余的金属材料的主要运动，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。,2)形状创成运动,形状创成运动的功能是用来形成工件加工表面的发生线。同样的加工表面，采用的刀具不同，发生线的形成方法不同，所需的形状创成运动的数目也不同。,(2)非成形运动,除

8、了上述成形运动之外，机床上还需设置一些其它运动，称之为非成形运动。如：切入运动(刀具切入工件的运动)；分度运动(当工件加工表面由多个表面组成时，由一个表面过渡到另一个表面所需的运动)；辅助运动(如刀具的接近、退出、返回等)；控制运动(如一些操纵运动)。,2按运动之间的关系分类,可分为：简单运动：如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转或直线运动构成的，称为简单运动；如图中 Bl、A2复合运动：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直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，称为复合运动。如图中(B21+B22)、(B11+A12)、(B21+A22),二、精 度,机床的精度会直接影

9、响到被加工工件的尺寸精度、形位误差和表面粗糙度。机床精度包括几何精度、传动精度、运动精度、定位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等。各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和超精密级。在设计阶段主要从机床的精度分配、元件及材料选择等方面来提高机床精度。,三、刚 度,机床刚度指机床受载时抵抗变形的能力。机床整机刚度不能用某零部件的刚度评价，而是指整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。显然，刀具和工件间的相对位移影响加工精度，同时静刚度对机床抗振性、生产率等均有影响。因此，在机床设计中对如何提高其刚度是十分重视的。在设计中既要考虑提高各部件刚度，同时也要考虑结合部刚度及各部件间

10、的刚度匹配。,四、振 动,机床抗振能力是指机床在交变载荷作用下，抵抗变形的能力。它包括：抵抗受追振动的能力和抵抗自激振动的能力。前者习惯上称之为抗振性，后者常称为切削稳定性。影响机床振动的主要原因有：1)机床的刚度。如构件的材料选择、截面形状、尺寸、肋板分布，接触表面的预紧力、表面粗糙度、加工方法、几何尺寸等。2)机床的阻尼特性。提高阻尼是减少振动的有效方法。3)机床系统固有频率。若激振频率远离固有频率，将不出现共振。在设计阶段通过分析计算预测所设计机床的各阶固有频率是很必要的。,五、低速运动平稳性,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匀的跳跃式运动，即时走时停或

11、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。,机床运动部件产生爬行，会影响机床的定位精度、工件的加工精度和表面粗糙度。在精密、自动化及大型机床上，爬行的危害更大，是评价机床质量的一个重要指标。,第二节 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,中型卧式机床的简略系列型谱表,注：基型，变型,一、机床系列型谱的制定,二、机床运动功能设计,（1）选取坐标系（2）写出机床运动功能式（3）画出机床运动原理图(例：滚齿机）（4）绘制机床传动原理图,运动原理图形符号,a),回转运动,b),直线运动,Zf,Ba,Y

12、a,Cp,Cf,W/Cf Ya Zf Ba Cp/T,机床运动原理图,机床运动原理图,掌握了机床运动原理图的原理和方法，可以对任何复杂原理的机床进行运动功能分析，它是一种运动功能设计的有用工具。,机床传动原理图,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。若将动力源与执行件、各执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，就是传动原理图。图26给出了传动原理图的所用的主要图形符号及传动原理图例子。,1、运动功能分配设计,2、结构布局设计：立式、卧式、斜置式,3、机床总体结构的概略形状与尺寸设计,设计的主要依据是：机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果，机床动

13、力参数及加工空间尺寸参数以及机床整机的刚度及精度分配。设计过程：P73(P78)1）确定末端执行件的概略形状与尺寸；2）确定与末端执行件相结合的下一个功能部件结合部分的概略形状与尺寸3）确定下一个功能部件的概略形状与尺寸,机床总体方案的综合评价评价的主要因素有：P73(P7879),三、机床总体结构方案设计,机床的主要技术性能参数包括：尺寸参数、运动参数、动力参数。（一）尺寸参数机床的尺寸参数包括：决定机床规格或加工范围的主参数，以及确定机床主要结构尺寸的参数。,四、主要参数的确定,（二）运动参数,1 主运动参数切削速度专用机床的切削速度：根据加工工件的某一特定工序设计，只须一种最佳的切削速度

