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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。
第5章 支承件设计5.1 支承件的功用及基本要求是什么？答：支承件的功用主要有：1) 支承件安装机器各部分零部件，并承受各种静态力(重力)及动态力(切削力)。
2) 保证各零部件之间的相对位置精度和运动部件的运动精度。
3) 用作电气箱或液压油、润滑油、切削液的储存器。
4) 独立完成某些功能，如货架、托架、工作台等。
基本要求：1) 应具有足够的静态刚度和较高的动态刚度。
后者在很大程度上反映了设计的合理性。
2) 应具有较好的动态特性。
这包括较大的位移阻抗(动刚度)和阻尼；与其他部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率相重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。
3) 支承件应设计得使整个设备的热变形较小。
4) 应该排屑畅通，吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。
5.2 如何进行支承件设计？答：支承件的结构形状十分复杂，受力条件也很复杂，难以进行符合实际情况的简化理论计算。
因此，设计时首先根据其使用要求进行受力分析，其次根据所受的力和其他要求，并参考现有设备的同类型件，初步决定其形状和尺寸。
对重要支承件，在初步选定其形状与尺寸后，可用有限元法，借助计算机进行验算或进行模型试验，求得其静态和动态特性，并据此对设计进行修改或对几个方案进行对比．选择最佳方案。
5.3 如何提高支承件本身静刚度？答：提高刚度的措施可从以下几方面考虑。
1) 合理选择支承件的截面形状和尺寸2) 合理布置隔板3) 支承件壁厚设计4) 合理开孔和加盖5.4 提高支承件接触刚度有哪些方法？答：为了提高接触刚度，不仅导轨面，重要的固定结合面也必须配磨或配刮。
固定结合面配磨时，表面粗糙度值16a m R μ≤。
配刮时，每mm mm 2525⨯，高精度设备为12点，精密设备为8点．普通没备为6点．并应使接触点均匀分布。
固定螺钉应在接触面上造成一个预压力。
通常应使接触面的平均预压压强约为2Mpa 。
固定螺栓的直径、数量、距离以及拧紧螺钉时的扭矩，这个扭矩在装配时可用指针式扭力扳手控制。
机械制造装备设计(Design of Machine Manufacturing Equipment)课程编号：03410132学分：2学时：32 （其中：讲课学时：30实验学时：2上机学时：0）先修课程：工程图学、工程力学、公差与技术测量、机械设计、机械制造技术基础等适用专业：机械制造及其自动化专业教材：《机械制造装备设计》，关慧贞、冯辛安主编，机械工业出版社，2009 年11月第3版一、课程性质与课程目标（一）课程性质《机械制造装备设计》本课程是机械制造及其自动化专业的主干专业课程之一。
主要任务是使学生了解机械制造装备在国民经济中的作用及其技术现状和发展趋势；掌握机械制造装备的设计原理和方法；具备一定的机械制造装备总体设计和结构设计能力；为学生能够设计出具有自主知识产权的机械产品打下坚实的基础。
（二）课程目标课程目标1:掌握机床的成形原理，根据加工对象的几何特征，分析机床的所需的运动，确定机床的传动方案。
课程目标2：能根据机械制造装备设计的三种不同类型的特点，针对特定的设计对象，选择相应的设计手段，制定出合理的产品设计总体方案。
能够根据加工对象的技术特征合理的选择加工机床。
课程目标3：能根据机床的精度、刚度，振动、热变形的相关理论，设计与分析机床的传动结构，分析与处理机床常见的机械缺陷与故障。
（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求3、毕业要求6和毕业要求11：1.毕业要求指标点3-3：能够设计满足特定需求的机械系统、部件和工艺流程，并能够体现创新意识。
该指标点占该要达成度的10%;2•毕业要求指标点6-2：能正确认识机械制造过程和装备对于客观世界和社会的影响，并理解应承担的责任。
该指标点占该要求达成度的30%；3.毕业要求指标点11-1：理解机械工程活动中涉及的重要经济与管理因素。
该指标点占该达成度的15%o二、课程内容及要求第1章绪论(一)教学内容(1)机械制造装备在国民经济中的地位、作用及其技术现状和发展趋势。
第三章支承件设计第一节概述一、支承件的功用支承件是机床的基本构件，主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。
这些大件的作用是支承其它零部件，保证它们之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。
机床切削时，支承件承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力等。
机床中的支承件有的互相固联在一起，有的在导轨上作相对运动。
导轨常与支承件做成一体，也有采用装配、镶嵌或粘接方法与支承件相联接。
支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。
因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义。
