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金属切削机床设计复习笔记：考试要点与主传动系统设计

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整理金属切削机床主传动设计考点，解析转速图拟订技巧

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考试

考查形式

选择题 15分 10题

判断题 15分 10题

简答题 30分 6道 类似于：主轴结构参数（画一张图，让你去确定结构参数）、提高支承件性能等

计算题 40分 5题

计算题多关注作业原题（标红的必考）

第二章 金属切削机床设计

基本要求和理论

机床总体设计

主传动系统设计

  • 主传动系由动力源（如电动机）、变速装置及执行件，以及开停、换向和制动机构等部分组成。

  • 主传动系统的不同分类：

    • 按驱动主传动的电动机分为：交流电动机驱动和直流电动机驱动

    • 按传动装置类型分为：机械传动、液压传动、电气传动及其组合

    • 按变速的连续性分为：分级变速传动和无级变速传动

      • 分级变速传动方式有滑移齿轮变速、 交换齿轮变速和离合器（如摩擦式、 牙嵌式、 齿轮式离合器） 变速

        • 那么，我们怎么去设计分级变速主传动系统呢？（重点)

          基本的内容和步骤如下：根据已经确定的主变速传动系统的运动参数，拟订转速图、结构式，合理分配各变速组中传动副的传动比，确定齿轮齿数，确定计算转速，绘制分级变速传动系统图

          来，我们一个个解释：

          1. 传动系统图：指的是用图形符号表示的动力源与执行件、不同执行件之间的传动关系，也称为传动链。下图中，轴1和2之间是三级齿轮变速传动，因为有3个传动副存在，同理，轴2和3之间是二级变速传动，3、4之间是二级变速传动

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          2. 转速图

            转速图由一些互相平行和垂直的格线组成，距离相等的一组竖线表示各轴，距离相等的一组横线表示各级转速，是对数坐标，每一格之间表示的转速之比是等比级数的公比φ（下图的例子里φ=sqrt(2))

            转速点指的是该轴所具有的转速

            传动线指的是格线间转速点的连线，可以从传动线的变化趋势看出传动比u的大小：

            传动线是水平的-u=1

            上升的-u>1

            下降的-u<1

            下降的越陡-u越小

            上升的越快-u越大

            级数：3x2x2=12级，可以理解为有12档的转速

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          3. 结构式

            在本例中，结构式表示为：12=3~1~x2~3~x2~6~，12表示主轴的转速级数为12级，3、2、2分别表示不同变速组的转动副的个数，1、3、6表示不同变速组的级比指数

            级比：可以理解为是当前变速组不同级数的转速的比值，用φ^Xi^表示

            级比指数：就是上面那个式子里的X~i~

            要使得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（在图中的体现是，垂直方向只差一格），这个组叫基本组，除此之外，还有第一扩大组和第二扩大组

            结构式一般可以写作：Z=P~a~X~a~ x P~b~X~b~ X … X P~i~X~i~(P~i~指的是变速组里面的转动副个数)

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          4. 变速组的变速范围 极限传动比

            变速组的变速范围可以写作R~i~=φ^（Pi-1）*Xi^，一般只需要检查最后一个扩大组即可

        • 分级变速主传动系统设计的一般原则（重点)

          前缓后急这一点还不是很理解，其他几点为什么，也不是很理解

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      • 无级变速传动有机械摩擦无级变速器、 液压无级变速器和电气无级变速器

  • 主传动系统的几种特殊设计

    • 具有多速电机的设计：你可以理解为电机有不同的转速，这样自然就可以实现运转过程中的变速，但是缺点也很明显，就是当电机在高速时，没有完全发挥其能力。原因是：为了使用方便，主轴在一切转速下电动机功率都定为7.5kw，这就导致高速的情况下主轴输出的转矩很低，如果负载需要更大的转矩，电机就带不动了

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    • 交换齿轮：顾名思义，交换主从动齿轮的位置，实现传动比的互换，缺点是：如果传动装置装在变速箱外，很难润滑；如果传动装置装在变速箱内，很难去更换

