机械制造装备设计 考试知识点全攻略文档格式.docx
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八、符合绿色工程要求
第三节机械制造装备的分类
加工装备、工艺装备、仓储传送装备和辅助装备四大类。
一、加工装备
是指采用机械制造方法制作机器零件的机床。
(1)金属切削机床
是采用切削工具或特种加工等方法,从工件上除去多余或预留的金属,以获得符合规定尺寸、几何形状、尺寸精度和表面质量要求的零件。
按机床的加工原理进行分类:
车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、特种加工机床、切断机床和其他机床等12类。
(二)特种加工机床:
1.电加工机床。
直接利用电能对工件进行加工的机床,统称电加工机床。
(一般仅指电火花加工机床、电火花切割机床和电解加工机床)2.超声波加工机床。
3.激光加工机床。
4.电子束加工机床。
5.离子束加工机床。
6.水射流加工机床。
(三)锻压机床
利用金属的塑性变形特点进行成形加工,属无屑加工设备,主要包括锻造机、冲压机和轧制机四大类。
二、工艺装备:
产品制造时所用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具,总称工艺装备。
它是保证产品制造质量、贯彻工艺规程、提高生产效率的重要手段。
模具分类:
1.粉末冶金模具2.塑料模具3.压铸模具4.冷冲模具5.锻压模具
夹具:
安装在机床上用于定位和夹紧工件的工艺设备,以保证加工时的定位精度、被加工面之间的相对位置精度。
利于工艺规程的贯彻和提高生产效率。
包括专用夹具、成组夹具、组合夹具。
量具:
是以固定形式复现量值的计量器具的总称。
如千分尺、百分表、量块。
三、仓储传送设备
包括各级仓储、物料传送、机床上下料等设备。
机器人可作为加工装备,如焊接机器人和涂装机器人等,也可属于仓储传送设备,用于物料传送和机床上下料。
四、辅助装备
包括清洗机和排屑等设备。
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型。
变型设计:
适应型设计(通过改变或更换部分部件或结构)和变参数型设计(通过改变部分尺寸与性能参数,形成变型产品,以扩大适用范围)
模块化设计:
按照合同要求,选择适当的功能模块,直接拼装成。
第五节机械制造装备设计的方法
一、机械制造装备设计典型步骤
产品规划、方案设计、技术设计、工艺设计
(一)产品规划阶段:
1.需求分析:
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。
需求分析的本身就是设计工作的一部分,是设计工作的开始,而且至始至终指导设计工作的进行。
2.调查研究:
市场调研、技术调研和社会调研三部分:
3.预测
4.可行性分析
1)产品开发的必要性
2)同类产品国内外技术水平
3)从技术上预期产品开发能达到的技术水平
4)从设计、工艺和质量等方面需要解决的关键技术问题
5)投资费用及开发时间进度,经济效益和社会效益估计
6)现有条件下开发的可能性及准备采取的措施
5.编制设计任务书
经过可行性分析后,应确定待设计产品的设计要求和设计参数,编制“设计要求”
(二)方案设计阶段:
功能原理分析
(三)技术设计阶段:
初步方案具体化
(四)工艺设计阶段:
依据经验解决实际问题
二、系列化设计
(一)基本概念
系列化设计方法是在设计的某一类产品中,选择共能、结构、尺寸等方面较典型产品为基型,以它为基础,运用三化原则,设计出其他各种尺寸参数是我产品,构成产品的基型系列。
在产品基型系列的基础上同样运用三化原则,增加、减去、更换或修改少数零部件,派生出不同用途的变型产品,构成产品的派生系列。
应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化、(结构的典型化)”
(二)系列化设计的优缺点:
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。
2)减少产品品种意味着提高每个品种产品的生产批量,有助于降低生产成本,提高产品制造质量的稳定性。