二、支承件的基本要求1. 刚度所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力。
前者称为静刚度，后者称为动刚度。
一般所说的刚度往往指静刚度。
支承件要有足够的静刚度，即在额定载荷作用下，变形不得超过允许值。
2. 抗振性抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。
抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。
抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。
3. 热变形机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化，产生热变形，从而影响机床的工作精度和几何精度，这一点对精密机床尤为重要。
因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。
4. 内应力支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。
在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。
支承件的设计应从结构和材料上保证其内应力要小，并应在焊、铸等工序后进行失效处理。
5. 其它支承件还应使排屑通畅，操作方便，调运安全，加工及装配工艺性好等。
支承件的性能对整台机床的性能影响很大，其重量约为机床总重的80%以上，所以应正确地对支承件进行结构设计，并对主要支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足对它的基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。
三、支承件的静力分析为了保证支承件具有足够的刚度，必须进行受力分析，从而有效地进行结构设计，保证机床的加工精度及质量要求。
下面以普通车床为例，分析机床及其主要支承件的受力和变形。
图3一1普通车床的受力分析机床工作时，工件支承在主轴箱和尾架之间，刀架处于主轴箱与尾架之间，其受力状况如图3-1所示。
在垂直面XZ内（图b），切削力的主分力P Z经刀架作用于床身。
反作用力P1和P2经过工件分别作用于主轴和尾架。
由P Z引起床身(当做梁)在垂直方向的弯矩为M WZ。
由于P Z的作用点距主轴中线为d/2，所以床身上还作用有扭矩M nZ = P Z•d/2在水平面XY内（图c），P Y经刀架作用于床身，其反作用力P3和P4经工件作用于主轴箱和尾架，由P Y引起床身在水平方向的弯矩M WY。
由于P Y的作用点距床身中性轴为h，故在床身上还作用有扭矩M nZ = P Y•h。
至于P X切削分力，影响较小，可忽略不计。
因此，床身变形的主要形式是在垂直面和水平面内的弯曲，以及由M nZ和M nY联合作用下的扭转。
在弯曲变形中，水平面的弯曲对加工精度影响较大，因此设计床身时要注意加强水平面内的弯曲刚度。
对于长床身，扭转变形会使刀尖与工件间产生相当大的位移，甚至会成为变形的主要方面，因此要注意提高扭转刚度。
主轴箱和尾架对床身作用有较大的弯矩，因此床身两端，特别是主轴箱一端，应注意提高其刚度。
第二节支承件的静刚度与结构设计一、支承件的静刚度支承件的变形一般包括三部分：自身变形、局部变形和接触变形。
对于床身，载荷是通过导轨面施加到床身上的。
变形应包括床身自身的变形、导轨的局部变形以及导轨表面的接触变形。
局部变形和接触变形不可忽略，有时甚至占主导地位。
例如床身，如果结构设计不合理，导轨部分过于薄弱，导轨处的局部变形就会相当大。
又如车床刀架和铣床的升降台，由于层次很多，连接变形就可能占相当大的比重。
设计时，必须注意这3类变形的匹配，针对其薄弱环节，加强刚度。
1. 提高支承件自身刚度支承件抵抗自身变形的能力称为支承件的自身刚度，它主要决定于支承件的材料、形状、尺寸和筋板的布置等。
在进行支承件设计时，应从以下几方面考虑提高支承件的自身刚度。
1) 正确选择支承件的截面和尺寸支承件所受的载荷，主要有拉压、弯曲和扭转。
其中弯曲和扭转是主要的载荷。
因此，支承件的自身刚度，应主要考虑弯曲刚度和扭转刚度。
在其它条件相同时，抗弯、抗扭刚度与截面惯性矩有关。
对于同一材料，截面积相当而形状不同时，截面惯性矩相差很大，合理选择截面可提高支承件自身刚度。
对于截面积为100cm2的各种横截面的支承件，其抗弯抗扭惯性矩如表3一1所示。
表中列出了各种截面惯性矩的绝对值与相对值，相对值是以1号的惯性矩为1，与其它截面惯性矩相比较得到的数值。
从表中可看出以下几点。
表3—1 截面形状与抗扭惯性矩关系①空心截面的惯性矩比实心的大。
加大轮廓尺寸，减小壁厚，可大大提高刚度。
因此，在工艺可能的条件下应尽量减薄壁厚。
一般不用增加壁厚的办法来提高自身刚度。
②方形截面的抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度较低（表中6与1比较）。
若支承件所承受的主要是弯矩，则应取方形或矩形为好。
环形的抗扭刚度比方形、方框形与长框形的大，而抗弯刚度小于后者。
工字形截面梁的抗弯刚度最好，长框形次之，实心圆最弱。
故以承受一个方向的弯矩为主的支承件，截面形状常取为矩形。
③不封闭的截面比封闭的截面刚度低得多，特别是抗扭刚度下降更多（见表中3与4）。
在可能条件下，尽量设计成封闭的截面形状。
但是，有时为了排屑和在床身内安装一些机构等，很难做到四面封闭，如普通车床的床身。
