第二章金属切削机床设计
1.机床设计应满足哪些基本要求，其理由是什么？
答：机床设计应满足如下基本要求：
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，也可称之为机床的加工功能。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，机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，分为功能柔性和结构柔性；
3）、及物流系统的可接近性，可接近性是指机床及物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）流动的方便程度；
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；
5）、精度，机床精度主要指机床的几何精度和机床的工作精度。机床的几何精度指空载条件下机床本身的精度，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）。
6）、噪声；7）、自动化；8）、生产周期；
9）、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来表示。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。
10）、成本，成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制
造、包装、运输、使用维护、再利用和报废处理等的费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标；
11）、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。
12）、造型及色彩，机床的外观造型及色彩，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，按照人机工程学要求进行设计。
2.机床设计的主要内容及步骤是什么？
答：一般机床设计的内容及步骤大致如下：
（1）总体设计包括机床主要技术指标设计：工艺范围运行模式，生产率，性能指标，主要参数，驱动方式，成本及生产周期；总体方案设计包括运动功能设计，基本参数设计，传动系统设计，传动系统图设计，总体结构布局设计，控制系统设计。总体方案综合评价及选择；总体方案的设计修改或优化
（2）详细设计包括技术设计；施工设计。设计机床的传动系统，部件装配图，对主要零件进行分析计算或优化，设计液压部件装配图，电气控制系统等。
（3）机床整机综合评价
（4）定型设计，可进行实物样机的制造、实验及评价。根据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。
3.机床系列型谱的含义是什么？
答：每类通用机床都有它的主参数系列，而每一规格又有基型和变型，
合称为这类机床的系列和型谱。机床的主参数系列是系列型谱的纵向（按尺寸大小）发展，而同规格的各种变型机床则是系列型谱的横向发展，因此，“系列型谱”也就是综合地表明机床产品规格参数的系列性及结构相似性的表。
4.机床的基本工作原理是什么？
答：机床的基本工作原理是：通过刀具及工件之间的相对运动，由刀具切除工件上多余的金属材料，使工件具有要求的几何形状和尺寸。
5.工件表面的形成原理是什么？
答：任何一个工件表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。
6.工件表面发生线的形成方法有哪些？
答：工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃及工件接触并产生相对运动而形成的。有如下四种方法：
（1）轨迹法（2）成型法（3）相切法（4）范成法
7.工件表面的形成方法是什么？
答：工件表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。因此，工件表面形成所需的刀具及工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。
8.机床的运动功能有哪些？
答：为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，各个运动的功能是不同的。可以分为成形运动和非成形运动，或简单运动和复合运
动。
9.机床的主运动及形状创成运动的关系如何？进给运动及形状创成运动的关系如何？