3)产品有较高的结构相似性和零部件的通用性,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,系列中的产品结构类似,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:
为以减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,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心啊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特性不一定最符合用户的要求,另方面有些功能还可能冗余
三、模块化设计
(一)模块化设计的基本概念
为了开发多种不同功能的结构,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。
……
(二)模块化设计的优缺点
采用模块化设计方法开发产品的优缺点类似系列化设计方法,在缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低成本和加强市场竞争能力方面综合经济效果十分明显……
1)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。
2)采用模块化设计,只需要更换部分模块,或设计制造个别模块和专用部件,便可快速满足用户提出的特殊订货要求,大大缩短设计和供货周期。
3)模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体制的改革。
由于产品的大多数零部件由单件小批生产性质变为批量生产,有利于采用成组加工等先进工艺,有利于组织专业化生产,既提高质量又降低成本。
4)模块系统中大部分部件由模块组成,设备如发生故障,只需要更换有关模块,维护修理更为方便,对生产影响少。
四.合理化工程
合理化工程的主要目的是采用先进的信息处理技术,进行产品结构的重组、产品设计开发过程的重组和设计/管理系统信息集成,尽可能减少产品零部件的类别数,从而缩短产品的开发周期,提高产品设计质量。
第六节机械制造装备设计的评价
一、技术经济评价(P32)
技术评价值小宇0.6不合格,经济评价值小于0.7不合理。
二、可靠性评价
(一)可靠性特征量
可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。
可靠度:
是指可靠性的量化指标,是指产品在规定条件下和规定时间内,完成规定任务的概率。
(一般记为R)
累计失效概率:
铲平在规定的条件下和规定的时间内,未完成规定任务的概率,又称为不可靠度。
失效率:
工作到某时刻尚未失效的产品,在该时刻后单位时间内是小的概率,又称为故障率。
平均寿命、平均无故障时间、可靠寿命、维修度、修复率、平均修复时间,瞬时有效度、平均有效度、极限有效度。
(2)可靠性预测
串联系统:
影响系统可靠度最大的是可靠度最差的单元,提高系统可靠度,注意提高薄弱单元可靠度。
并联系统:
可靠度大雨各单元可靠度的最大值,组成系统的单元数越多,系统越可靠。
(三)可靠性分配的原则
1)对技术成熟的单元,能够保证实现较高的可靠性,或预期投入使用的可靠性有把握达到较高水平的单元,可分配较高的可靠度。
2)对较简单的单元,组成单元的零部件数量少,装配容易保证质量或故障后期易于恢复的单元,可分配度较高的可靠度。
3)对重要的单元,该单元的失效将引起严重的后果,或该单元失效会导致全系统失效,应分配较高的可靠度。
4)对整个任务时间内需连续工作,或工作条件严酷的单元,应分配较低的可靠度。
三.人机工程学评价
四、结构工艺性评价
(一)加工工艺性:
1.产品结构的合理组合:
一个产品是由部件、组件和零件组成。
组成产品的零部件越少,结构越简单,质量也可减小,但可能导致零件的形状复杂,加工工艺性差。
2.零件的加工工艺:
零件的结构形状、材料、尺寸、表面质量、公差和配合等确定了其加工工艺性。
(二)装配工艺性
(三)维修工艺性
五、产品造型评价
产品设计的标准化
产品设计的标准化对提高设计水平,保证设计质量,简化设计程序,节约设计费用将产生显著效果。
设计文件的标准化审查
包括图样和技术文件成套性检查.