14、；通用机床的切削速度：考虑机床的工艺内容和范围，为一个切削速度系列。对主运动是回转运动的机床，主运动参数是主轴的转速：n=1000 v/d(r/min)对主运动是直线运动的机床，主运动参数是刀具或工件每分钟直线往复运动的次数。,主运动速度可采用无级变速或有级变速两种方式。（1）最低转速(nmin)、最高转速(nmax)nmin=1000 vmin/dmax nmax=1000 vmax/dminnmax 和nmin的比值是变速范围 Rn=nmax/nmin,（二）运动参数,（二）运动参数,（2）分级变速时的主轴转速数列、变速范围 主轴的转速数列一般按等比数列排列。这样可以使最大相对转速损失Am

15、ax为一常数。什么是最大相对转速损失Amax：？如某机床的分级变速系统共有Z级：n1，n2，n3，nj，nj+1，nz加工工件所需的最有利转速为 n，而 n 处在 nj 与 nj+1 之间，相对转速损失：A=（n-n j）/n最大相对转速损失Amax=（n-n j）/n=（nj+1-nj）/nj+1=1-（nj/nj+1）=1-1/级比=nj+1/nj,机床转速按等比数列排列，其公比为，各级转速为：n1=nmim；n2=n1；n3=n2=n12nZ=nz-1=nz-22=n1Z-1=nmax变速范围：Rn=nmax/nmim=n1Z-1/n1=Z-1,（二）运动参数,例：有一台钻床，主轴转速为

16、：20，28，40，56，80，112，160，224，315，450，630，900，共12级，等比数列，公比=1.41，最大相对转速损失Amax=（-1）/=（1.41-1）/1.4129%若按等差数列排列，取公差为20，主轴转速为：20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，320，900，共45级，最大相对转速损失Amax：Amax1=（40-20）/40=0.5 Amax2=（900-880）/900=0.0222,等比数列同样适用于直线往复运动的往复次数数列、进给数列以及尺寸和功率参数系列。机床的进给运动参数是以进

17、给量来表示，进给量的变换可采用无级变速或有级变速两种方式。当进给量的变化要影响生产率时，进给量的数列也要按等比数列。对于各种加工螺纹和机床和利用棘轮机构实现进给的机床，进给量的数列为等差数列。对于用交换齿轮调整进给量的自动和半自动机床，进给量没有一定的规则。,2 进给运动参数,3 标准公比和标准数列,(表3-5)标准公比值：1.06;1.12;1.26;1.41;1.58;1.78;2。标准公比值能满足以下要求：1）标准公比：12；2）为1.06的整数次方；3）为2的整数次方根；4）为10的整数次方根。,确定公比的值要考虑相对转速损失和机床结构两个方面的因素。公比与级数Z有以下关系：由Rn=n

18、max/nmin=Z-1 得：Z=(lgRn/lg)+1公比的选用:当变速范围一定时，愈小，级数Z便愈多，使用方便，但使机床的结构复杂。愈大，级数Z便愈少，机床的结构简单，相对转速损失大。,4公比的选用,（三）动力参数,动力参数包括：1）电机功率；2）液压缸的牵引力，3）液压马达、伺服电机、步进电机的额定扭矩。各传动件的参数都是根据动力参数设计计算的。,1 主运动功率的确定机床主运动功率 P主=P切+P附+P空=P切/机+P空 P空=k1(d平 n+k2 d主n主)10-6 P切=T切*n/9550(T切=9550 P切/n)电动机的额定功率:P额定=P主/K(kw),2 进给运动功率的确定1