答：主运动功能是切除加工表面上多余的金属材料，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。形状创成运动的功能是用来形成工件加工表面的发生线（包括母线和导线）。有些加工中主运动除了承担切除金属材料的任务外，还参及形状创成，而有些加工中，主运动只承担切削任务，不承担发生线的创成任务。
当形状创成运动中不包含主运动时，“形状创成运动”及“进给运动”两个词等价，这时进给运动就是用来生成工件表面几何形状的，因此无论用主运动和进给运动或主运动和形状创成运动来描述成形运动，两种描述都是一样的；当形状创成运动中包含主运动时，“形状创成运动” 及“成形运动”两个词等价，这时就不能仅靠进给运动来生成工件表面几何形状（如滚齿加工）。
10.机床上的复合运动、内联系传动链、运动轴的联动的含义及关系如何？
答：复合运动即为运动之间有严格运动关系的运动。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(和)直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。
传动链的两个末端件的转角或位移量之间如果有严格的比例关系要求，这样的传动链称为内联系传动链。对机械传动的机床来说，复合运
动是通过内联系传动系来实现。
运动轴联动是指在一台机床上的多个坐标轴(包括直线坐标和旋转坐标)上同时进行加工，而且可在计算机数控系统(CNC)的控制下同时协调运动进行。对数控机床，复合运动是通过运动轴的联动来实现。
11.机床运动功能方案设计的方法及步骤如何？
答：机床运动功能方案设计的方法及步骤如下：
（1）工艺分析。首先对所设计的机床的工艺范围进行分析；然后选择适当的加工方法。工件加工工序的集中及分散主要根据作业对象的批量来决定，应根据可达到的生产率和加工精度、机床制造成本、操作维护方便程度等因素综合分析进行机床的工艺范围选择。
（2）机床运动功能设置。运动功能设置的方法有两类：分析式设计方法和解析式设计方法。
（3）写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。根据对所提出的运动功能方案的评定结果，选择和确定机床的运动功能配置，写出机床的运动功能式，画出机床运动原理图。
12.数控机床的坐标系如何选取？
答：为了进行机床运动功能式、机床运动原理图的描述，首先要建立机床基准坐标系及机床运动轴坐标系，一般采用直角坐标系。
(1) 机床基准坐标系：机床基准坐标系（即机床总体坐标系）XYZ
(2) 机床运动轴坐标系：沿X，Y，Z坐标轴方向的直线运动仍用X，Y，Z表示，绕X，Y，Z轴的回转运动分别用A，B，C表示。平行于X、Y、Z的辅助轴用U、V、W及P、Q、R表示，绕X，Y的辅助回转轴
用D、E等表示。及机床基准坐标系坐标方向不平行的斜置运动轴坐标系用加“-”表示，如沿斜置坐标系的Z轴运动用表示。
13.机床的运动功能式和运动原理图表达的含义是什么？
答：运动功能式表示机床的运动个数、形式（直线或回转运动）、功能（主运动、进给运动、非成形运动，）及排列顺序，是描述机床的运动功能的最简洁的表达形式。
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、形式及排列顺序之外，还表示了机床的两个末端执行器和各个运动轴的空间相对方位，是认识、分析和设计机床传动原理图的依据。
14.虚拟轴机床的原理是什么？有哪些特点？
答：虚拟轴机床（Virtual Aixs Machine）是一种六个运动并联的设计。基于让轻者运动，重者不动或少动的原则，虚拟轴机床取消了工作台、夹具、工件这类最重部件的运动，而将运动置于最轻部件——切削头上。
六轴完全并联机构的优点是：各个杆不承受弯曲载荷，受力情况好。运动件质量小、速度高、比刚度高、各个分支运动误差不累加、精度高；缺点是作业空间小（尤其是回转运动范围小），运动算法复杂。
15.分析图2-14所示各种机床的运动原理图，说明各个运动的所属类型、作用及工件加工表面的形成方法。
图2-4a是车床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf和Xf为进给运动。对于一般的车床，Cp仅为主运动；对于有螺纹加工功能或有加工非圆回转面（如椭圆面）功能的数控车床，则Cp一方
面为主运动，另一方面Cp可及Zf 组成复合运动进行螺纹加工，或Cp 可及X f 组成复合运动进行非圆回转面加工，称这类数控车床具有C 轴功能。
图2-4b是铣床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Xf 、Yf和Zf为进给运动。