第2章金属切削机床设计
第一节概述
一、机床设计应满足的基本要求
1.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。
一般包括可加工的工件类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸的范围、毛坯类型等。
机床的工艺范围主要取决于其使用什么生产模式。
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。
包括空间上的柔性和时间上的柔性。
所谓空间柔性是指一台机床的工艺范围相当于多台机床的工艺范围,即机床的运动功能和刀具的数目较多,工艺范围较广,机床能够在同一时期内完成多品种加工的能力。
所谓时间上的柔性也就是结构柔性,指的是在不同时期,机床各个部件经过重新组合,即通过机床重构,改变其功能,形成新的加工功能,以适应产品更新变化快的要求。
3.与物流系统的可接近性:
可接近性是指机床与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:
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,因此机床应有足够的刚度。
5.精度:
分为机床本身的精度,即空载条件下的精度(几何精度、运动精度、传动精度、定位精度等)和工作精度。
7.生产率:
通常是指单位时间内机床所加工的合格工件数量。
第二节金属切削机床设计的基本理论
一、机床运动学原理
机床运动学是研究、分析和实现机床期望的加工功能所需要的运动功能配置。
(1)机床的工作原理
通过刀具与工件之间的相对运动,由刀具接触工件上多余的金属材料,是弓箭有要求的几何形状和尺寸。
(2)工件表面的形成方法及机床运动
1.几何表面的形成原理
2.发生线的形成:
⑴轨迹法(描述法)⑵成形法(仿形法)⑶相切法(旋切法)⑷展成法(创成法)
3.加工表面的形成方法
母线形成方法和导线形成方法的组合
(三)运动分类
1.按运动的功能分类
⑴成形运动
主运动
形状创成运动
⑵非成形运动
1.按运动之间的关系分类
⑴独立运动:
与其他运动之间无严格的运动关系
⑵复合运动:
与其他运动之间有严格的运动关系
(4)成形运动
主运动(速度高、消耗动力大)和进给运动(速度低、消耗动力小)
主运动(完成金属接触)和形状创成运动(完成表面几何形状的生成,即发生线)
当形状创成运动中不包含主运动时,“形状创成运动与进给运动”与“进给运动”两个词等价;
当创成运动中包含主运动时,“形状创成运动”与“成形运动”两个词等价。
(5)机床运动功能的描述方法
1.坐标系
机床运动轴坐标系XYZ绕XYZ的ABC,平行于XYZ的UVW
2.机床运动功能式W/,/T
3.机床运动原理图
4.机床功能分配设计图
5.机床传动原理图机床的运动功能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。
二、精度
包括几何精度、传动精度、运动精度、定位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等。
几何精度:
机床在空载条件下,在不运动(机床主轴不转或工作台不移动及转动等情况下)或运动速度较低时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度。
运动精度:
是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。
工作精度加工(标准)规定的试件,用试件的加工精度表示机床的工作精度。
三、刚度
机床受载时抵抗变型的能力。
4、振动
机床的抗振能力是指机床在交变在和作用下,抵抗变形的能力。
包括:
抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。
习惯上称之为:
抗振性,后者常称为:
切削稳定性。
1.受迫振动2.自激振动
影响机床振动的主要原因有:
机床的刚度。