19、）进给运动与主运动共用一个电机，其功率可忽略；P进=(0.030.05)P主2）进给运动与空行程（快速运动）共用一个电机时，也不必单独考虑进给功率；3）进给运动采用单独电机或采用液压传动时，需要确定进给运动的功率。普通电机：进给功率 P进=FV进/60000数控机床上的伺服电机按转矩选择：T进电=9550 P进/n进电,3.空行程功率的确定 P空=P惯+P摩快速（空）行程电机往往是满载起动的，移动件较重，加速度较大，计算时必须考虑惯性力。克服惯性力需要的功率为：P惯=Te*n/9550k1 克服质量和摩擦力需要的功率为：升降运动：P摩=（mg+fF）v/60000水平运动：P摩=fmgv/60

20、000,一、传动系统的作用1 把一定的功率或力矩从动力机传递给执行件；2保证运动的执行件具有要求的运动速度和一定的变速范围；3根据需要，能够方便地进行运动的启动、停止、换向和制动。,第四节 机床的主传动设计,二、传动系统的分类和传动方式,分类：1、按驱动方式可分为：交流电动机驱动和直流电动机驱动。2、按传动装置类型可分为：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、按变速的连续性可分为：分级变速传动和无级变速传动。,二、传动系统的分类和传动方式,传动方式：1.集中传动方式全部传动和变速机构集中装在一个主轴箱中,二、传动系统的分类和传动方式,2分离传动方式主传动系中的大部分的传动

21、和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，,三、传动系统的组成,1定比传动装置 丝杠车床传动系统2变速装置常用的变速装置有以下几种：1）变换齿轮变速机构丝杠车床传动系统2）滑移齿轮变速机构(CA6140)3）离合器变速机构(CA6140)3起停和换向装置起停和换向装置的典型结构：(CA6140)1）齿轮摩擦离合器换向机构 2）齿轮换向机构,三、传动系统的组成,摩擦离合器 齿轮换向机构,4制动装置制动器的设计与安装应考虑如下问题：1）制动器与离合器必需互锁；2）合理确定制动器的安装位置；若要求制动扭矩较小，则制动器安装在转速较高的轴上。若要求制动时间短，制动

22、灵活，则制动器可直接安装在主轴或其他执行机构上。通常，制动器安装在转速较高、变速范围较小的轴上。闸带式制动器的操纵力应作用在制动带的松边。制动器.,三、传动系统的组成,三、传动系统的组成,5安全保护装置如果传动链中有带、摩擦离合器等摩擦副，则具有过载保护作用，否则应在传动链中设置安全离合器或安全销等过载保护装置。安全保护装置宜放在靠近执行机构且转速较高的传动构件上。常用的安全保护装置有以下几种：1）销钉安全联轴器（见图）2）钢珠安全离合器（见图）3）摩擦安全离合器（见图）,丝杠车床,返回,返回,制动器,返回,销钉安全联轴器,返回,摩擦安全离合器,返回,钢珠安全离合器,返回,四、分级变速主传动系

23、统设计,（一）变级变速机构的转速图转速图中：1）垂直线代表传动轴线；2）水平线代表各级转速；3）各轴之间连线的倾斜方式代表传动副的传动比；前一轴上同一点向后一轴联出的联线的条数代表两轴间的传动副数；4）沿运动传递方向，穿过各相连线的途径是传动路线；,返回,（1）变速规律主轴为了得到连续的等比数列，需要的传动组数和每个传动组中的传动副数为：Z=Pa*Pb*Pc*Pw（2）转速图原理从转速图中可以看出，各变速组中传动比的关系为：a组：（基本组）级比X j 级比指数 Xjua1:ua2:ua3:=1/2:1/:1=1:2 1 1b组：（第一扩大组）ub1:ub2=1/3:1=1:3 3 3=Pa c