图2-4c是平面刨床的运动原理图，往复直线运动Xp为主运动；直线运动Yf为进给运动；直线运动Za为切入运动。
图2-4d是数控外圆磨床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；回转运动Cf 、直线运动Zf和Xf为进给运动；回转运动Ba为砂轮的调整运动。当Xf和Zf组成复合运动时，用碟形砂轮可磨削长圆锥面或任意形状的回转表面；Cf和Zf组成复合运动时，可进行螺旋面磨削。在进行长轴纵向进给磨削时，Xf应改为Xa，为切入运动，但在进行横向进给磨削端面时，Xf为横向进给运动，Zf应改为Za，为切入运动。若一个运动既可为进给运动又可为非成形运动，则用进给运动符号表示。
图2-4e是摇臂钻床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf为进给运动；回转运动Ca、直线运动Za及Xa为调整运动，用来调整刀具及工件的相对位置。
图2-4f是镗床的运动原理图，旋转运动Cp为主运动；直线运动Zf 为镗孔加工时工件作进给运动，Wf为镗孔加工时镗杆作进给运动,在数控镗床或加工中心上，镗孔进给通常由工件完成，只有Zf一个镗孔进给运动；Yf为刀具的径向进给运动，用于加工端面或孔槽；回转运动Ba 为分度运动、直线运动Xa及Ya为调整运动，分别用来调整工件及刀具
的相对方向及位置，用来加工不同方向和位置的孔。在镗铣床上通常Xa 和Ya可改为进给运动Xf、Yf，用来铣削平面。
图2-4g是滚齿机床的运动原理图，旋转运动p为主运动；回转运动Cf和直线运动Zf为进给运动。p及Cf组成复合运动创成渐开线母线；直线运动Zf创成直导线，用于加工直齿轮，若Zf及Cf组成复合运动，则创成螺旋导线，用于加工斜齿轮；回转运动Ba为调整运动，用来调整刀具的安装角，使刀具及工件的齿向一致；直线运动Ya为经向切入运动，当用径向进给法加工蜗论时Ya为径向进给运动；a为滚刀的轴向窜刀运动，为调整运动，用来调整滚刀的轴向位置，当用切向进给法加工蜗论时a为切向进给运动。
图2-4h是采用齿轮式插齿刀加工直齿圆柱齿轮的插齿机床的运动原理图，刀具和工件相当一对相互啮合的直齿圆柱齿轮，往复直线运动Zp为主运动；回转运动Cf1、Cf2为进给运动，并组成复合运动，创成渐开线母线；直线运动Ya为切入运动。
图2-4i 是直齿锥齿轮刨齿机的运动原理图，刨刀的往复直线运动ZP为主运动；回转运动Cf（假想齿轮摇架回转）和f（工件回转）组成复合运动，产生范成运动；回转运动a为分度运动，直线运动Za为趋近及退离运动，回转运动Ba为调整运动，根据刀倾角进行调整，使刀具运动方向及工件齿根平行。
图2-6j是弧齿锥齿轮铣齿机的运动原理图。Cp是铣刀盘的旋转运动，为主运动，铣刀盘的刀刃为直线形，铣刀盘作旋转运动时刀刃轨迹形成假想齿轮（平面齿轮或平顶齿轮）上的一个齿的齿廓面；Cf为假想
齿轮的往复摆动运动（即摇架的摆动），f为工件的回转运动，Cf和f 复合组成范成运动；a为工件的分度运动，Za为趋近及退离运动，Ba 为调整运动，按工件的齿根角进行调整。铣刀盘一面进行作旋转运动Cp，一面随摇架作摆动运动Cf，摆动一次为一个行程，一个行程内完成一个齿的加工，行程终了，工件退离、分度，进行下一个齿的加工。
16.机床的传动原理图如何表示？它及机床运动原理图的区别是什么？
将动力源及执行件、不同执行件之间的运动及传动关系同时表示出来，即是传动原理图。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。
17.机床运动分配式的含义是什么？
答：运动功能式的主要含义在于确定基础支承件设在何处（即“接地”的位置），用“·”符号表示“接地”。“·”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“·”接地符号后，称之为运动分配式。一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得到多个运动分配式。
18.机床总体结构概略设计过程大致如何？
（1）结构布局设计
同一种运动分配式又可以有多种结构布局型式，这样运动分配设计阶段评价后保留下来的运动分配式方案的全部结构布局方案就有很多。因此需要再次进行评价，去除不合理方案。该阶段评价的依据主要是定性分析机床的刚度、占地面积、及物流系统的可接近性等因素。该阶段
设计结果得到是的机床总体结构布局形态图。
（2）机床总体结构的概略形状及尺寸设计
该阶段主要是进行功能（运动或支承）部件的概略形状和尺寸设计，设计的主要依据是：机床总体结构布局设计阶段评价后所保留的机床总体结构布局形态图，驱动及传动设计结果，机床动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。设计中在兼顾成本的同时应尽可能选择商品化的功能部件，以提高性能、缩短制造周期。其设计过程大致如下：
