3076 立式銑床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì),立式,銑床,橫向,工作臺(tái),設(shè)計(jì) Acta Mechanica Solida Sinica, Vol. 22, No. 5, October, 2009 ISSN 0894-9166Published by AMSS Press, Wuhan, ChinaEFFECTS OF POISSON’S RATIO ON SCALING LAW INHERTZIAN FRACTUREJing Liu Xuyue Wang(Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China)Received 3 August 2009, revision received 13 September 2009ABSTRACT In this paper the Auerbach’s scaling law of Hertzian fracture induced by a sphericalindenter pressing on a brittle solid is studied. In the analysis, the singular integral equation methodis used to analyze the fracture behavior of the Hertzian contact problem. The results show thatthe Auerbach’s constant sensitively depends on the Poisson’s ratio, and the e?ective Auerbach’sdomain is also determined for a given value of the Poisson’s ratio.KEY WORDS scaling law, Hertzian fracture, Poisson’s ratioI. INTRODUCTIONWith the rapid development of materials science and technology, investigations on the Hertzianindentation/scratch tests have become an interesting project due to their advantage of relative ease inoperation. Many experimental approaches and physical models have been presented for the purposeto measure material parameters such as hardness and fracture toughness. With regard to the fracturetoughness, Frank and Lawn[1] studied the Auerbach’s scaling law[2] by virtue of fracture mechanics.They obtained a fracture scaling law to estimate the surface energy of the material. The major drawbackof their work lies in the following two aspects: on one hand, they used the Green function of a Gri?thcrack to approximate the solution of a cone crack or an initial cylindrical crack, but this approximationmight be inaccurate; on the other hand, they did not give a criterion to determine the situation ofan initial crack. Mouginot and Maugis[3] investigated the same problem using a revised formulationof a penny-shaped crack in an in?nite space. By introducing the maximum strain energy release ratecriterion for determining the starting radius of an axisymmetric crack, they attributed Auerbach’s lawto the competition between the increase in the surface crack size and the decrease in the stress ?eldalong the crack depth. Their numerical simulation showed that an Auerbach range exists during theformation of a shallow ring crack. They also gave the Auerbach constant for the optical glass. However,their model cannot describe the di?erence between a shallow ring crack and a cone crack. Later, Zeng,Breder and Rowcli?e[4] used a similar method to derive an approximate relationship between the stressintensity factor and the indentation force. Furthermore, Warren et al.[5] described the growth of surface?aw by virtue of eigenstrain methods. Finite element and boundary element methods have also beendeveloped for studying di?erent aspects of the Hertzian indentation problem[6–9]. However, the in?uenceof the Poisson’s ratio on the Hertzian fracture remains unclear.In this paper, the attention is centered to evaluating the e?ects of Poisson’s ratio on the fracturescaling law. Based on our previous work[10], the Somigliana ring dislocation will be used to simulateCorresponding author. E-mail: mewxy@hitsz.edu.cnProject supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 10772058).z zr rσrr (a, z ? z )f (z )dz + σrr(a, z ? z )g(z )dzσrz (a, z ? z )f (z )dz + σrz (a, z ? z )g(z )dzσrr(a, z) + σrr(a, z) = 0σrz (a, z) + σrz (a, z) = 0σrr (a, z) = √ + √ (1 + ν) u tan?1 √ + (1 ? ν)ρζ 2σrz (a, z) = ? √Vol. 22, No. 5 Jing Liu et al.: E?ects of Poisson’s Ratio on Scaling Law in Hertzian Fracture · 475 ·the initially cracking behavior in the sense that the Somigliana ring dislocation solution is equivalentto the basic solution of the correspondent axisymmetric crack problem.II. MODEL AND METHODConsider the axisymmetric Hertzian fractureproblem of a semi-in?nite body, as shown in Fig.1,where r and z are the cylindrical coordinate, cis the contact radius, a is the pre-existing ringcrack radius, and h is the crack depth. A sphericalindenter with radius R is applied to the surfaceof the semi-in?nite space with a normal load, P .The material is assumed to be isotropic and lin-early elastic, with Young’s modulus E and Pois-son’s ratio ν, while the indenter is assumed to berigid. Fig. 1 Hertzian fracture problem.The relative normal and shear displacements along the ring crack surfaces can be quantitatively de-scribed by the pile-up of Somigliana ring dislocations[10]. Hence, the fracture problem is reduced tosolving a radial edge ring dislocation of unit intensity and an axial glide ring dislocation of unit intensity,as shown in Fig.1. First, we de?ne the dislocation density functions at any point z = z along the cracksurface asf (z ) = ?g(z ) = ??(u+ ? u?)?z?(u+ ? u?)?z(1)(2)The stress ?elds along the ring crack surfaces can be integrated asσrr(a, z) =σrz (a, z) =00hhAA00hhRR(3)(4)where σijA and σijR are the stress ?elds[10] at (a, z) due to an axial glide ring dislocation and a radialring dislocation, with unit Burgers vectors at (a, z ), respectively.Consider the traction-free boundary conditions on the ring crack surfaces, the stress ?elds in Eqs.(3)and (4) need to be equilibrated by the stress ?elds at r = a that are induced by the indentation forceP in the absence of the ring crack[11]. Thus, one haswherePP(0 < z < h)(0 < z < h)(5)(6)P (1 ? 2ν)3ρ2 1 ?ζu3 ζu√ 1uu1+ u + u2 + ζ 2ζ 2? 2 p0(7)Ps u(1 + u) p0 (8)p0 =3P2πc2, ρ = ac, ζ = zc (9)s = [ζ 2 + (ρ ? 1)2] [ζ 2 + (ρ + 1)2] (10)= ?σrr(a, z)= ?σrz (a, z)→h→hh a KIpm ch a KIIpm cc c,h a 3π3Rγ ?1 h a· 476 · ACTA MECHANICA SOLIDA SINICA 2009u = 12(ρ2 + ζ 2 ? 1 + s) (11)Equations (5) and (6) can be further transformed to the following Cauchy singular integral equations:μ2π(1 ? ν) 0h g(z )z ? z dz + 0hQr11(z ? z )g(z )dz +0hQa12(z ? z )f (z )dz P (12)μ2π(1 ? ν) 0h f (z )z ? z dz + 0hQa22(z ? z )f (z )dz +0hQr21(z ? z )g(z )dz P (13)where the Fredholm kernels Qij ( ) are given in Ref.[10].By means of the numerical method developed by Erdogan[12], the stress intensity factors KI andKIIand the strain energy release rate G can be obtained asKI = zlim+KII = zlim+2π(z ? h)σrr(a, z)2π(z ? h)σrz (a, z)(14)(15)G = 1 ? ν 2E (KI2 + KII2 ) (16)In Hertzian fracture tests, crack initiation occurs always outside the contact area, and the crackinitiation radius is signi?cantly dependent on both the surface ?aw size and the indenter-induced stressdistribution near the contact edge. In our model, for a given initial ring crack with size h, we determinethe corresponding crack radius a by using the criterion of maximal strain energy release rate G. Forconvenience, we normalize the stress intensity factors and strain energy release rate as follows:K1K2,c c,c c==√√(17)(18)φh a,c c =π3c3 E4P 2 1 ? ν 2G (19)where pm is the mean stress on the contact area and is expressed bypm =Pπc2(20)Using the relation[11]c3 = 3(1 ? ν 2)4E PR (21)the normalized strain energy release rate in Eq.