02209机械制造装备设计考试重点(自学考试必备)Word格式文档下载.doc
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其目标是设计一个生产系统及其控制方法，在保证工人和最终用户健康和安全的条件下，以最低的成本生产出符合质量要求的产品。
产品设计符合要求是指：
在产品开发阶段，充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳的工艺方案，选择合理的质量标准，减少操作过程中工人的体力消耗；
对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准，减少因质量标准定得过高造成不必要的超额工作量。
（强度、刚度、抗振性）
八、符合绿色工程要求
企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源来增加产出的错误做法，使经济发展更少地依赖地球上的有限资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。
这就是所谓的绿色工程要求。
第三节机械制造装备的分类
机械制造大致可划分为加工装备、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。
（一）金属切削机床（有屑加工）
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（刀具与工件不接触）
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（无屑加工）
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。
刀具：
切削加工时，从工件上切除多余材料所用的工具。
模具：
是用来将材料填充在其型腔中，以获得所需形状和尺寸制件的工具。
其分类：
1.粉末冶金模具2.塑料模具3.压铸模具4.冷冲模具5.锻压模具等。
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。
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。
自动运载小车（AGV或RGV）主要用于工作中心间工件的传送。
四、辅助装备
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
一、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。
适应型设计和变参数型设计统称变型设计。
第五节机械制造装备设计的方法
一、系列化设计
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，即所谓的“四化”原则。
（一）、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）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，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。
缺点是：
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，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。
（和机械图谱相联系）
产品的主参数应尽可能采用优先数系。
二、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）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。
第六节机械制造装备设计的评价
对机械制造装备设计方案的评价内容主要包括技术经济评价、可靠性评价、人机工程学评价、结构工艺性评价、产品造型评价和标准化评价。
一、可靠性评价
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。
（一）可靠性特征量
包括可靠度，累积失效概率，失效率，平均寿命，可靠寿命，维修度，修复率，平均修复时间。
第二章金属切削机床设计
一、机床设计应满足的基本要求（详细见P57）
1、工艺范围
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。
机床的工艺范围主要取决于其使用哪种生产模式。
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。
（影响因素）
生产模式：
单件大批量、大量、批量。
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（即功能柔性）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（即结构柔性）是指的是在不同时期，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
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，因此机床应有足够的刚度。
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。
6、噪声
7.生产率
机床的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、工件表面的形成方法
1、在机床上形成加工表面的发生线的方法有轨迹法（描述法）、成形法（仿形法）、相切法（旋切法）、展成法（范成法）。
二、机床运动分类
1、按运动的性质分类，可分为直线运动和回转运动。
2、按运动的功能分类，可分为成形运动和非成形运动。
3、按运动之间的关系分类，可分为：
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
二、精度（详细见P71）
包括几何精度、运动精度、传动精度、定位和重复定位精度、工作精度和精度保持性等。
1、几何精度
是指机床在空载条件下，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。
2、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（又可称为几何运动精度）。
3、传动精度
是指机床传动系统各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。
4、定位精度和重复定位精度
定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。
5、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