机床的阻尼特性。
机床系统固有频率。
详细见P68
五、热变形
机床在工作时受到内部热源和外部热源的影响(环境温度、周围热源辐射)的影响,使机床的温度高于环境温度,称之为温升。
热变形对加工精度的影响。
6、噪声
机床噪声源机械噪声、液压噪声、电磁噪声、空气动力噪声
七、低速运动平稳性
低速运动时产生的运动不平稳称为爬行。
是因为摩擦产生的自己振动现象。
第三节金属切削机床总体设计
一、机床系列型谱的制定
二、机床运动功能设置
1.工艺分析
2.机床运动功能设置(分析式设计方法、解析式设计方法)
3.运动功能式、运动原理图
三、机床总体结构方案设计
1.结构布局设计
2.机床总结结构的概略形状与尺寸
四、机床主要参数设计
包括机床的主参数和基本参数,基本参数可包括尺寸参数、运动参数和动力参数。
(1)主参数和尺寸参数
(2)运动参数★
1.主运动参数n
⑴最低nmin最高nmax转速的确定,dmin、dmax经济加工直径,K1、K2
确定机床主轴最高转速的两个因素:
机床主传动类型(机械传动、机电结合传动、零传动),采用的刀具类型、材质和切削角度等。
⑵转速分级p82
⑶标准公比值和标准转速数列p82
⑷变速范围,公比和级数之间的关系
(3)动力参数★
1.主电动机功率的确定P主=P切+P空+P辅P85
2.进给驱动电机功率的确定
★★★第四节主传动系设计
一、朱传东西设计应满足的基本要求
满足机床使用性能要求;
满足机床传递动力要求;
满足机床工作性能的要求;
满足产品设计经济性的要求;
维修调整方便,结构简单、合理,便于加工和装配。
二、主传动系分类和传动方式
(一)主传动系分类
按驱动主传动的电动机类型:
交流电动机驱动、直流电动机驱动
按传动装置类型:
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按变速的连续性:
分极变速传动、无极变速传动
(二)主传动系的传动方式(优缺点)
集中传动方式:
主传动系的全部传动和变速机构集中装在同一个主轴箱内。
特点是结构紧凑,便于实现集中操作,安装调整方便。
缺点是这些高速运转的传动件在运转过程中所产生的振动,将直接影响主轴的运转平稳性,传动件所产生的热量,会使主轴产生热变形,使主轴回转轴线偏离正确位置进而直接影响加工运动,适用于普通精度大中型机床
分离传动方式:
主传动系中的大部分传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中。
主轴传动链短,使主轴在高速运转时比较平稳,空载损失小,当主轴需作低速运转时,运动则由带轮经背轮机构的两对江苏齿轮传动,显著降低转速,达到扩大变速范围的目的。
三、分级变速主传动系的设计
(一)拟定转速图和结构式P91
(二)各变速组的变速范围及极限传动比P93
传动轴格线间转速点的连接线称为传动线,表示两轴间一对传动副的传动比u,用主动齿轮与从动齿轮的齿数比或主动带轮与从动带轮的轮径比表示。
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。
(三)主变速传动系设计的一般原则
1.传动副前多后少原则。
接近电机的传动件转速较高,传递的转矩较小,尺寸小;
靠近主轴的传动件转速较低,传递的转矩较大,尺寸大。
2.传动顺序与扩大顺序相一致的原则(前密后疏)
3.变速组的降速要前慢后快,中间轴的转速不宜超过电动机的转速。
(四)主变速传动系的几种特殊设计
1.具有多速电动机的主变速传动系设计采用多速异步电动机和其他方式联合使用,可以简化机床的机械结构,使用方便。
2.具有交换齿轮的变速传动系交换齿轮的变速组应设计成对称分布的。
交换齿轮可用较少的齿轮,以得到多级转速,并使变速箱结构大大简化。
3.采用公用齿轮的变速传动系采用公用齿轮可以减少齿轮的数目,简化结构,缩短轴向尺寸。
(五)扩大传动系变速范围的方法
通常最后扩大族的变速级数Pj=2,则最后扩大组的变速范围为Rj=φZ/2
1.增加变速组
2.采用背轮机构
(六)齿轮齿数确定
一般在主传动中,取最小齿轮数Zmin≥18~22.