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    • 公用齿轮：你可以理解为第三方齿轮，两个齿轮中间插了一个齿轮，这个齿轮既是第一变速组的从动齿轮，同时也是第二变速组的主动齿轮，相当于把齿轮合二为一了，减少了齿轮的个数，同时也保证一根轴不需要那么多齿轮在上面，自然也就缩短了轴向距离。但是公用齿轮寿命短，受的弯曲应力是对称循环应力，所以在保证模数不变的情况下，选用较大的齿轮作为公共齿轮（模数m不变 → 齿数z越大，分度圆直径d= m×z越大）

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  • 扩大传动系变速范围的方法

    • 增加变速组

      需要注意的是，变速范围R~n~针对的是单一的变速组，而不是整个传动系统的，我们只需要保证每一个变速组的R~n~小于8即可

      （2X2-1），开枝散叶来看，每一个母点本来是要生4个子点的，但是有两个子点都是重合的，所以就要减去一个了

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    • 采用背轮机构

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    • 采用双公比传动结构：可以理解为把中段的转速变得更密集，低、高段的转速就松散一点（因为用的少嘛）

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    • 采用分支传动：就是在原来串联系统的基础上，增加了并联的分支，扩大了变速范围

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  • 齿轮齿数的确定

    • 齿数和不应过大，一般推荐齿数和 Szz≤ 100-120

    • 为了保证最小齿轮不产生根切以及主传动具有较好的运动平稳性， 对于标准圆柱齿轮， 一般取最小齿轮齿数 Zmin_{min}≥18-20;

      受结构限制的最小齿数的齿轮应能可靠地装到轴上或套装。 齿轮和轴为键连接时， 则应保证齿根圆至键槽顶面的距离大于两个模数， 即应该满足：

      mZmin−2.5m2−T≥2mZmin≥2Tm+6.5其中m是齿轮模数，Zmin是齿轮的最小齿数，T是键槽到齿轮轴线的高度\frac{mZ_{min}-2.5m}{2}-T\geq2m\\ Z_{min}\geq\frac{2T}{m}+6.5\\ 其中m是齿轮模数，Z_{min}是齿轮的最小齿数，T是键槽到齿轮轴线的高度

    • 传动比要求， 分配各齿轮副齿数应符合转速图上的传动比要求。 实际传动比（ 齿轮齿数之比） 与理论传动比（ 转速图给定） 之间允许有误差， 但是不能过大。由于分配齿轮齿数所造成主轴转速的相对误差， 一般不能超过

      n理−n实n理<±10（ϕ−1）%ϕ是公比，n理是理想的主轴转速，n实是齿轮传动实现的实际主轴转速\frac{n_理-n_实}{n_理}<\pm10（\phi-1）\%\\ \phi是公比，n_理是理想的主轴转速，n_实是齿轮传动实现的实际主轴转速

  • 确定计算转速

    • 不同的运动方式
      • 主运动为直线运动的机床，属于恒转矩传动
      • 主运动为旋转运动的机床，旋转运动的变速机构，输出转矩与转速成反比，基本是恒功率的
    • 计算转速：主轴或各传动件传递全部功率的最低转速nn​