(19) can be simpli?ed asφh a, =3π3R16P G (22)For a critical indentation force PC at which the crack begins to grow, one hasG = 2γ = 4PC2 (1 ? ν 2)π3c3E φh ac c (23)PC =π3Eγ2(1 ? ν 2) φ?1/2 ,c c c3/2 = 8 φ ,c c (24)where γ is the surface energy of the indented material.Vol. 22, No. 5 Jing Liu et al.: E?ects of Poisson’s Ratio on Scaling Law in Hertzian Fracture · 477 ·III. NUMERICAL RESULTS AND DISCUSSIONSFor instance, numerical calculations have been conducted for an optical glass with the followingelastic constants[3]: E = 8.0 × 1010 Pa and ν = 0.22. In the calculations, we take ν = 0.26, 0.32 and0.36 to evaluate the e?ect of the Poisson’s ratio of the indented material on the fracture scaling law.In the case of ν = 0.22, we have obtained a fracture scaling law in our previous paper[10], asshown in Fig.2, where the Auerbach constant is A = 4.65 × 103γ. The corresponding scaling law,PC = 4.65 × 103Rγ, was demonstrated to be e?ective in the range of 0.02 < h/c < 0.1. Comparingwith Mouginot’s scaling law[3], PC = 6.7 × 103Rγ, we concluded that they underestimated the surfaceenergy by about 30%. For the representative values of the Poisson’s ratio, we obtain the scaling laws,the Auerbach constant, and the corresponding validation scopes asPC = 4.65 × 103Rγ, A = 4.65 × 103γ, 0.02 < h/c < 0.10 for ν = 0.22,PC = 7.28 × 103Rγ, A = 7.28 × 103γ, 0.02 < h/c < 0.08 for ν = 0.26,PC = 18.7 × 103Rγ, A = 18.7 × 103γ, 0.02 < h/c < 0.06 for ν = 0.32,PC = 36.3 × 103Rγ, A = 36.3 × 103γ, 0.02 < h/c < 0.04 for ν = 0.36,as shown in Figs.2-5, respectively. The results above show that there always exists an e?ective Auerbachdomain for a given Poisson’s ratio. The surface energy can be measured by virtue of the fracture scalinglaw which is consistent with empirical Auerbach’s law. As the e?ect of Poisson’s ratio is concerned, itcan be found that the fracture scaling law greatly depends on the magnitude of Poisson’s ratio, and thistendency was also found in Mouginot’s work[3]. On the other hand, the e?ective Auerbach domain willdecrease with the increase in the Poisson’s ratio of the measured material. In summary, the dependenceof the scaling law on Poisson’s ratio indicates that a larger Poisson’s ratio enhances the failure-resistingability of the material by accommodating larger elastic deformation.Fig. 2. Normalized strain energy release rate φ?1/2 (h/c)versus the crack size h/c when the Poisson’s ratio ν = 0.22.Fig. 4. Normalized strain energy release rate φ?1/2 (h/c)versus the crack size h/c when the Poisson’s ratio ν = 0.32.Fig. 3. Normalized strain energy release rate φ?1/2(h/c)versus the crack size h/c when the Poisson’s ratio ν = 0.26.Fig. 5. Normalized strain energy release rate φ?1/2(h/c)versus the crack size h/c when the Poisson’s ratio ν = 0.36.