24、组：（第二扩大组）uc1:uc2=1/4:2=1:6 6 6=Pa*Pb第W变速组：（第W-1扩大组）Pa*Pb*Pc*Pw-1,（一）变级变速机构的转速图,r=umax/umin 基本组的变速范围：r0=ua3/ua1=2=X0（P0-1）第一扩大组的变速范围：r1=ub2/ub1=3=X1（P1-1）第二扩大组的变速范围：r2=uc2/uc1=6=X2（P2-1）第j扩大组的变速范围：rj=Xj（Pj-1）主轴的变速范围：Rn=nmax/nmin=r0 r1 r2 rw-1在设计传动系统时，遵循上述规律，传动系统可得到转速数列是连续的等比数列，即正常的传动系统。,（3）各变速组的变速范围(

25、图3-13),（4）结构式和结构网,结构式：为了便于分析和比较不同传动设计方案，常使用结构式形式。如：12=31 23 26结构网：只表示传动比的相对关系，而不表示具体转速值的线图称为结构网。（结构网),（3）各变速组的变速范围,返回,结构式和结构网,返回,结构式和结构网,a)12=312326b)12=312623c)12=322126d)12=342122e)12=322621f)12=342221,返回,（1）变速组及其传动副数的确定为使传动系统中齿轮总处数为最少，每个变速组的传动副数最好取P=2或3。（12=322）（2）确定传动顺序 一般应遵循“前多后少”的原则。（3）确定变速顺序

26、一般应采用基本组在前，扩大组在后的方案，即“前密后疏”的原则。（12=312326）（4）确定各变速组的传动比 1）各传动副的传动比不应超出极限传动比，umin 1/4 umax2；若用斜齿轮传动umax2.5进给传动系统：umin 1/5 umax2.8；2）尽量提高中间轴的最低转速，遵循“前缓后急”的原则。,（二）转速图的拟定,前多后少前密后疏,返回,前缓后急,返回,160012501000800630500400315250200160125100806350 40 31.5 25,例：某机床公比=1.26，主轴转速级数Z=16，n1=25rmin，试拟定出结构式，画出结构网；若电动机功

27、率P=4kW，额定转速nm=1440rmin，确定齿轮齿数，画出转速图。,（5）齿轮齿数的确定,A)齿轮齿数的确定的原则在确定齿数时应注意：1）实际转速n与标准转速n的相对转速误差:n=(n n)/n(-1)10%2）齿数和SZ不能太大，一般推荐SZ100120，常选用在100以内。3）同一变速组中的各对齿轮，其中心距必须相等。当变速组内各齿轮副的齿数和不相等时,齿数和的差不能大于3.4）小齿轮的齿数应保证不产生根切。5）保证最小齿轮具有足够的强度。（如图所示）6)三联滑移齿轮的齿数差一般4（如图所示）,B.确定齿轮的齿数,查表法(表3-9)例:ia3=1/1.58;ia2=1/2;ia1=1

28、/2.52当Sz取78时:Z1=22;Z2=26;Z3=30,返回,第二章 习题（二）,P140：210，11，(16)，17，20 224，25，(26)，27 228，30，31,例:CA6140,1 传动路线,CA6140型卧式车床主运动传动链的传动路线表达式为,2 主轴转速级数与转速图,理论上主轴转速级数Z=2 3(22+1)=30。由于轴V间有四种传动比：u1=1；u2=1/4;u3=1/4;u4=1/16主轴实际正转转速级数z=2 3(22-1)+1=24级。主轴反转转速为12级，其转速高于正转转速。主轴及中间各传动轴的各级转速用运动平衡式 计算n主=n电 u带 uuunman=1

29、450 130/230 56/3839/4163/50=1400 r/minnmin=1450 130/230 51/4322/5820/80 20/80 26/58=10 r/min,(三)主变速传动系统的几种特殊设计,在实际应用中，常常采用多速电动机传动，交换齿轮传动和公用齿轮传动等特殊设计。,1具有多速电动机的主变速传动系统设计,如图所示，(P90图3-16)采用多速异步电动机和其它方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便，并可以在运转中变速，适用于半自动、自动机床及普通机床。机床上常用双速或三速电动机，其同步转速为(7501500)rmin、(15003000)rmin、(750