进给传动系设计

  • 主传动和进给传动有什么区别？

    可以这样理解，主传动管的是刀具转动的多快，进给传动管的是刀具怎么去切工件，刀具怎么去动、工件怎么去动，刀具怎么去精细的切工件

  • 基本要求

    足够的静刚度和动刚度、动态性能好、抗振性好、调速范围宽、传动精度和定位精度高、结构简单

  • 组成部分

    由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构、运动转换机构和执行件等组成

    动力源可以采取单独电动机；也可以和主传动共用一个动力源，便于保证主传动和进给传动之间的严格传动比关系，适用于有内联系传动链的机床

    变速机构：用来改变进给量的大小

    换向机构：进给电动机换向和齿轮换向

    运动分配机构：用来转换传动路线，常采用离合器

    过载保险机构：作用是在过载时自动断开进给运动，过载排除后自动接通

    运动转换机构：用来变换运动的类型如回转运动变直线运动

  • 分类

    机械进给传动、伺服进给传动、直接进给传动

    机械进给传动是变速部分和传动部分均采用机械方式

    伺服进给传动指的是进给变速采用的是伺服电动机或步进电动机，变速是无级变速，而传动部分采用机械方式

    直接进给传动也称为零传动进给传动系统，采用直线电动机直接传动，彻底消除中间机械传动环节，是比较贵的，也是最精密的

    • 机械进给传动设计特点

      1）进给传动是恒转矩传动

      2）进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速

      3）进给传动的转速图为前疏后密结构，与主传动系（前密后疏）相反

      4）进给传动的变速范围大

    • 伺服进给传动设计特点

      • 分为开环伺服驱动系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统

      • 进给驱动部件的类型和特点

        1）步进电动机：没有累积误差，制造成本低。缺点是效率较低，发热大，有时会失步

        2）直流伺服电动机：转动惯量小，响应时间快、缺点是额定转矩小

        3）交流伺服电动机：可靠性好，体积小，重量轻，动态响应好

        4）直流伺服电动机：无接触直接驱动，可靠性高，体积小，传动刚度高，响应快，可得到瞬时高的加/减速度

      • 伺服进给传动设计里的机械结构设计

        • 要求运动部件动作灵敏、低惯性、定位精度好、阻尼比适宜、以及传动机构不能有反向间隙

        • 最佳降速比确定（这里有公式，不知道要不要记）

        • 齿轮传动间隙的消除：刚性调整法、柔性调整法

        • 滚珠丝杠及其支承

        • 丝杠的拉压刚度计算

        • 滚珠丝杠的预拉伸：提高抗拉刚度、补偿丝杠的热变形

          1）使丝杠在最大轴向载荷作用下，在受力方向上仍能保持受拉状态，预拉伸力应大于最大工作载荷的0.35倍

          2）丝杠的预拉伸量应能补偿丝杠的热变形

    • 直接进给传动设计特点

支承件设计

  • 机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件，相互固定联接成机床的基础和框架

  • 主要功能：保证机床各零部件之间的相互位置和相互运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度

  • 主要承受：重力、切削力、摩擦力、传动力

  • 支承件的材料

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第三章 机床部件设计

主轴设计

  • 主轴部件是机床最重要部件之一。它由主轴、支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成，用来传递扭矩、承受工作载荷

  • 主轴部件的基本要求

    • 回转精度

      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和轴向跳动。旋转精度取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配

      径向跳动、轴向窜动均可以影响回转精度

    • 刚度:主轴部件的刚度指在外载荷作用下抵抗变形的能力

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      注意，单位是N/μ\mu​m

      静刚度：主轴部件在静载荷作用下抵抗变形的能力

      动刚度：主轴部件在交变载荷作用下抵抗变形的能力

      主轴部件的刚度受主轴的尺寸和形状，如主轴的惯性矩、悬伸量和支撑跨度等。支撑轴承的类型、数量、预紧和配置形式，传动件的布置方式，主轴部件的制造精度和装配质量也对刚度存在影响