① 首先确定末端执行件的概略形状及尺寸。
② 设计末端执行件及其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸。若为运动导轨结合部，则执行件一侧相当滑台，相邻部件一侧相当滑座，考虑导轨结合部的刚度及导向精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。
③ 根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程尺寸，同时考虑部件的刚度要求，确定下一个功能部件（即滑台侧）的概略形状及尺寸。
④ 重复上述过程，直到基础支承件（底座、立柱、床身等）设计完毕。
⑤ 若要进行机床结构模块设计，则可将功能部件细分成子部件，根据制造厂的产品规划，进行模块提取及设置。
⑥ 初步进行造型及色彩设计。
⑦ 机床总体结构方案的综合评价。
19.机床的主参数及尺寸参数根据什么确定？
答：机床主参数是代表机床规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数，为了更完整地表示出机床的工作能力和工作范围，有些机床还规定有第二主参数，通用机床的主参数和主参数系列国家已制定标准，设计时可根据市场的需求在主参数系列标准中选用相近的数值。专用机床的主参数是以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示，一般也参照类似的通用机床主参数系列选取。
机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸参数，通常包括：
（1）及被加工零件有关的尺寸，如卧式车床最大加工工件长度，摇臂钻床的立柱外径及主轴之间的最大跨距等。
（2）标准化工具或夹具的安装面尺寸，如卧式车床主轴锥孔及主轴前端尺寸。
20.机床的运动参数如何确定？驱动方式如何选择？数控机床及普通机床确定方法有什么不同？
运动参数是指机床执行件如主轴、工件安装部件（工作台）的运动速度。主运动为回转运功的机床，如车床、铣床等，其主运动参数为主轴转速。对于专用机床和组合机床用于对特定的工件进行特定工序的加工，主轴的转速通常是固定的。对于通用机床由于完成工序较广，又要适应一定范围的不同尺寸和不同材质零件的加工需要。要求主轴具有不同的转速（即应实现变速），故需确定主轴的变速范围。首先确定最低（nmin）和最高（nmax）转速，对主轴转速进行合理排列，然后确定标准公比值和标准转速数列，选用公比，最后得出变速范围Rn，公比和级数Z之间的关系。数控机床中进给量广泛使用电机无级变速，
普通机床则既有机械无级变速方式，又机械有级变速方式。采用有级变速方式时，进给量一般为等比级数，其确定方法及主轴转速的确定方法相同。首先根据工艺要求，确定最大、最小进给量fmax、fmin，然后选择标准公比或进给量级数Zf，再求出其它参数。
机床运动的驱动方式常用的有电动机驱动和液压驱动，驱动方式的选择主要根据机床的变速形式和运动特性要求来确定。数控机床一般采用伺服电机无级变速形式，其他机床多采用机械有级变速形式或无级及有级变速的组合形式。
21.机床的动力参数如何确定？数控机床及普通机床的确定方法有什么不同？
动力参数包括机床驱动的各种电动机的功率或扭矩。通常动力参数可通过调查类比法（或经验公式），试验法或计算方法来确定。数控机床主传动采用直流或交流电动机无级变速，要考虑电动机及机床主轴功率特性匹配问题。
22.机床主传动系都有那些类型？由那些部分组成？
主传动系可按不同的特征来分类：
（1）按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。
（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）按变速的连续性可以分为分级变速传动和无级变速传动。
23.什么是传动组的级比和级比指数？常规变速传动系的各传动组的级比指数有什么规律性？
传动组的级比是指主动轴上同一点传往被动轴相邻两传动线的比值，用xi 表示。级比xi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及被动轴交点之间相距的格数。