· 478 · ACTA MECHANICA SOLIDA SINICA 2009IV. CONCLUSIONSThe e?ect of Poisson’s ratio on the fracture scaling law in the indentation of brittle materials has beenexamined by using the singular integral equation method. It is found that for a speci?ed Poisson’s ratioof the indented solid, the fracture scaling law is usually in the form of Auerbach’s empirical relation. Wedemonstrate that with the increase in the Poisson’s ratio, the Auerbach constant signi?cantly increasesand correspondingly, the e?ective Auerbach range decreases. This conclusion suggests that the role ofAuerbach’s law will be decreased in measuring the toughness of the material with a larger Poisson’sratio. However, in order to understand the physical mechanisms of failure in Hertzian contact, it isimportant to develop new methods which can be used to describe the measurable relation in Hertzianfracture test.References[1] Lawn,B., Fracture of Brittle Solids. Cambridge: Cambridge University Press, 1993.[2] Auerbach,F., Measurement of hardness. 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[10] 李云主.機(jī)械制造及設(shè)備指導(dǎo)手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1997. 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表學(xué)號(hào) 2008963224 姓名 張 海 海 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：立式銑床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。綜合評(píng)價(jià)同學(xué)在立式銑床-橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì)中表現(xiàn)良好、工作刻苦，按時(shí)完成老師布置的任務(wù)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇上難題時(shí)積極查閱資料，同時(shí)積極向老師詢問(wèn)。該生具有很強(qiáng)的動(dòng)手能力和好奇心，已經(jīng)具備獨(dú)立工作的能力。希望該生在以后的工作中繼續(xù)保持不驕不躁的精神，把理論知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐很好的結(jié)合，為祖國(guó)做出更大的貢獻(xiàn)。評(píng)閱人： 年 月 日 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)學(xué)號(hào)： 2008963224 姓名： 張 海 海 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 52 頁(yè) 圖 表 8 張論文（設(shè)計(jì)）題目： 立式銑床橫向工作臺(tái)設(shè)計(jì) 內(nèi)容提要： 本次課題主要對(duì)橫向工作臺(tái)的齒輪、絲桿、螺母、機(jī)動(dòng)換向、機(jī)動(dòng)進(jìn)給、手動(dòng)進(jìn)給、手動(dòng)操作等設(shè)計(jì)計(jì)算。本次課題設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分。第一部分：為設(shè)計(jì)計(jì)算部分，主要對(duì)工作臺(tái)的絲杠和傳動(dòng)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、第二部分為圖紙部分，主要由設(shè)計(jì)參數(shù)畫出具體的圖紙；第三部分為說(shuō)明書部分，主要通過(guò)文字表達(dá)設(shè)計(jì)的思路與結(jié)果。由于之前沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，難于動(dòng)手，通過(guò)指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助，在不斷的嘗試中逐步的了解了本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容。通過(guò)老師的鼓勵(lì)和教導(dǎo)我也逐步明白了此次設(shè)計(jì)的真正含義。即：1.要有正確的設(shè)計(jì)思想并勇于探索創(chuàng)新；2.掌握通用零件的設(shè)計(jì)原理、方法和一般規(guī)律，進(jìn)而綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，研究改進(jìn)或開發(fā)新的基礎(chǔ)件及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)械 的能力；3.具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力；4.掌握典型機(jī)械零件的試驗(yàn)方法，獲得試驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練；5.了解國(guó)家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，并對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的新發(fā)展有所了解。通過(guò)這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手畫圖的能力大大的提高，極大地提高了我的獨(dú)立解決事情的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了很多以前沒(méi)有預(yù)料到的問(wèn)題，一直重復(fù)著去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。提高了自己獨(dú)立的思考和解決問(wèn)題的能力；最重要的是提升了自己的自信心，以前覺(jué)得自己不能完成的事情一件一件逐漸實(shí)現(xiàn)，開始真正的體會(huì)到學(xué)以致用。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)同學(xué)所設(shè)計(jì)的銑床橫向工作臺(tái)的設(shè)計(jì)基本符合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的基本要求，加強(qiáng)了對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)生在工程設(shè)計(jì)方面的訓(xùn)練，難度和工作量達(dá)到基本要求。