    • 抗振性：机床工作时主轴部件抵抗振动、保持主轴平稳运转的能力

      产生振动的原因：主轴部件受到静态力的作用，也受到冲击力和交变力的作用

      影响抗振性的主要因素：主轴部件的静刚度、质量分布以及阻尼

      主轴振动直接影响工件的表面加工质量和刀具的使用寿命

      如何避免：低阶固有频率应当远高于激振频率，使其不容易发生共振

    • 热稳定性：主轴部件运动时，各相对运动处的摩擦，切削区的切削热等使主轴组件的温度升高，造成形状、尺寸及位置变化

      热变形会引起：主轴伸长、轴承间隙变化，轴心位置变化、润滑油温升导致粘度降低，影响主轴部件的工作性能，降低加工精度

    • 精度保持性：主轴长期保持其原始制造精度的能力

      影响耐磨性的主要原因是磨损，例如主轴轴承、主轴轴颈表面、装夹工件或刀具的定位表面的磨损

      影响耐磨性的主要因素：主轴和轴承的材料和热处理、轴承类型及润滑方式

      降低磨损的主要措施：提高表面硬度

      精度保持性影响机床使用寿命内的加工精度和工作稳定性

  • 主轴部件的传动方式

    • 齿轮传动

      优点：能够传递较大的扭矩，能适应变转速、变载荷工作

      缺点：线速度不能过高，通常小于12~15m/s

    • 带传动

      优点：结构简单、制造容易、成本低，特别适用于中心距较大的两轴间传动

      缺点带传动在过载中会打滑，能起到过载保护作用。缺点是有滑动，不能用在速比要求准确的场合

      不过有特例，同步带的传动比是准确的！但是制造工艺复杂，安装条件要求高

    • 电机直接驱动

      采取异步电动机，之所以叫异步电动机，是因为它里面的转子的速度和旋转磁场的速度是不一样的，是“异步”的

      n0=60fpn_0= \frac{60f}{p}

    n0称为旋转磁场的转速，是同步转速
    转子的实际转速n永远小于n0，两者的差值称为转差
    **为什么要有转差？** 因为转子上的电流是靠切割旋转磁场的磁力线产生的。如果转子转速等于磁场转速，就没有相对切割，转子中就没有感应电流，也就没有电磁力来驱动转子了。所以必须有转差，电机才能产生转矩

    优点：大大简化了结构，有效地提高了主轴部件的刚度，降低了噪声和振动；有较宽的调速范围；有较大的驱动功率和扭矩

    缺点：成本高、可维护性很差

  • 主轴部件结构设计

    • 包括：支承—-支承数目、支承方式；传动件----传动件布置；主轴----主轴参数、构造、材料、热处理

      • 主轴部件支承数目

        多数机床主轴采用前、后两个支承，也有三个支承的，三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承，且后者应用较多

    • 推力轴承位置配置形式

      • 推力轴承配置形式影响主轴的轴向刚度和主轴热变形方向及大小

      • 配置形式：前端配置、后端配置、两端配置、中间配置

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    • 主轴传动件位置的合理布置

      • 传动件布置原则：传动力引起的主轴弯曲变形最小。引起主轴前端在影响加工精度的敏感方向上的位移小

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    • 主轴主要结构参数的确定

      主轴主要结构参数包括：

      （1）主轴前轴直径D1

      （2）主轴内孔直径d

      （3）主轴前端悬伸量a

      （4）主轴主要支承间跨距L

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    • 主轴

      其实我对这分类很迷惑，为什么这里又跳出来一个“主轴”？

      • 主轴的构造

        主轴的构造和形状主要取决于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法

      • 主轴的材料和热处理

        普通机床主轴可选用中碳钢（如45钢），调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性

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        主轴永远追求“表面硬、心部韧”的矛盾统一，40cr前的数字表示含碳量的万分量，40cr表示含碳量为0.4%。以此类推

      • 主轴的技术要求

  • 主轴滚动轴承

    • 轴承是主轴部件的重要组成部件

    • 要求：旋转精度高，刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声小、抗振性好、使用寿命长、使用维护方便等

    • 主轴常用滚动轴承

      5）推力轴承：仅能承受轴向力

      6）陶瓷滚动轴承：材料是Si3_3​N4_4​
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    • 主轴轴承选择原则

      • 主轴轴承选择和配置取决于：承受载荷的大小、方向及其性质、转速大小、精度高低等

      • 由于主轴直径大，导致轴承直径大，它的疲劳寿命总是远大于规定值。因此，承载能力和疲劳寿命不是选择轴承的主要依据

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      • 三种类型：

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      • 前轴承的精度要选得高一点，一般比后轴承高一级

