机械制造装备设计

第二章 金属切削机床设计

1. 机床设计基本要求 p49-p50

1. 工艺范围
   1. 定义: 机床适应不同生产要求的能力，也可称之为机床的加工功能。
      1. 加工作业功能决定其运动功能。
      2. 加工作业空间（尺寸范围) 决定其运动行程范围。
      3. 机床工艺范围包括可加工的工件类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸范围、毛坯类型。
   2. 影响因素: 机床的工艺范围主要取决于其用于哪种生产模式。
   3. 机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。
2. 柔性
   1. 定义: 机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。
   2. 类型: 机床的柔性包括空间柔性和时间柔性。
      1. 空间柔性(功能柔性)包括机床的通用性和在同一时期内进行快速功能重构的能力，即机床能够适应多品种小批量的加工,机床的运动功能和刀具数目多，工艺范围广，一台机床具备多台机床的功能，因此在空间上布置一台高柔性机床，其作用等于布置了几台机床（即机床的通用性高)。
      2. 时间上的柔性(结构柔性)指的是在不同时期（如企业的产品更新了)，机床各部件重新组合，构成新的机床，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。
      3. 机床的柔性高，则生产率往往会降低，因此设计时应该对产品的结构柔性及可重组能力提出合理的要求。
3. 刚度(机床/主轴组件/导轨/支撑件)
   1. 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。
   2. 刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。
   3. 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。
4. 精度(机床/主轴组件/导轨/支撑件)
   • 机床精度主要指机床的几何精度和机床的工作精度, 用来描述偏差程度。
     1. 机床的几何精度指空载条件下机床本身的精度，它们对于机床的工作精度及工具、重要零部件和附件的安装都是非常重要的。
        1. 机床独立部件相对理想的线或面的形状特征（直线度、平面度)
        2. 位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度)
        3. 旋转（径向圆跳动、轴向窜动、轴向圆跳动)
        4. 位移（运动部件的位置偏差、线性偏差、角度偏差）。
     2. 机床的工作精度指精加工条件下机床的加工精度（尺寸、形状及位置偏差)。

2. 金属切削机床基本理论/设计思路 p53

1. 表面形成方法 p54 (了解标题)
   1. 轨迹法
   2. 成型法
   3. 相切法
   4. 展成法
2. 机床运动描述方法 p56-p60
   1. 推断成型方法
   2. 推断机床运动
      1. 机床运动原理图 p59 图2-4 (不做要求)
      2. 机床传动原理图 p61 图2-5 (不做要求)
3. 机床精度 p61
   1. 几何精度
      1. 指机床在空载条件下，在不运动或运动速度较低时机床主要独立部件的形状（直线度、平面度)、相互位置（平行度、垂直度、重合度、等距度、角度)、旋转（径向圆跳动、周期性轴向窜动、轴向圆跳动）和相对运动位移的精确程度。
      2. 几何精度直接影响被加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。
      3. 取决于结构设计、制造和装配质量。
   2. 运动精度
      1. 运动精度指机床空载并以工作速度运动时，执行部件的几何位置精度（又可称为几何运动精度)。
      2. 运动精度如高速回转主轴的回转精度，工作台运动的位置及方向(单向、双向)精度（定位精度和重复定位精度)。
      3. 对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。
   3. 传动精度
      1. 传动精度指机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。
      2. 传动精度取决于传动系统的设计、传动元件的制造和装配精度。
      3. 传动精度对数控机床及零传动而言，主要因素是电动机、驱动器及控制。
   4. 定位精度和重复定位精度
      1. 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度，对数控机床而言，是指实际运动到达的位置与指令位置一致的程度。
      2. 定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和几何精度。
      3. 影响因素有机床构件和进给控制系统的精度、刚度以及其动态特性等。
      4. 重复定位精度是指机床运动部件在相同条件下，用相同的方法重复定位时位置的一致程度。除了影响定位精度的因素之外，还受传动机构的反向间隙的影响。
   5. 工作精度
      1. 加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。
      2. 工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、夹具及工件的刚度及热变形等。
   6. 精度保持性
      1. 在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度，称为精度保持性。
      2. 影响精度保持性的主要因素是磨损。
      3. 磨损的影响因素如结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等。
4. 机床刚度 p63
   1. 定义: 机床刚度是指机床系统抵抗变形的能力
   2. 定义式:
      • K =F/y
      • 式中
        • K——机床刚度(N/um);
        • F———作用在机床上的载荷（N);
        • y——在载荷作用下，机床的变形(um)。
      1. 作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击振动干扰力等。
      2. 按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷。
      3. 不随时间变化或变化极为缓慢的载荷称为静载荷，如重力、切削力的静力部分等。
      4. 凡随时间变化的载荷如冲击振动力及切削力的交变部分等称为动态载荷。
      5. 故机床刚度相应地分为静刚度及动刚度，后者是抗振性的一部分。习惯所说的刚度一般指静刚度。
5. 低速运动平稳性 p65-p66 (问答题)