机床刚度是指机床受载时抵抗变型的能力。
公式：
K=F/y
四、振动（详细见P73）
机床的抗振能力是指机床在交变载荷作用下抵抗振动的能力。
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。
（平稳）
1.受迫振动
2.自激振动
3.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。
五、热变形
由于机床各部件的材料的热膨胀系数不同，因而其热膨胀量也就不同，导致机床床身、主轴和刀架等构件产生变形，称之为机床热变形。
六、噪声
机床噪声源主要来自四个方面：
1.机械噪声
2.液压噪声
3.电磁噪声
4.空气动力噪声
七、低速运动平稳性
爬行：
是机械振动中自激振动的一种，表现形式为时快时慢的不稳定的运动形式。
低速运动时产生的运动不平稳现象。
第三节金属切削机床总体设计
一、机床主要参数设计（详细见P80）
机床的主要技术参数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。
第四节主传动系设计
一、主传动系分类和传动方式（详细见P89）
（一）主传动系分类
按变速的连续性可分为分级变速传动和无极变速传动。
（二）主传动系的传动方式
主传动系的传动方式主要有两种：
集中传动方式和分离传动方式。
1、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，称为集中传动方式。
（适用于普通精度的大中型机床。
）
其特点：
①结构紧凑，便于实现集中操纵，安装调整方便。
②缺点是传动件在高速运转中产生的振动将直接影响主轴的运转平稳性。
③传动件产生的热量会使主轴产生热变形而直接影响加工精度。
2、分离传动方式
主传动系中的大部分的传动和变速机构装在远离主轴的单独变速箱中，然后通过带传动将运动传到主轴箱的传动方式，称为分离传动方式。
①变速箱各传动件所产生的振动和热量不能直接传给或少传给主轴，从而减少主轴的振动和热变形，有利于提高机床的工作精度。
②主轴高速运转时比较平稳。
二、分级变速主传动系的设计（详细见P93）
（一）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。
（二）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。
用ψxi表示，指数xi称为级比指数。
（三）主变速传动系设计的一般原则
①传动副前多后少原则（即：
在拟定主变速传动系时，应尽可能将传动副较多的变速组安排在前面，传动副数少的放在后面。
②传动顺序与扩大顺序相一致的原则
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。
（即：
从电动机到主轴之间的总趋势是降速传动，在分配各变速组传动比时，为了使中间传动轴具有较高的转速，以减少传动件的尺寸，前面的变速组降速要慢些，后面变速组降速要快些，但是中间轴的转速不应过高，以免产生振动、发热和噪声。
通常，中间轴的最高转速不超过电动机的转速。
（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
2、具有交换齿轮的变速传动系
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
①增加变速组
②采用背轮机构（背轮机构应放在主轴后面，速度不宜太快。
）（六）齿轮齿数的确定
1、齿轮可套装在轴上的条件为齿轮的齿槽到孔壁或键槽底部的壁厚a应大于或等于2m（m为齿轮模数），以保证齿轮具有足够强度。
齿数过小的齿轮传递平稳性也差。
一般在主传动中，取最小齿轮齿数Zmin≥18～20。
2、三联滑移齿轮顺利啮合的条件是其最大和次大齿轮之间的齿数差应≥4。
（七）计算转速
1、计算转速就是计算主轴或各传动件传递全部功率的最低转速。
2、机床的直线进给运动传动系统一般为恒转矩传动系统。
3、机床的旋转运动传动系统一般为恒功率传动系统。
（八）变速箱内各传动轴的轴向固定
1、传动轴通过轴承在箱体内轴向固定的方法有一端固定和两端固定两类。
2、采用深沟球轴承时，可以一端固定，也可以两端固定。
3、采用圆锥滚子轴承时，必须两端固定。
4、一端固定的优点：
轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热应力，因此宜用于长轴。
两端固定适用于短轴。
三、无极变速主传动系（详细见P109）
（一）无级变速装置的分类
无级变速是指在一定范围内转速（或速度）能连续地变换的特点，从而获取最有利的切削速度。
1、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、特点：
①无极变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便达到最有利的切削速度。
②能在运转中变速，便于实现变速自动化。
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
进给传动系用来实现机床的进给运动和辅助运动。
（一）进给传动系的组成
进给传动系一般由动力源、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。
（二）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，作低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高。
③抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声。
④具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量，以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，能传动较大的转矩。
⑤进给系统的传动精度和定位精度要高。
⑥结构简单，加工和装配工艺性好。
调整维修方便，操作灵活。
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是其最高转速。
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Rn≤14
⑤进给传动系采用传动间隙消除机构（如：
消除传动齿轮的传动间隙和滚珠丝杠螺母副的轴向间隙）
三、电气伺服进给系统（详细见P120）
（一）齿轮传动间隙的消除
齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔性调整法。
刚性调整法是指调整后的齿侧间隙不能自动进行补偿。
柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿。
（二）滚珠丝杠及其支承
1、滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构。