2) 合理布置隔板隔板的作用是将作用于支承件的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。
例如中小型卧式车床的床身的几种横隔板布置如图3-2所示。
为了便于排屑，床身一般由前壁、后壁、隔板所组成。
图3—2 中小型车床床身的几种横隔板布置图3—2a所示为床身前后壁用“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。
但这种床身结构简单，铸造工艺性好。
图3—2b为“∏”形隔板，“∏”形架具有一定的宽度b和高度h，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能也很好，在大中型车床上应用较多。
图3—2c为“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm 的长床身，效果最为显著。
图3—2d床身刚度最高，排屑容易。
3) 合理开窗和加盖为了安装机件或清砂，支承件壁上往往需要开窗孔。
窗孔对刚度的影响决定于它的大小和位置。
影响抗弯刚度最大的，是将窗孔开在弯曲平面垂直的壁上。
因开窗孔后将减少壁上受拉、受压的面积。
对于抗扭刚度，在较窄壁上开窗孔要比在较宽壁上开窗孔影响要大。
对矩形截面的立柱，窗孔的宽度不要超过立柱空腔宽度的70%，高度不超过空腔宽的1~1.2倍。
若开窗后加盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度，用嵌人盖比面覆盖要好。
由图3-3可看出，开孔对刚度影响较大，加盖后可恢复到原来的35%一41%。
图3一3 开孔和加盖对刚度的影响2. 提高支承件连接刚度和局部刚度支承件在连接处抵抗变形的能力，称为支承件的连接刚度。
连接刚度与连接处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法等有关。
若支承件以凸缘连接时，连接刚度决定于螺钉刚度、凸缘刚度和接触刚度，接合面处的表面粗糙度应达到R a = 8μm，压力应小于1.5 ~ 2 MP a。
合理布置螺钉位置和选择合适的螺钉尺寸可提高接触刚度。
图3—4表示了3种凸缘连接形式。
连接刚度与凸缘的结构有关，图3—4a的刚度较低，图3—4b的刚度较高，图3—4c最高。
图3一4 凸缘连接形式图3—5表示立柱由凸缘连接的几种结构。
由于紧固螺栓的分布不同和加强筋数目不一样，使得刚度的差别很大。
在立柱两侧壁上用2个、4个和6个加强筋加固凸缘，抗弯刚度和扭转刚度一个比一个高。
将12个紧固螺栓配置在凸缘两侧不如在3边均布10个好。
增加凸缘厚度可以提高惯性矩，但因螺栓增长，变形量增加，反而降低接触刚度，所以凸缘厚度不宜过大。
图3—5 凸缘设计对刚度的影响支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件局部刚度。
这种变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，它与局部变形处的结构和尺寸等有关。
例如车床床身与导轨相联结的结构形式对局都刚度形响很大。
若将车床床身设计成图3—6a的结构形状，则在载荷F的作用下，导轨处易发生局部变形。
如使导轨与壁板基本对称，适当加厚过渡壁并加筋（图3—6b），导轨处的局部刚度可得到显著地提高。
图3—6 床身与导轨的过渡壁和筋合理设置加强筋是提高局部刚度的有效途径。
图3—7示出4种加筋结构。
图3—7a是用加强筋来提高轴承座处的局部刚度；图3—7b、c、d是当壁板面积大于400mm×400mm 时，为避免薄壁振动而在壁板内表面加的筋条，其作用在于提高壁板的抗弯刚度。
图3—7 加强筋的布置图3—10为立柱内的环形筋条，主要用来抵杭截面形状的畸变。
前面的3条竖向筋条主要用来提高导轨处的局部刚度。
筋条的高度可取为壁厚的4 ~ 5倍，厚度与壁厚之比为0.8 ~ 1。
二、支承件的结构设计1. 支承件形状和尺寸的确定确定支承件的结构形状和尺寸，首先要满足工作性能的要求。
由于各类机床的性能、用途、规格的不同，支承件的形状和大小也不同。
1) 卧式床身卧式床身有3种结构形式：中小型车床床身，是由两端的床腿支承；对于大型卧式车床、镗床、龙门刨床、龙门铣床等的床身，是直接落地安装在基础上；有些仿形和数控车床，则是采用框架式床身。
床身截面形状主耍取决于刚度要求、导轨位置、内部需安装的零部件和排屑等。
基本截面形状见图3—8。
图3—8 卧式床身的基本截面形状其中图3—8a、b、c主要用于有大量切屑和冷却液排除的机床，如车床和六角车床。
图a为前后壁之间加隔板的结构形式，用于中小型车床，刚度较低。
图b为双重壁结构，刚度比图a高些。
图c所示的床身截面形状是通过后壁的孔排屑，这样床身的主要部分可做成封闭的箱形，刚度较高。
图3—8d、e、f三种截面形式，可用于无排屑要求的床身。
图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床、龙门刨床、插床和镗床的床身。
为了便于冷却液和润滑液的流动，顶面要有一定的斜度。
图e床身内部可安装尺寸较大的机构，也可兼作油箱，但切屑不允许落人床身内部。
这种截面的床身，因前后壁之间无隔板连接，刚度较低，常作为轻载机床的床身，如磨床。
图f是重型机床的床身，导轨可多达4 ~ 5个。
导轨部分的局部刚度与过渡壁关系很大，可适当加厚过渡壁并加筋来提高刚度，如图3—9所示。