(七)计算转速★
1.机床的功率转矩特性P102主轴的功率转矩特性图
驱动直线运动工作台的这类机床的主运动属恒转矩传动。
如刨床的工作台。
主运动是旋转运动的机床基本上是恒功率传动。
如车床、铣床的主轴。
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
2.变速传动系中传动件计算转速的确定P104例题
变速传动系中的传动件包括轴和齿轮,它们的计算转速可根据主轴的计算转速和转速图确定。
确定的顺序是先定出主轴的计算转速,再顺次由后往前,定出各传动主轴的计算转速,然后再确定齿轮的计算转速。
机床的功率转矩特性
四、无级变速主传动系
(一)无级变速装置的分类
变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。
(2)无级变速主传动系设计原则P110
第五节进给传动系设计
一、进给传动系设计应满足的基本要求
1.具有足够的静刚度和动刚度;
2.具有良好的快速响应性,不爬性;
3.抗振性好;
4.具有足够宽的调速范围;
5.进给系统的传动精度和定位精度高;
6.结构简单,加工和装配工艺性好。
二、机械进给传动设计系的设计特点
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
3.进给传动的转速图为前疏后密结构
4.进给传动的变速范围
5.进给传动系采用传动间隙消除机构
6.快速空程的采用
7.微量进给机构的采用
第3章典型部件设计
第一节主轴部件设计
主轴部件是机床的执行件,由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。
一、主轴部件应满足的基本要求
1.旋转精度指装配后,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、装配和调整精度。
2.刚度指主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力。
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。
3.抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。
4.温升和热变形指主轴部件运转时,因各相对处的摩擦生热,切削区的切削热等使主轴部件的温度升高,形状尺寸和位置发生变化,造成主轴部件的所谓热变形。
5.精度保持性指长期地保持其原始制造精度的能力。
二、主轴的传动方式(优缺点)
主轴部件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。
1.齿轮传动其特点是结构简单、紧凑,能够传递较大的转矩,能适应变转速、变载荷工作,应用最广。
缺点是线速度不能过高,通常小于12~15m/s,不如带传动平稳。
2.带传动其特点是靠摩擦力传动(除同步齿形带外)、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。
皮带有弹性可吸振,传动平稳,噪声小,适宜高速传动,带传动在过载时会打滑,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。
3.电动机直接驱动方式其特点是主轴单元大大简化了结构,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转矩;
便于组织专业化生产。
它广泛应用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。
三、主轴部件结构设计
(一)主轴部件的支承数目
(二)推力轴承位置配置形式P145
推力轴承在主轴前后支承的配置形式,影响主轴轴向刚度和主轴热变形的大小和方向。
轴向伸缩
1.前端配置指两个方向的推力轴承都布置在前支承外。
这类配置方案在前支承处轴承较多,发热大,温升高;
但主轴受热后向后伸长,不影响轴向精度,精度高,对提高主轴部件刚度有利。
这种配置用于轴向精度和刚度要求较高的高精度机床或数控机床。
a
2.后端配置指两个方向的推力轴承都布置在后支承处。
这类配置方案前支承处轴承较少,发热小,温升低;
但主轴受热后向前伸长,影响轴向精度。
这种配置用于轴向精度要求不高的普通精度机床,如立铣、多刀车床等。
c
3.两端配置指两个方向的推力轴承分别布置在前后两个支承处。
这类配置方案当主轴受热伸长后,影响主轴轴承的轴向间隙。
为避免松动,可用弹簧消除间隙和补偿热膨胀。
这种配置常用于短主轴,如组合机床主轴。
de
4.中间配置指两个方向的推力轴承在前支承的后侧。
这类配置方案可减少主轴的悬伸量,并使主轴的热膨胀向后;
但前支承结构较复杂,温升也可能较高。
B
(三)主轴传动件位置的合理布置
1.传动件在主轴上轴向位置的合理布置
合理布置传动件在主轴上的轴向位置,可以改善主轴的受力情况,减少主轴变形,提高主轴的抗振性。
主轴上传动件轴向布置时,应尽量靠近前支承,有多个传动件时,其中最大传动件应靠近前支承。
2.驱动主轴的传动轴位置的合理布置
主轴受到的驱动力相对于切削力的方向取决于驱动主轴的传动轴位置。
4、主轴滚动轴承
机床上常用的主轴轴承有滚动轴承、液体动压轴承、液体静压轴承、空气静压轴承等。
对主轴轴承的要求是旋转精度高、刚度高、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗振性好、使用寿命长、制造简单、使用维护方便等。
(一)主轴部件主支承常用滚动轴承P149★
1.角接触球轴承轴向力和径向力发热低适用于高速主轴
2.双列短圆柱滚子轴承刚度高,不能承受轴向载荷
3.圆锥滚子轴承承受轴向力和径向力发热大,不适合高速
4.推力轴承仅承受轴向力不能单独使用
5.双向推力角接触轴承承受两个方向的轴向力,不承受径向力,必须与其它轴承(双列短圆柱滚子轴承)一起
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