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，即X0 ＝1，后面变速组因起变速扩大作用，所以统称为扩大组。第一扩大组的级比指数X1一般等于基本组的传动副数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。如有更多的变速组，则依次类推。上述设计是传动顺序和扩大顺序相一致的情况，若将基本组和各扩大组采取不同的传动顺序，还有许多方案。
24.什么是传动组的变速范围？各传动组的变速范围之间有什么关系？
变速组中最大及最小传动比的比值，称为该传动组的变速范围。
各变速组的变速范围相应受到限制：主传动各变速组的最大变速范围为R主max ＝u主max / u主min ≤（2～2.5）/ 0.25 ＝8～10；对于进给传动链，由于转速通常较低，传动功率较小，零件尺寸也较小，上述限制可放宽为u进max≤2.8，u进min≥1/5，故R进
max≤14。
主轴的变速范围应等于主变速传动系中各变速组变速范围的乘积，即
Rn ＝R0 R 1 R 2 ···R j
25.某车床的主轴转速为n＝40～1800 r/min ，公比＝1.41，电动机的转速n电＝1440 r/min ，试拟定结构式，转速图；确定齿轮齿数，带轮直径，验算转速误差；画出主传动系图。
解：
该主轴的变速范围为:
根据变速范围、公比可求变速的级数
拟定结构式。根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的原则确定
查表可获得12级转速为40、56、80、112、160、224、315、450、630、900、1250、1800
作转速图如下：
符合要求
符合要求
最后扩大组的变速范围：符合要求
带轮的直径计算（因功率参数等不详仅举例说明）：查表取小带轮的基准直径为125mm
则大带轮直径取0.015
197mm
查表取小带轮的直径为100mm，传动比为1:1.6, 大带轮的直径为160mm.
齿轮齿数的确定：I II 轴之间的传动副共有3对
传动比为1:1,1:1.41,1:2
如果采用模数相同的标准齿轮，则三对传动副的齿轮和相同
查表可得可以取得60,72，84,96等。
取可以确定三个传动副的齿数为
1：1传动副36 36
1：1.41传动副30 42
1：2传动副24 48
同理可确定II III 轴的齿数和取84
1：1传动副齿数取42 42
1：2.82传动副齿数取22 62
III IV之间的传动副齿数和取90
2：1的传动副齿数取60 30
1：4的传动副齿数取18 72
转速误差的计算
主轴各级转速所获得的实际转速按下面的公式计算
级数(Z )
传动比
实际
转速
(n')
标准
转速
(n)
转
速
误
差电机电-I I-II II-III III-IV
1144
10
16
3
6
3
6
4
4
6
3
01800 18000%
2144
10
16
3
4
2
4
4
6
3
01286 12503%
3144
10
16
2
4
4
8
4
4
6
3
0900 9000%
4144
10
16
3
6
3
6
2
1
5
9
6
3
0641 6302%
5144
10
16
3
4
2
2
1
5
9
6
3
0458 4502%
6144
10
16
2
4
4
8
2
1
5
9
6
3
0320 3152%
7144
10
16
3
6
3
6
4
4
1
8
7
2225 2240%
8144
10
16
3
4
2
4
4
1
8
7
2161 1600% 9
144
10
16
2
4
4
8
4
4
1
8
7
2113 1120% 1
144
10
16
3
6
3
6
2
1
5
9
1
8
7
280 800% 1
1
144
10
16
3
4
2
2
1
5
9
1
8
7
257 562% 1
2
144
10
16
2
4
4
8
2
1
5
9
1
8
7
240 400%允许误差：
根据上表可知转速误差率在允许的范围内
绘制传动系统图如下：
26.某机床主轴转速n＝100～1120 r/min，转速级数z＝8，电动机转速n电＝1440 r/min ，试设计该机床主传动系，包括拟定结构式和
转速图，画出主传动系图。
解：
1.41
查表可获得8级转速为100，140，200，280，400，560，800，1120
拟定8级转速的结构式：根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的的原则确定
符合要求
符合要求
最后扩大组的变速范围：符合要求
绘制传动系统图如下：
27.试从＝1.26，z＝18级变速机构的各种传动方案中选出其最佳方案，并写出结构式，画出转速图和传动系图。
解：根据级比规律和传动副前多后少、传动线前密后疏的的原则确定
符合要求
符合要求
最后扩大组的变速范围：符合要求