30、15003000)rmin，电动机的变速范围为24，级比为2。,2具有交换齿轮的变速传动系统,对于成批生产用的机床，例如自动或半自动车床，专用机床，齿轮加工机床等，加工中一般不需要变速或仅在较小范围内变速；但换一批工件加工，有可能需要变换成别的转速或在一定的转速范围内进行加工。为简化结构，常采用交换齿轮变速方式，或将交换齿轮与其它变速方式(如滑移齿轮、多速电动机等)组合应用。交换齿轮用于每批工件加工前的变速调整，其它变速方式则用于加工中变速。,3、采用公用齿轮的变速传动系统,在变速传动系中，既是前一变速组的从动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，称为公用齿轮。采用公用齿轮可以减少齿轮的数目，简化结

31、构，缩短轴向尺寸。按相邻变速组内公用齿轮的数目，常用的有单公用和双公用齿轮。采用公用齿轮时，两个变速组的模数必须相同。因为公用齿轮轮齿受的弯曲应力属于对称循环，弯曲疲劳许用应力比非公用齿轮要低，因此应尽可能选择变速组内较大的齿轮作为公用齿轮。,为什么要扩大变速范围？由于受到变速组的变速范围8限制，由：Rn=nmax/nmin=r0 r1 r2 rw-1 通常，最后扩大组的传动副数为2，最后扩大组的变速范围为rw-1=Z/2 8 总变速范围 Rn=Z-1一般为50左右，然而这样大的变速范围是不能满足普通机床的要求的，如CA6140的主轴转速为10r/min1400r/min，Rn=140；Z30

32、40的Rn=80，因此，必须扩大变速范围。,（四）、扩大变速范围的传动系统设计,1、增加变速组的传动系统,由总变速范围 Rn=nmim/nmax=Z-1=P0 P1 P2 Pj-1可知：增加公比、增加某一变速组的传动副数、增加变速组，可扩大变速范围。但增加公比、增加某一变速组的传动副数都是不可行的。可以在原有的传动系统中再增加一个双联齿轮变速组，以增大主轴转速级数。但由于受变速组极限变速范围的限制，增加的变速组级比指数往往小于理论值，导致部分转速重复。,2、单回曲机构（背轮机构）,如图所示，该机构的 最小传动比 i=1/41/4=1/16；机构的极限变速范围r=i2/i1=16。,3、对称混合

33、公比传动系统,如图3-20所示设计原则：1）大公比是小公比的平方：2=12 2）基本组的传动副数P0=2；级比指数x0+13）大公比格数必须是偶数，即：x0为偶数,根据切削理论，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，主运动是直线运动的机床，在背吃刀量和进给量不变的情况下，不论切削速度多大，驱动直线运动工作台的传动件在所有转速下承受的转矩是基本相同的，直线运动的机床，主传动属于恒转矩传动。主运动是旋转运动的机床，在背吃刀量和进给量不变的情况下，主轴承受的转矩T与工件的直径基本上成正比，而主轴的转速与工件的直径基本上成反比。由：P=Tn9550因此，主运动是旋转运动的机

34、床基本上是恒功率传动。,（五）、传动件计算转速的确定,在传动系统的设计过程中，根据传动件工作时所承受的载荷进行强度计算，载荷取决于传动所传递的功率和转速。T=9550P/n变速传动件应该根据哪一级转速进行动力计算？机床在实际使用中，只有当转速提高到某一值以上时，才能达到全部功率传动，这个值就称为计算转速，在计算转速以上为恒功率传动，计算转速以下为恒扭矩传动。功率或扭矩与转速之间的关系称为机械系统的功率扭矩特性，如图所示。,返回,计算转速,在计算转速及其以下各级转速所传递的扭矩将达到最大值。因此，通常按传动件的计算转速确定传动件的最大负载扭矩并以此作为结构尺寸设计依据。计算转速的确定对各种机械是