   1. 画图

   2. 文字说明

      1. 机床在低速运动时产生的运动不平稳性称为爬行。
      2. 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。
      3. 爬行原因：
         • 机床上有些运动部件，需要作低速或微小位移。当运动部件低速运动时，主动件匀速运动，被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
      4. 在设计低速运动部件时防止爬行措施
         1. 减小静、动摩擦因数之差
         2. 提高传动机构的刚度
         3. 降低移动件的质量。

      

      

3. 机床主要参数设计 p70

• 齿轮传动, 分级速度构成, 形成数列(最低/最高/等比)

1. 机床转速排列 p72-p73
   1. 为什么采用等比数列 p72
      1. 使转速损失最小即生产率损失最小
      2. 可借助于串联若干个滑移齿轮来实现。使变速传动系统简单并且设计计算方便。
      3. 在有的机床转速范围内，中间转速选用的机会多，最高和最低转速选用的机会较少，可采用两端公比大，中间公比小的混合公比转速数列。
   2. 为什么采用标准公比, 有哪些标准数值 p73
      1. 获得合理的刀具寿命和生产率
      2. 可以采用多速电动机驱动
      3. 记忆方便、方便查得转速数列
      4. 标准值: 1.06 1.12 1.26 1.41 1.581.78 2
2. 主传动设计(18/12/8/6级) p79
   1. 绘图 (结构式 => 结构网图 => 转速图 => 传动系统图)
      1. 结构式
      2. 结构网图
      3. 转速图 (p82 2-13-b) 不需要标齿数
      4. 传动系统图 (p82 2-13-a) 不需要标齿数 转速图的绘制
   2. 定义
      1. 结构式定义
         • 设计分级变速主传动系时，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
         1. 12 = 3(1) x 2(3) x 2(6)
         2. 18
         3. 6
         4. 8
      2. 结构网图定义
         • 结构网: 只表示传动比的相对关系,而不表示传动轴(主轴除外)转速值大小的线图
      3. 转速图定义
         • 在设计和分析分级变速主传动系时，用到的工具是转速图。在转速图中可以表示出传动轴的数目，传动轴之间的传动关系，主轴的各级转速值及其传动路线，各传动轴的转速分级和转速值，各传动副的传动比等。

         1. 基本组

            • 设计时要使主轴转速为连续的等比数列，必须有一个变速组的级比指数为1，此变速组称为基本组。基本组的级比指数用X0表示, 其中X0 = 1

         2. 第一扩大组/第二扩大组

            • 基本组之后的变速组因为起变速扩大的作用, 所以统称为扩大组。 第一扩大组级比指数 X1 一般等于基本组传动副数P0 即 X1 = P0第二扩大组的作用是将第一扩大组扩大的变速范围第二次扩大，其级比指数X2,等于基本组的传动副数和第一扩大组传动副数的乘积，即X2 = P0·P1。

         3. 级比

            • 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线的比值，用φ^(Xi)表示。

         4. 级比指数

            • 级比p中的指数Xi值称为级比指数，它相当于由上述相邻两传动线与从动轴交点之间相距的格数。
3. 计算转速 p93
   • 主轴或各传动件传递全部功率的最低转速为它们的计算转速n。

第三章 典型部件设计 p131

1. 主轴组件基本要求 p131

1. 旋转精度

   1. 主轴的旋转精度是指装配后，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圆跳动和轴向圆跳动。
   2. 旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。
      1. 主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及随其回转零件的动平衡等因素，均可造成径向圆跳动
      2. 轴承支承端面、主轴轴肩及相关零件端面对主轴回转中心线的垂直度误差，推力轴承的滚道及滚动体误差等将造成主轴轴向圆跳动
      3. 主轴主要定心面（如车床主轴端的定心短锥孔和前端内锥孔)的径向圆跳动和圆轴向跳动。

2. 刚度

   1. 主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时,在位移方向上所施加的作用力来定义
   2. 主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。影响主轴部件的刚度因素有:
      1. 主轴的尺寸和形状
      2. 滚动轴承的类型和数量
      3. 预紧和配置形式
      4. 传动件的布置方式
      5. 主轴部件的制造和装配质量等都。
   3. 主轴静刚度不足对加工精度和机床性能有直接影响，并会影响主轴部件中的齿轮、轴承的正常工作，降低工作性能和寿命，影响机床抗振性，容易引起切削振颤，降低加工质量。

3. 主轴主要结构参数 p135

   • 主轴主要支撑间跨距L如何选取
     1. 支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大
     2. 支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前轴端较大的位移。
     3. 最佳跨距L时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取L0 = (2~3.5)a。
     4. 由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距L往往大于上述最佳跨距Lo

4. 主轴组件精度刚度取决于前支撑还是后支撑比重更高?