該生在設(shè)計(jì)中掌握了查閱文獻(xiàn)、利用相關(guān)資料和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力，具備了較強(qiáng)的機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的能力，具有較好計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。他的設(shè)計(jì)計(jì)算合理并且具有一定的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)的圖紙有一定的難度并且能夠完成，設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書的內(nèi)容表述也基本正確?？傊?，該生基本具備了獨(dú)立工作和解決問(wèn)題的能力。同意其參加答辯，建議成績(jī)?cè)u(píng)定為： 指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日答辯委員會(huì)意見(jiàn)答辯委員會(huì)主任： 年 月 日目 錄摘 要 .................................................................................................................3Abstract..................................................................................................................3第一章 緒 論 .......................................................................................................41.1 金屬切削機(jī)床的簡(jiǎn)介 ..............................................................................41.2中國(guó)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ..................................................41.3中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ..........................................71.4 設(shè)計(jì)的主要參數(shù) ....................................................................................10第二章 橫向進(jìn)給主要設(shè)計(jì)計(jì)算 .......................................................................112.1 絲桿和螺母的選擇 .................................................................................112.2 絲杠的計(jì)算 ............................................................................................112.3 直齒輪的設(shè)計(jì) .......................................................................................142.4 直齒輪的計(jì)算 ........................................................................................172.5 錐齒輪的計(jì)算 ........................................................................................21第三章 工作臺(tái)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...........................................................................233.1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) ........................................................................................233.2 離合器的設(shè)計(jì) ........................................................................................243.3 操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ....................................................................................24致 謝 ...............................................................................................................26參考文獻(xiàn) .............................................................................................................27附 錄:英文文獻(xiàn)翻譯 ......................................................................................283摘 要銑床，這是目前我國(guó)使用較廣泛的通用機(jī)床。這種機(jī)床可以安裝各種類型的銑刀，適宜于對(duì)中小型零件進(jìn)行各種銑削工作，如銑平面、階臺(tái)、溝槽、螺旋槽和成型面等等。在同類型銑床中，它的轉(zhuǎn)速高、剛度好、功率大，故可做高速銑削和強(qiáng)力銑削；工作臺(tái)縱向絲杠有間隙調(diào)整裝置，因此它既能逆銑又能順銑。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為銑床橫向進(jìn)給工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。