35、不同的，机床主轴的计算转速的计算公式：nj=nminR 0.250.4 或查表3-10 确定主轴的计算转速后，可以从转速图上得出传动系统中各传动件（如轴和齿轮副）的计算转速。确定中间传动件的计算转速时，1）可先找出该传动件有几级转速，2）再找出其中传递 全部功率的是哪几级，3）最后从中确定传递全部功率的最低转速，就是该传动件的计算转速。,1)主轴的的计算转速2)各传动轴的计算转速3)各齿轮的计算转速各变速组内一般只计算组内最小的，也是强度最薄弱的齿轮，所以只需要确定最小齿轮的计算转速。,（六）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

36、床总体布局对变速箱的形状和尺寸的限制，还要考虑各轴受力情况，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。卧式车床的主轴箱安装在床身的上面，横截面呈矩形，高度尺寸只能略大于主轴中心高加主轴上大齿轮的半径；主轴箱的轴向尺寸取决于主轴长度，为提高主轴组件的刚度，一般较长的主轴可设置多个中间墙。,卧式车床的主轴箱横截面图,卧式车床的主轴箱展开图,卧式铣床的主轴箱展开图,2变速箱内各传动轴的轴向固定,传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一端固定和两端固定两类。采用单列向心球轴承时，可以一端固定，也可以两端固定；采用圆锥滚子轴承时，则必须两端固定。一端固定的优点

37、是轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力。因此，宜用于长轴。图3-26为一端固定时，轴固定端的几种形式。一端固定时，轴的另一端的构造见图3-26f，轴承用弹性挡圈固定在轴端，外环在箱体孔内轴向不定位。,一端固定,两端固定,3各传动轴的估算和验算,机床各传动轴在工作时必须保证具有足够的弯曲刚度和扭转刚度。轴在弯矩作用下，如产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的压强分布不均，产生不均匀磨损和加大噪声；也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命。如果轴的扭转刚度不够，则会引起传动轴的扭振。在设计开始时，要先按扭转刚度估算传动轴的直径，待结构确定之后，定出轴的跨距，

38、再按弯曲刚度进行验算。,(1)按扭转刚度估算轴的直径,式中A为与允许的扭转角相关的系数。见表3-11,(2)按弯曲刚度验算轴的直径,1)进行轴的受力分析，根据轴上滑移齿轮的不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算。如较难准确判断滑移齿轮处于哪个位置受力变形最严重，则需要多计算几种位置。2)如最严重情况时，齿轮处于轴的中部时，应验算在齿轮处轴的挠度；当齿轮处于轴的两端附近时，应验算齿轮的倾角，此外还应验算轴承的倾角。3)按材料力学中的公式计算轴的挠度或倾角，检查是否超过允许值。允许值可从表312查出。为简化计算，可用轴的中点挠度代替轴的最大挠度，误差小于3；轴的挠度最大时，轴承处的倾角也最大。

39、倾角的大小直接影响传动件的接触情况。所以，也可只验算倾角。由于支承处的倾角最大，当它的倾角小于齿轮倾角的允许值时，齿轮的倾角不必计算。,第二章 习题（三）,P140：228，30，31（第2版：P209：328，30，31）,五、无级变速主系统的设计,(一)无级变速装置的分类 机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机;机械无级变速装置;液压无级变速装置。,(二)无级变速主传动系统设计原则,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。执行件作直线主运动的主传动系统，对变速装置的要求是恒转矩传动，例如龙门刨床的工作台，就应该选择恒转矩传动为主的无级变速装置；如液压无级变速装

