切削机床设计的基本理论

第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。

高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。

例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面多且结构复杂，材料去除量达高达90％～95％，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。

高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。

60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。

高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。

为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。

但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。

高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。

汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。

新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。

所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。

图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。

《机械制造装备设计》课程标准一、课程概述机械制造装备设计是机械工程的一门分支学科。

是一门研究各种机械制造装备的结构、工作原理和设计方法的科学。

《机械制造装备设计》是机械类专业的主干专业课程，与《机电一体化设计》、《模具设计》等学科处于同一层次。

它与《机床电器控制》、《机械CAD/CAM》、《现代制造技术》等构成机械制造及自动化方向的专业选修课程体系。

该课程是将原机制专业的四门专业课程（即机床设计、夹具设计、工业自动化、工业机器人）融合形成机械制造装备设计新学科内容，是按照重基础、少学时、低重心、新知识、宽面向的原则整合而成的，是实施素质教育的机制专业课程体系改革的主要内容之一。

这门学科的重点是为机械制造及其自动化专业的学生，了解典型机械制造装备的工作原理、性能、传动与结构，掌握机械制造装备设计的基本理论、基本知识和基本方法，完成复杂机械制造装备的设计能力的培养服务的。

先修课程有《工程力学》、《机械设计》、《机械工程材料》、《机械制造技术基础》、《机械设计课程设计》、《金工实习》等。

二、课程目标1.了解常用机械制造装备的典型结构、运动与传动等。

2.掌握分析和调整机械制造装备运动、传动的方法。

3.掌握机械制造装备运动、传动设计的方法。

4.掌握机械制造装备整机和主要部件的设计方法。

5.了解机械制造装备性能的实验研究方法。

6.掌握机械制造装备运动学理论，掌握机械制造装备传动系统设计、主要零部件的载荷及力学分析、传动件计算条件确定的有关理论，了解精度、强度、刚度、动态特性、热特性、噪声理论在机械制造装备设计中的应用。

7.具有分析、比较和选择机械制造装备主要参数的能力、机械制造装备整体方案设计的能力、机械制造装备主要部件设计的能力。

三、课程内容和要求这门学科的知识与技能要求分为知道、理解、掌握、学会四个层次。

这四个层次的一般涵义表述如下：知道——是指对这门学科、机械制造装备的结构和工作原理的认知。

理解——是指对这门学科所涉及的基本概念、原理、方法的领会，能作自主的解释、说明，并把握一般机械装备的结构与性能之间的相互关系。

1. 柔性化指的是什么？试分析组合机床、普通机床、数控机床、加工中心和柔性制造系统的柔性化程度。

其柔性表现在哪里？柔性化有俩重含义：产品机构柔性化和功能柔性化。

数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。

在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。

组合机床其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。

2.对机械制造装备如何进行分类？加工装备：采用机械制造方法制造机器零件的机床。

工艺装备：产品制造是用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具。

仓储运输装备：各级仓库、物料传送、机床上下料等设备。

辅助装备：清洗机和排屑装置等设备。

3.机械制造装备设计有哪些类型？他们的本质区别是什么？类型：创新设计、变型设计和模块设计它们之间的本质区别是：采用创新设计方法不断推出崭新的产品，是企业市场竞争中取胜的必要条件；变形设计和模块化设计是在基型和模块系统的基础上进行的，而基型和模块系统也是采用创新设计方法完成的。

4.创新设计的步骤是什么？为什么应重视需求分析和可行性论证？创新设计可划分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计四个阶段。

原因：1、产品设计是为了满足市场的需求，而市场的需求往往是不具体的，有时是模糊的、潜在的，甚至是不可能实现的。

而需求分析的任务是使这些需求具体化和恰到好处，明确设计任务的要求。

需求分析本身就是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且自始至终指导设计工作的进行。

所以设计人员必须重视需要分析。

2、可行性分析是进行新产品立项必不可少的一向依据，其包括技术分析，经济分析和社会分析三个方面。

只有经过技术、经济、社会等方面的分析，和对开发可能性的研究，才能对产品开发中的重大问题进行充分的技术经论证，判断是否可行。

5. 哪些产品宜采用系列化设计方法？为什么？有哪些优缺点?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，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。

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1、一般的功能要求2、柔性化3、精密化4、自动化5、机电一体化6、节材7、符合工业工程要求8、符合绿色工程要求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、机床设计应满足的基本要求（1）工艺范围（2）柔性（5）精度（6）噪声（7）成产率和自动化（10）可靠性机床设计步骤1、确定结构原理方案4、工艺设计3）与物流系统的可亲性8）成本（11）造型与色彩2、总体设计5、机床整机综合评价4）刚度9）生产周期3、结构设计6、定型设计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）施工设计阶段第二章金属切削机床设计第一节概述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。

金属切削机床原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金属切削机床是一种用于加工金属材料的机械设备，它主要通过切削原理来加工工件，包括车削、铣削、钻削、镗削等多种加工方式。

在金属加工领域中，金属切削机床是起着至关重要的作用，它能够高效、精确地加工各种不同形状和尺寸的金属工件，广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造等行业。