2. 支撑件 p151

1. 支撑件功能
   1. 保证机床各零部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。
   2. 以车床为例，支承件是床身，固定联接着主轴箱、进给箱和三杠（丝杠、光杠、操纵杠);大刀架与溜板箱沿着床身导轨运动。床身不仅承受这些部件的重力，而且要承受切削力、传动力和摩擦力等，在这些力的作用下，不应产生过大的变形和振动;还要保证大刀架沿床身导轨运动的直线度和相对主轴轴线的平行度;受热后产生的热变形不应破坏机床的原始精度;床身导轨应有一定的耐用度等。
2. 支撑件的要求
   1. 应具有足够的刚度和较高的刚度—质量比。
   2. 应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗（动刚度）和阻尼;整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构共振;不会因薄壁振动而产生噪声。
   3. 热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小。
   4. 排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。

3. 导轨 p161-p162

1. 导轨的功用和分类 p161
   1. 导轨的功用是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的重力和切削力。
   2. 分类
      1. 运动部件可以沿导轨运动。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨称为静导轨或支承导轨。动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动。
      2. 导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨。
         1. 开式导轨是指在部件自重和外载作用下，运动导轨和支承导轨的工作面始终保持接触、贴合。其特点是结构简单,但不能承受较大颠覆力矩的作用。
         2. 闭式导轨借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。
      3. 导轨副按导轨面的摩擦性质可分为滑动导轨副和滚动导轨副。
         • 在滑动导轨副中又可分为普通滑动导轨、静压导轨和卸荷导轨等。
2. 导轨的基本要求 p162
   • 导轨应满足如下要求:精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低。

   1. 导向精度。导向精度是导轨副在空载荷或切削条件下运动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的符合程度。影响导向精度的因素很多，如导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨和支承件的刚度、导轨的油膜厚度和油膜刚度、导轨和支承件的热变形等。直线运动导轨的几何精度一般包括:导轨在竖直平面内的直线度;导轨在水平面内的直线度;导轨面之间的平行度。

   2. 承载能力大、刚度好。根据导轨承受载荷的性质、方向和大小，合理地选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨具有足够的刚度,保证机床的加工精度。

   3. 精度保持性好。精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的，常见的磨损形式有磨料（或硬粒）磨损、粘着磨损或咬焊、接触疲劳磨损等。影响耐磨性的因素有导轨材料、载荷状况、摩擦性质、工艺方法、润滑和 防护条件等。

   4. 低速运动平稳。当动导轨作低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳，不出现爬行现象。影响低速 运动平稳性的因素有导轨的结构形式，润滑情况，导轨摩擦面的静、动摩擦因数的差值,以及传动导轨运动 的传动系刚度。

   5. 结构简单、工艺性好。

3. 直线运动导轨的基本形状 p162-163

   1. 绘制四种截面图形

   2. 分别介绍四种截面图形和优缺点

      1. 矩形导轨
         1. 优点:矩形导轨具有承载能力大、刚度高、制造简便、检验和维修方便等优点
         2. 缺点:存在侧向间隙，需用镶条调整，导向性差。
         3. 凸型导轨容易清除切屑，但不易存留润滑油;凹型导轨则相反。
         4. 适用于载荷较大而导向性要求略低的机床。
      2. 三角形导轨
         1. 面磨损时，动导轨会自动下沉，自动补偿磨损量，不会产生间隙。
         2. 三角形导轨的顶角α一般在90°~120°范围内变化，α角越小导向性越好，但摩擦力也越大。
         3. 小顶角用于轻载精密机械，大顶角用于大型或重型机床。
         4. 三角形导轨结构有对称式和不对称式两种。当水平力大于垂直力，两侧压力分布不均时，采用不对称导轨。
      3. 燕尾形导轨
         1. 优点:可以承受较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。
         2. 缺点: 刚性较差，加工、检验、维修都不大方便。适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。
      4. 圆柱形导轨
         1. 优点:制造方便，工艺性好
         2. 缺点:磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。

第七章 机械加工生产线总体设计 p364

1. 机械加工生产线机器基本组成 p364

1. 定义: 把加工装备按照一定的顺序依次排列，用输送装置与辅助装置连接成整体，使之能够完成工件的指定加工过程。这类生产作业线称为机械加工生产线。
2. 组成: 机械加工生产线由加工装备、工艺装备、输送装备、辅助装备和控制系统组成。
3. 优点: 对加工工序较多的工件，为保证加工质量、提高生产率和降低成本
4. 影响因素: 工件的加工工艺复杂程度