40、置。主传动系统要求恒功率传动，例如车床或铣床的主轴，就应选择恒功率无级变速装置。,2)无级变速系装置单独使用时，其调速范围较小，满足不了机床主轴功率特性要求，尤其是恒功率调速范围。为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。,主轴功率特性,电机功率特性,(二)无级变速主传动系统设计原则,如机床主轴要求的变速范围为Rn，选取的无级变速装置的变速范围为Rd，串联的机械分级变速箱的变速范围Rf应为(315)式中，Z为机械分级变速箱的变速级数；为机械分级变速箱的公比。通常，无级变速装置作为传动系中的基本组，而分级变速作为扩大组，其公比理论上应等于无级变速装

41、置的变速范围。为了得到连续的无级变速，设计时应该使分级变速箱的公比 略小于无级变速装置的变速范围，即取=(0.900.97)Rd，使转速之间有一小段重叠，保证转速连续。,例3-2,设机床主轴的变速范围Rn=60，无级变速箱的变速范围Rd=8，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出转速图。解：机械分级变速箱的变速范围为机械分级变速箱的公比为：分级变速箱的变速级数：,六、数控机床主传动系设计特点(一)主传动采用直流或交流电动机无级调速,(1)直流电动机无级调速 电机的特性：从ndnmax为恒功率区；Rd=25；从ndnmin为恒转矩区；RM为100以上；旋转运动的执行系统（主轴）：从njnmax为

42、恒功率，变速范围在20以上；从njnmin为恒转矩，恒功率变速范围约为恒转矩变速范围的24倍。,(一)主传动采用直流或交流电动机无级调速,(2)交流电动机无级调速 一般交流电动机体积小，转动惯性小，动态响应快；采用全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。恒功率区；Rd=412 对于某些应用场合，使用这些电动机可以取消机械变速箱。,（二）电动机和主轴功率特性的匹配设计,由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围。设计分级变速箱时，考虑机床结构的复杂程度，运转平稳性要求等因素，变速箱公

43、比的选取有下列三种情况：1、取变速箱的公比 等于电动机的恒功率速范围，即=，功率特性图是连续的，无缺口和无重合。,有一数控机床，主轴转速最高为4000r/min，最低转速为30r/min。计算转速为150r/min。最大切削功率为5.5kW。采用直流主轴电动机，额定转速为1500r/min，最高转速为4500r/min，试设计分级变速传动系统并选择电动机的功率。解 主轴要求的恒功率调速范围 Rnp=4000150=26.7 电动机的恒功率调速范围 Rd=45001500=3 可见主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率调速范围，故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比F=RdN=3，则

44、由于无级变速时 R n N=故变速箱的变速级数 Z=2.99取Z=3。传动系统和转速图见图。,例3-3,例3-3,当电机转速为1500r/min时，经分级变速箱、主轴可得到1331r/min145r/min范围内的各种转速。当电机转速升至4500rmin时，分级变速箱转速也随之上升达到3993r/min441r/min，这是恒功率调速区。由于串联了分级变速箱，使电机恒功率调速范围扩大到主轴的恒功率调速范围27.5。电机由1500r/min310r/min，主轴由145r/min30r/min是恒扭矩调速。如取总效率为=0.75，则电动机功率P=5.50.75=7.3kW，取电动机功率P 为7.

45、5KW,例3-3,2、若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比 可取大于电动机的恒功率调速范围，即。,3、若需要在运转中变速，功率特性图上需要恒功率线有小段重合，变速箱公比 可取小于电动机的恒功率调速范围，即，则变速级数会多些。,（三）数控机床高速主传动设计,提高主传动系中主轴转速是提高切削速度最直接最有效的方法。数控车床的主轴转速目前到5000 7000r/min。数控高速磨削的砂轮线速度到100200m/s。要求主轴系统的结构必须简化，减小惯性，主轴旋转精度要高，动态响应要好，振动和噪声要小。高速和超高速数控机床主传动，一般采用两种设计方式：一种是采用联轴器将机床主轴和电动机轴串接成