關(guān)鍵詞 銑床 工作臺(tái) 橫向AbstractThe design of the milling machine for vertical milling machine, which is widely used as the general machines. This machine can be installed with various types of cutters, suitable for small parts of various jobs, such as milling machine, milling, planar slot and molding, spiral groove surface etc. In the same type of milling machine, it's high speed, good stiffness, the power can be done, high speed milling and strong milling, Workbench longitudinal ball screw gap adjusting device, so is it to the inverse milling and milling. Main design content for milling transverse into the design and calculation for table.Keywords Milling Workbench Transverse4第一章 緒 論1.1 金屬切削機(jī)床的簡(jiǎn)介金屬切削機(jī)床（習(xí)慣上簡(jiǎn)稱為“機(jī)床” ）是用刀具切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器，它是制造機(jī)器的機(jī)器，所以又稱為“工作母機(jī)”或“工具機(jī)” 。一切工具都是人手的現(xiàn)延伸，機(jī)床延生也是這樣。它的發(fā)展把人們從繁重的手工勞動(dòng)中解放出來(lái)，大大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，大大的促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。現(xiàn)代機(jī)械制造中加工機(jī)械零件的方法很多：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓等，但凡屬精度要求較高和表面粗糙度要求較細(xì)的零件，一般都需在機(jī)床上用切削的方法進(jìn)行最終加工。在一般的機(jī)器制造中，機(jī)床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占機(jī)器總制造工作量的40％-60％，機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重大作用。各種機(jī)床分類中，金屬切削機(jī)床是使用最廣泛、數(shù)量最多的機(jī)床類別，因此通常狹義的機(jī)床僅指金屬切削機(jī)床類產(chǎn)品。金屬切削機(jī)床分類方法很多，最常用的分類方法是按機(jī)床的加工性質(zhì)和所用刀具來(lái)分類；此外還可以根據(jù)車床萬(wàn)能性程度、機(jī)床工作精度、重量和尺寸、機(jī)床主要器官數(shù)目、自動(dòng)化程度不同等進(jìn)行分類。1.2中國(guó)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)金屬切削機(jī)床行業(yè)資產(chǎn)規(guī)模在機(jī)床各子行業(yè)中居第一位，遠(yuǎn)高于其他各類子行業(yè)。截止 2008年底，中國(guó)金屬切削機(jī)床制造業(yè)擁有 646家企業(yè)，比 2007年增加 133家；資產(chǎn)總額 978.72億元，比 2007年增長(zhǎng)了 17.66%。2008 年中國(guó)金屬切削機(jī)床和數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量較 2007年有所下滑，全年金屬切削機(jī)床總產(chǎn)量 61.69萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床 12.2萬(wàn)臺(tái)，同比分別降低 2.4%和 3.3%。2008 年，金屬切削機(jī)床制造業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入783.19億元，增長(zhǎng) 18.32%，但增速比 2007年下滑 9.92個(gè)百分點(diǎn)。2009 年我國(guó)首次成為世界機(jī)床第一大生產(chǎn)國(guó)，但我國(guó)機(jī)床行業(yè)大而不強(qiáng)的局面依然沒(méi)有改變，產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)、服務(wù)較國(guó)際先進(jìn)水平仍然差距很大。目前國(guó)內(nèi)所需的高檔數(shù)控機(jī)床主要依賴進(jìn)口，發(fā)展中高檔數(shù)控機(jī)床所需的數(shù)控系統(tǒng)和功能部件主要來(lái)自海外。2010 年 10月，國(guó)務(wù)院出臺(tái)的《加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》指出，積極發(fā)展以數(shù)字化、柔性化及系統(tǒng)集成技術(shù)為核心的智能制造裝備，其中以高檔數(shù)控機(jī)床為重中之重?！∧壳爸袊?guó)處于工業(yè)化中期，即從解決短缺為主的階段逐步向建設(shè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，煤炭、汽車、鋼鐵、房地產(chǎn)、建材、機(jī)械、電子、化工等一批以重工業(yè)為基礎(chǔ)的高增長(zhǎng)行業(yè)5發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。中國(guó)目前是世界第一大機(jī)床消費(fèi)國(guó)，其中數(shù)控機(jī)床逐漸成為機(jī)床消費(fèi)的主流。2010 年，中國(guó)金切機(jī)床行業(yè)會(huì)有更大的需求，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品。預(yù)計(jì) 2010年中，中國(guó)數(shù)控機(jī)床消費(fèi)有望超過(guò) 60億美元，臺(tái)數(shù)超過(guò) 10萬(wàn)臺(tái)，中高檔數(shù)控機(jī)床比例大幅增加。整個(gè)“十二五”期間，高端裝備制造業(yè)的發(fā)展將在很大程度上推動(dòng)機(jī)床行業(yè)快速增長(zhǎng)。以重型機(jī)床為例，雖然經(jīng)過(guò)近幾年技術(shù)改造和產(chǎn)品自主研發(fā)的鍛煉，無(wú)論是生產(chǎn)能力還是產(chǎn)品技術(shù)水平都有長(zhǎng)足進(jìn)步，但是與國(guó)外產(chǎn)品相比還有很大不足。最大的差距體現(xiàn)在核心運(yùn)行部件的技術(shù)水平和運(yùn)行速度、產(chǎn)品精度保持性、機(jī)床可靠性，以及整體機(jī)床制造工藝水平與質(zhì)量等幾個(gè)方面?？煽啃允歉邫n重型機(jī)床質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控重型機(jī)床的平均無(wú)故障工作時(shí)間在 300小時(shí)左右，而進(jìn)口的高檔重型機(jī)床平均無(wú)故障工作時(shí)間在 2000小時(shí)以上。隨著中國(guó)機(jī)床工具行業(yè)產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床、高端機(jī)床占比明顯增強(qiáng)，低端產(chǎn)品占比持續(xù)降低，目前機(jī)床工業(yè)國(guó)產(chǎn)化率已提升到 70%。