金属切削机床的工作原理主要包括以下几个方面：1. 切削原理：金属切削是指利用刀具对金属材料进行加工，通过不断切削，将工件表面金属层逐渐去除，从而形成所需的形状和尺寸。

在金属切削过程中，刀具与工件之间产生相对运动，刀具沿着工件表面移动，将金属层切削下来，形成所需的加工表面。

2. 机床结构：金属切削机床通常由机床主体、传动系统、控制系统、润滑系统和冷却系统等部分组成。

机床主体包括床身、立柱、横梁、工作台和主轴等部分，通过传动系统控制刀具在三维空间内的移动，实现加工操作。

控制系统则负责对机床进行控制和监控，确保加工的精度和质量。

润滑系统和冷却系统则起着保护机床零部件和刀具的作用。

3. 切削参数：金属切削的质量和效率与切削参数密切相关。

切削参数包括切削速度、进给量、切削深度和切削角度等。

切削速度是指刀具在单位时间内相对于工件表面的线速度；进给量是刀具在切削方向的移动距离；切削深度是刀具切入工件的深度；切削角度是刀具相对于工件表面的角度。

通过合理调整这些参数，可以实现不同加工需求的加工效果。

4. 切削工艺：金属切削工艺是一项复杂的加工过程，需要运用切削原理来实现。

在实际加工中，需要选择合适的切削工艺，根据工件材料、形状和尺寸来确定刀具的选择、切削速度、进给量和切削深度等参数，以获得高质量的加工效果。

还需要考虑切削过程中产生的热量和切屑的处理，保证加工过程的稳定性和安全性。

金属切削机床是一种重要的加工设备，它通过切削原理来实现对金属材料的加工。

了解金属切削机床的工作原理，可以帮助我们更好地理解其加工过程和性能特点，进而提高加工效率和加工质量。

机械制造装备设计一、机械装备的类型机械制造装备设计可以分为创新设计、变型设计和模块化设计适应设计和变参数设计统称为“变型设计”。

二、机械装备的设计方法1、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型产品为基型，以它为基础，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的产品，构成产品的基型系列。

2、系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化”原则，简称“三化”原则。

有时将“结构的典型化”作为第四条原则，即所谓“四化”原则。

3、系列化的优缺点：优点：①可以用较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。

减少产品品种意味着提高每个品种的生产批量，有助于降低生产成本，提高产品制造质量的稳定性。

②系列中不同规格的产品是经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的，可以大大减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险，缩短产品的研制周期。

③产品有较高的结构相似性和零部件通用性，因而可以压缩工艺装备的数量和种类，有助于缩短产品的研制周期，降低生产成本。

④零备件的种类少，系列中的中的产品结构相似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量。

⑤为开展变型设计提供技术基础。

缺点：为以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中选择所需的产品，选到的产品，一方面其性能参数和功能性不一定最符合用户的需求，另一方面有些功能还可能冗余。

1.模块化设计：为了开发多种不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。

2.模块化设计的优点：①在缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力方面的综合效果十分明显。

②根据科学技术的发展，便于用新技术设计性能更好的模块，取代原有旧的模块，提高产品的性能，组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代。

第五章课后习题答案1机床夹具的作用是什么？有哪些要求？作用：1、保证加工精度2、提高生产率3、扩大机床的使用范围4、减轻工人的劳动程度，保证生产安全5、降低成本要求：1、保证加工精度2、夹具的总体方案应与生产纲领相适应3、安全、方便、减轻劳动强度4、排屑顺畅5、夹具应有良好的刚度、强度、结构工艺性1.机床夹具的组成部分有哪些？1、定位元件及定位装置用于确定工件正确位置的元件或装置2、夹紧元件及夹紧装置用于固定工件已获得的正确位置的元件或装置3、导向及对刀元件用于确定工件与刀具的相互位置的元件4、动力装置5、夹具体用于将各元件、装置连接在一块，并通过它将整个夹具安装在机床上6、其它元件及装置3.何为六点定位原理？何谓定位的正常情况和非正常情况？它们各包括哪些方面？六点定位原理：采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度使工件实现完全定位。

正常情况：根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度均已被限制，称定位的正常情况。

正常情况分为：a完全定位六个自由度全部被限制b不完全定位少于六个自由度被限制非正常情况：根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度没有完全被限制，或某个自由度被两个或两个以上的约束重负限制，称为非正常情况非正常情况分为：a.欠定位需要限制的自由度没有完全被限制b.过定位某个自由度被两个或两个以上的约束重负限制4、确定夹具的定位方案时，要考虑哪些方面的要求？在多个表面参与定位时：限制自由度最多的定位面——第一定位基准面或主基准面限制自由度较多的定位面——第二定位基准面或导向基准限制一个自由度的定位面——第三定位基准面或定程基准5、何谓定位误差？定位误差是由哪些因素引起的？定位误差：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，它是加工误差的一部分产生定位误差的原因：1、基准不重合带来的定位误差2、间隙引起的定位误差3、与夹具有关的因素产生的定位误差6、夹紧和定位的区别？对夹紧装置的基本要求有哪些？定位是确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程。