46、一体，将中间传动环节减少到仅剩联轴器；另一种是将电动机与主轴合为一体，制成内装式电主轴，实现无任何中间环节的直接驱动，并通过冷却液循环冷却方式减少发热，,电主轴,电主轴的电动机转子与主轴为一体，置于前后轴承之间，电动机定子则在套筒内，一般前支承采用二个径向推力轴承。由于转动的零件少，主轴直接支承在前后轴承之间，所以可实现高速运转。电主轴的无级变速方式，厂家提供变频和矢量控制两种选择。,（四）数控机床采用部件标准化、模块化结构设计,整机数控车床的模块化设计是在几个基础模块部件（床身、底座等）基础上，按加工要求灵活配置若干功能部件（如主轴、刀架、尾座等）和附加模块化装置（各式机械手、检测装置等），

47、,（五）并联机床原理,前面讨论的机床形状创成运动，工件和刀具的各个运动是串联关系。近年来并联运动原理在机床中得到了应用。并联运动比串联运动具有如下优点：精度高(各分支的运动误差不叠加)、刚度高(杆的受力状态好)、运动部件质量小、速度高等，这些优点对于机床来说是非常重要的。并联运动机构,一、机械进给传动系统的特点1)恒转矩传动。当进给量较大时，一般采用较小的背吃刀量；当进给量较小时，多采用较大的背吃刀量；在各种不同进给量的情况下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力，因此，在各种进给速度下，传动系统最后输出轴的转矩可近似地认为相等。传动件的计算转速（速度）是该传动件可能出现的最大转速（速

48、度）。进给传动的转速图为前疏后密的结构。这样可以使进给系统内更多的传动件至末端输出轴的传动比较小，承受的转矩也较小,第五节 进给传动系统设计,一、机械进给传动系统的特点,2)进给运动速度低、受力小、消耗功率少。3)进给运动数目多。不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不相同。立式钻床只有一个进给运动，卧式镗床则有五个进给运动；普通车床中，车螺纹传动是内联系传动链，而纵车外圆则是外联系传动链。4)进给传动系统（特别是数控机床）中应采用各种消除间隙措施，以提高传动精度。5)进给传动系统中常应用快速进给机构，以实现执行件在空行程内的快速移动。,进给传动系统应满足以下要求：1)有较高的静刚度。2)具有

49、良好的快速响应性；抗振性能好；噪声低；有良好的防爬行性能；切削稳定性好。3)有较高的传动精度和定位精度。4)能满足工艺需求，有足够的变速范围。5)结构简单，制造工艺性好，调整维修方便，操纵轻便灵活。6)制造成本低，有较好的经济性。,二、进给传动的基本要求,没有特殊需要，尽量采用等比数列；对于等差数列进给传动，设计时以满足工艺需求为目的；随机数列进给传动系统，如车床的非标准螺纹进给传动链等，采用交换齿轮机构。等比进给传动应遵循以下原则：1进给传动系统的极限传动比、极限变速范围极限传动比为imin1/5，imax2.8，极限总变速范围为R=2.85=14。2进给传动扩大顺序的原则、最小传动比原则转

50、矩与传动比成反比，降速传动，传动比小于1，输出转矩增加。,三、分级进给传动设计的原则,等比进给传动应遵循以下原则：,由于进给系统是恒转矩变速，末端旋转传动件的转矩一定，一般情况下扩大顺序应采用前疏后密的原则；（为什么？）根据误差传递规律，最小传动比应采用前缓后急的原则，以提高进给传动系统的传动精度。,四、电气伺服进给系统,(一)电气伺服进给系统的分类电气伺服系统是数控装置和机床之间的联系环节，电气伺服进给系统按有无检测和反馈装置分为开环、闭环和半闭环系统。(二)电气伺服进给系统驱动部件 电气伺服进给系统由伺服驱动部件和机械传动部件组成。伺服驱动部件如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等