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      • 主轴滚动轴承的预紧

        • 指的是：把轴承调整到不仅完全消除间隙，而且产生一定的过盈量（称为负间隙）

        • 预紧是提高主轴部件回转精度、刚度和抗振性的重要手段

        • 有轴向和径向两种

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        • 预紧量不能过大，会导致预紧以后发热量增大，降低轴承寿命

      • 主轴滚动轴承的润滑

        • 作用：减少摩擦、降低温升

        • 类型：脂润滑和油润滑

          • 脂润滑

            粘附力强、密封简单

            不需要经常添加和更换，维护方便

            一般的润滑脂摩擦阻力比润滑油大

            润滑脂使用于速度低、温度低、不需要冷却的场合，例如钻床、立铣

          • 油润滑

            适用于速度快、温度高的场合

            分为：油浴、滴油、循环润滑、油雾润滑、油气润滑和喷射润滑

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        • 轴承的密封

          • 防止润滑油外流，以免增加耗油量，影响外观，污染环境；防止灰尘、金属屑等进入轴承

          • 类型

            1）接触式

            2）非接触式

导轨设计

  • 导轨有什么用？

    承受载荷、导向

  • 有什么类型？

    1）按运动性质

    直线导轨、回转导轨

    回转导轨还可以分为回转角度>360°的旋转导轨和回转角度<360°的弧形导轨

    2）按摩擦性质

    滑动导轨、静压导轨、动压导轨、滚动导轨

    • 滑动导轨

      • 直线滑动导轨的截面形状选择

        矩形：承载大，导向性较差

        三角形：α角越小，导向性越好，但是同时摩擦力会越大，有对称/不对称之分

        燕尾形：可以承受较大的倾覆力矩，但是刚度较差

        圆柱形：磨损以后很难调整和补偿间隙，一般用于承受轴向载荷

      • 回转滑动导轨的截面形状选择（这一部分其实不是很懂，那些图画的啥都。。。）

        平面环形导轨

        锥面环形导轨：轴向力+径向力

        双锥面导轨：轴向力+径向力+一定的倾覆力矩，但是制造研磨比较困难

      • 导轨的组合形式

        双三角形

        双矩形

        矩形+三角形

        矩形+燕尾形

      • 导轨间隙调整

        如果间隙过大，经影响运动精度和平稳性；间隙过小，运动阻力大，导轨的磨损加快

        • 怎么调整？

          1）压板

          2）镶条（说实话，不懂这个）

      • 导轨的卸荷

        • 目的：减轻支承导轨的负荷

        • 分类

          机械卸荷、液压卸荷、气压卸荷

    • 滚动导轨

      • 分类

        按滚动体类型：滚珠、滚柱、滚针

        按循环方式：非循环式、循环式

    3）按结构形式

    开式导轨、闭式导轨

    开式导轨不能承受倾覆力矩，而闭式导轨可以承受倾覆力矩

  • 提高导轨精度和耐磨性的措施

    • 合理选择导轨的材料和热处理方法
    • 合理的导轨预紧
    • 良好的导轨润滑和防护
    • 减少导轨的磨损

经验提炼

  1. "前缓后急"这种设计原则，不是背下来就能理解的。 很多工程设计原则需要在实践中反复体会，暂时不懂没关系，先记住，做着做着就明白了。

  2. 主轴永远追求"表面硬、心部韧"的矛盾统一。 这不只是材料学的结论，更是一种工程思维——很多设计都是在矛盾中寻找平衡。

  3. 转速图是机床设计的"地图"。 看懂了转速图，就看懂了整台机床的传动逻辑。花时间把转速图的读法搞透，后面的齿轮设计、轴承选型都有了依据。

  4. "说实话不懂这个"是一种力量。 承认自己不懂，才能去找答案。最怕的是似懂非懂却以为自己懂了。

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