由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。
滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。
2、滚珠丝杠的支承方式有三种：
①一端固定，另一端自由方式。
（常用于短丝杠和竖直丝杠。
②一端固定，另一端简支承方式。
（常用于较长的卧式安装丝杠。
③两端固定方式。
（用于长丝杠或高转速，要求高拉压刚度的场合。
3、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧
滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生接触变形。
如果滚珠丝杠螺母副存在间隙，当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。
因此需要对滚珠丝杠螺母副进行消除间隙，并施加预紧力。
第三章典型部件设计
第一节主轴部件设计
主轴部件，作为机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。
主轴部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（主轴的旋转精度是指装配后，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端面圆跳动。
2、刚度（主轴部件的刚度是指其在外加载荷作用下抵抗变形的能力。
3、抗振性（主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。
4、温升和热变形（主轴部件运转时，因各相对运动处的摩擦生热、切削区的切削热等是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（主轴部件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力。
二、主轴的传动方式
主轴的传动方式主要有齿轮传动、带传动和电动机直接驱动。
三、主轴部件结构设计
（一）推力轴承位置配置形式（详细见P145）
（1）前端配置
（两个方向的推力轴承都布置在前支承处。
特点：
①在前支承处轴承较多，结构较复杂，温升较高；
②主轴受热变形，向后伸长，不影响轴向精度，精度高。
有利于提高主轴部件的刚度。
适用范围：
对轴向精度和刚度要求较高的高速、精密机床主轴（如精密车床、镗床、坐标镗床等）及对抗振性要求较高的普通机床主轴（如卧式车床、多刀车床、铣床等）。
（2）后端配置
（两个方向的推力轴承都布置在后支承处。
①前支承的结构简单、温升较小；
②主轴受热向前伸长，影响主轴的轴向精度；
③刚度及抗振性较差。
不宜用于精密、抗振性要求高的机床，可用于要求不高的中速、普通精度机床的主轴（卧式车床、多刀车床、立式铣床等）。
（3）两端配置
（两个方向的推力轴承分别布置在前后支承处。
①支承结构简单，间隙调整方便；
②主轴受热伸长会改变轴承间隙，影响轴承的旋转精度及寿命；
③刚度和抗振性较差。
①轴向间隙变化不影响正常工作的机床主轴，如钻床。
②支距短的机床主轴，如组合机床。
③有自动补偿轴向间隙装置的机床主轴。
（4）中间配置
（两个方向的推力轴承配置在前支承的后侧。
这类配置方案可减少主轴的悬伸量，并是主轴受热后向后伸长。
但前支承结构较复杂，温升也可能较高。
（二）主轴传动件位置的合理布置
传动件在主轴轴向位置的合理布局：
合理布置传动件在主轴上的位置，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。
合理布局的原则是：
传动力引起的主轴弯曲变形要小，引起主轴前轴端在影响加工精度敏感方向上的位移要小。
因此，主轴上传动件布置时，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。
（三）主轴主要结构参数的确定
（1）主轴前端悬伸量a的确定主要取决于主轴端部的结构、前支承轴承配置和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。
由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，应尽量缩短该悬伸量。
（2）主轴主要支承间跨距L的确定
①当支承跨距L实际＜L合理时，应提高轴承的强度。
②当支承跨距L实际＞L合理时，应提高轴的刚度。
四、主轴滚动轴承（详细见P149）
（一）主轴部件主支承常用滚动轴承
（1）角接触球轴承
（2）双列短圆柱滚子轴承
（3）圆锥滚子轴承
（4）推力轴承
（二）滚动轴承精度等级的选择
原则是“前高后低”。
前轴承的精度比后轴承对主轴部件的旋转精度影响较大。
因此，选取轴承精度时，前轴承的精度要比后轴承精度高一级。
（三）主轴滚动轴承的预紧
预紧是提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性的重要手段。
预紧就是采用预加载荷的方法消除轴承间隙，而且有一定的过盈量，使滚动体和内外圈接触部分产生预变形，增加接触面积，提高支承刚度和抗振性。
滚动轴承间隙的预紧方法：
①径向预紧轴承间隙（双列圆柱滚子轴承）一是用螺母轴向移动轴承的内圈，1：
12的锥度预紧。
二是用调整环的长度实现预紧，采用过盈套进行轴向固定。
②轴向预紧轴承的间隙（角接触轴承）是用螺母使内、外圈产生轴向错位来实现径向和轴向预紧。
（四）滚动轴承的润滑和密封
（1）主要采用润滑脂或润滑油来润滑。
1）、脂润滑适用于轴承的速度、温度较低且不需要冷却的场合。
如果密封效果好，能够避免润滑油、冷却液及其他杂质混入润滑脂中，则轴承中的润滑脂可长期使用，拆修前不需要补充或更换。
润滑脂不要把轴承空间填满，以免发热过高，并引起润滑脂熔化外流，通常充填量约为轴承空间的1/3。
2）、油润滑适用于速度、温升较高的轴承，由于粘度低、摩擦系数小，润滑及冷却效果都较好。
润滑油的粘度通常根据轴承的速度参数选择。
（2）主轴滚动轴承密封
作用：
防止切削液、切屑、杂质等进入轴承，并使润滑剂无泄漏地保持在轴承内，保证轴承的使用性能和寿命。
类型：
主要有接触式密封和非接触式密封两大类。
①接触式密封的特点是：
密封性好，散热性差，安装方便。
②非接触式密封的特点是：
散热性好，密封性不是很好。
五、主轴滑动轴承
液体静压轴承系统由一套专用供油系统、节流阀和轴承三部分组成。
承载能力高，旋转精度高，油膜有均化误差的作用，可提高加工精度，抗振性好，运转平稳，既能在极低转速下工作也能在极高转速下工作，摩擦小，轴承寿命长。
缺点：
需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本较高。
第二节支承件设计
一、支承件的功能和应满足的基本要求
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