2. 机械加工生产线的类型 p364-366

机械加工生产线根据不同的特征，可有不同的分类方法。按照工件外形和加工过程中工件运动状态、工艺设备、设备连接方式和产品类型可作如下分类。

1. 按工件外形和工件运动状态区分
   1. 旋转体工件加工生产线
   2. 非旋转体工件加工生产线
2. 按工艺设备类型区分
   1. 通用机床生产线
   2. 组合机床生产线
   3. 专用机床生产线
   4. 数控机床生产线
3. 按设备连接方式区分
   1. 刚性连接生产线
   2. 柔性连接生产线
4. 按生产线适应产品类型变化的能力区分
   1. 单一产品固定节拍生产线
   2. 单一产品非固定节拍生产线
   3. 成组产品可调整生产线
   4. 柔性制造生产线

3. 生产专用机床的总体设计 p374

1. 概述 p374 生产线上的加工装备有通用机床、数控机床、专用机床。通用机床和数控机床一般都有定型产品，可以根据生产线的工艺要求进行选购。专用机床没有定型产品，必须根据所加工零件的工艺要求进行专门设计。
   1. 通用的自动机床和半自动机床.在生产线上选用这类机床时，只需添加输料和装卸料机构即可形成生产线所需的设备。如单轴或多轴自动机床等。
   2. 经自动化改造的通用机床.在通用机床的基础上，进行机械和电气系统改造，实现川工过程的自动化,以满足生产线的某种特殊加工要求。
   3. 专用机床.专用机床是针对加工某种零件的特定工序设计的，在设计时应充分考虑成组加工工艺的要求，根据相似零件族的典型零件的工艺要求进行设计。
2. 组合机床的组成和特点 p375
   1. 定义: 组合机床是根据工件加工需要，以通用部件为基础，配以少量按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的一种高效专用机床。
   2. 特点:
      1. 主要用于棱体类零件和杂件的孔面加工。
      2. 生产率高。因为工序集中，可多面、多工位、多轴、多刀同时自动加工。
      3. 加工精度稳定。
      4. 研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低。
      5. 自动化程度高，劳动强度低。
      6. 配置灵活。
3. 组合机床的工艺范围和基本配置形式 p375

4. 机械加工生产线总体布局设计 p392-p397

1. 生产线的工件输送装置 p392
   1. 定义: 工件输送装置是生产线中的一个重要组成部分，它将被加工工件从一个工位传送到下一工位。为保证生产线按规定节拍连续工作提供条件，并从结构上把生产线上众多加工装备连接成为一个整体。生产线的总体布局和结构形式往往取决于工件的输送方式。
   2. 工件输送装置应满足的基本要求
      1. 输送速度要高，尽量减少生产线的辅助时间。
      2. 输送装置的工作精度要满足工件（或随行夹具)的定位要求。
      3. 输送过程中要严格保持工件预定的方位。
      4. 输送装置应与生产线的总体布局和结构形式相适应。
   3. 常用工件输送装置的类型、特点及应用范围
      1. 输料槽和输料道
         1. 在加工小型回转体零件的生产线。
         2. 输料槽和输料道有工件自重输送和强制输送两类形式。
            1. 利用工件自重输送工件，不需要动力源和驱动装置，结构简单。
            2. 在无法用自重输送或为保证工件输送的可靠性时，才采用强制输送的输料槽或输料道。
      2. 步伐式输送装置
         1. 步伐式输送装置利用其上的刚性推杆来推动工件，可以采用机械驱动、气压驱动或液压驱动，常用于箱体类零件和带随行夹具的生产线中。
         2. 常见的步伐式输送装置有棘爪步伐式、回转步伐式及抬起步伐式等。
            1. 步伐式输送装置的结构比较简单，通用性较强
            2. 由于受工件运动惯量的影响，当运动速度较高时, 不易保证工件的输送精度。
2. 生产线总体布局形式 p393-p397

   1. 直接输送方式

      • 这种输送方式是工件由输送装置直接输送，依次输送到各工位，输送基面就是工件的某一表面。
      1. 直线通过式
      2. 折线通过式
      3. 并联支线形式
      4. 框型
      5. 非通过式

   2. 带随行夹具方式

      • 将工件安装在随行夹具上，输送线将随行夹具依次输送到各工位。

   3. 悬挂输送方式

      • 适用外形复杂及没有合适输送基准的工件及轴类零件，工件传送系统设置在机床的上空，输送机械手悬挂在机床上方的析架上。

   4. 生产线的连接方式

      1. 刚性连接
         • 刚性连接是指输送装置将生产线连成一个整体,用同一节奏把工件从一个工位传到另一工位,
      2. 柔性连接
         • 柔性连接是指设有储料装置的生产线,