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，機(jī)床行業(yè)高速增長(zhǎng)的同時(shí)，進(jìn)一步加快行業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，仍是我國(guó)機(jī)床工業(yè)首要而迫切的任務(wù)。除了傳統(tǒng)的發(fā)電、石化設(shè)備外，風(fēng)電、核電等新能源裝備也正成為推動(dòng)機(jī)床業(yè)快速增長(zhǎng)和技術(shù)進(jìn)步的一大動(dòng)力。業(yè)內(nèi)人士透露， “新能源裝備的加工將成為機(jī)床需求的主力，這需要多種精密、大型數(shù)控、專用機(jī)床與之配套。先進(jìn)的裝備制造工藝，尤其是先進(jìn)的機(jī)床設(shè)備是新能源裝備制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的根本保障” 。有風(fēng)電專家表示，大型風(fēng)力機(jī)組的總體設(shè)計(jì)和載荷計(jì)算能力差，控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、軸承的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力差，風(fēng)機(jī)的軸承、控制系統(tǒng)等零部件還需要從國(guó)外進(jìn)口。我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)雖然發(fā)展速度快，但真正擁有核心技術(shù)的企業(yè)不多，關(guān)鍵零部件基本依賴進(jìn)口。而制約其提升的關(guān)鍵就是國(guó)內(nèi)的制造工藝和加工裝備相對(duì)落后。核電設(shè)備制造也面臨著類似的情況。據(jù)介紹，一座核電站需要 200多臺(tái)各種類型的泵。其中主泵是位于核島心臟部位的關(guān)鍵部件，是核電運(yùn)轉(zhuǎn)控制水循環(huán)的關(guān)鍵，雖然核島主泵的結(jié)構(gòu)并不比其他泵復(fù)雜，但是要求極高，必須具有絕對(duì)的可靠性。主泵承壓部件和功能部件的加工都需要高精度性能可靠的機(jī)床設(shè)備。正是由于沒(méi)有相應(yīng)的機(jī)床加工設(shè)備，核島主泵曾長(zhǎng)期受制于人。此外，生產(chǎn)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站壓力容器等，需要萬(wàn)噸壓力機(jī)鍛壓成型。后續(xù)切削加工需要超重型數(shù)控立式車床、超重型數(shù)控臥式車床、大鏜桿多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控鏜銑床等加工設(shè)備。這些工件的價(jià)格昂貴，而且沒(méi)有備件，要求成品率必須 100%，因此對(duì)機(jī)床的可靠性和穩(wěn)定性都有很高的要求。中國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)未來(lái) 5至 10年的發(fā)展趨勢(shì)如果同樣用一句話進(jìn)行概括的話，就是要“實(shí)現(xiàn)由大而不強(qiáng)，向既強(qiáng)又大的轉(zhuǎn)變”.途徑是：轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)6構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1.市場(chǎng)變化趨勢(shì)（1）國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng) 2009年，中國(guó)機(jī)床市場(chǎng)消費(fèi)額 194.4億美元，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和市場(chǎng)需求提高，特別是來(lái)自汽車制造、高速鐵路建設(shè)、高速公路建設(shè)、綠色能源建設(shè)（太陽(yáng)能綜合利用、核電、風(fēng)電、水電；石油天然氣的開采和輸送） 、工程機(jī)械、大型飛機(jī)、支線飛機(jī)以及船舶制造等行業(yè)快速發(fā)展的拉動(dòng)，國(guó)內(nèi)機(jī)床消費(fèi)量還會(huì)有巨大的上升空間，預(yù)計(jì)年平均仍將保持兩位數(shù)增長(zhǎng)，在國(guó)際市場(chǎng)方面，中國(guó)機(jī)床產(chǎn)品的主要出口市場(chǎng)仍然是歐美和東南亞，同時(shí)新興經(jīng)濟(jì)體的需求將呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將以中低檔產(chǎn)品為主向中高檔數(shù)控機(jī)床、高檔刃量具和成套設(shè)備為主轉(zhuǎn)變。預(yù)計(jì)今后十年，中國(guó)機(jī)床出口排名有望進(jìn)入世界前三名之列。（2）市場(chǎng)需求水平提高，市場(chǎng)細(xì)分加劇在中國(guó)從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)行業(yè)核心制造領(lǐng)域?qū)?shù)控機(jī)床產(chǎn)品的需求結(jié)構(gòu)和水平將發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)在：陸路交通及交通工具制造業(yè)將成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重點(diǎn)，其中汽車制造業(yè)將快速發(fā)展，預(yù)計(jì) 2020年產(chǎn)量達(dá)到 1500萬(wàn)輛以上，排名將躍居世界第一。為滿足節(jié)能、環(huán)保、安全的需要，所需設(shè)備的精度、效率和自動(dòng)化要求將大幅度提高。高速鐵路建設(shè)也將全面展開，貨運(yùn)專線網(wǎng)絡(luò)初具規(guī)模，最高時(shí)速將達(dá)到 300公里以上。在以上建設(shè)中，不僅需要大量通用數(shù)控機(jī)床，而且還需要大量專用數(shù)控加工設(shè)備，尤其是成套生產(chǎn)線。這些都將提升中國(guó)機(jī)床市場(chǎng)的需求水平。航空制造業(yè)將以發(fā)展支線飛機(jī)為重點(diǎn)，同時(shí)啟動(dòng)大飛機(jī)的研制，重視發(fā)展通用飛機(jī)、民用直升機(jī)和轉(zhuǎn)包生產(chǎn)，初步實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化；航天制造業(yè)以發(fā)展載人航天與探月工程、大容量通信衛(wèi)星、新一代大推力無(wú)毒無(wú)污染運(yùn)載火箭、高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)為重點(diǎn)。從以上幾個(gè)領(lǐng)域的需求可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)十年中國(guó)機(jī)床市場(chǎng)需求將向更高的水平發(fā)展，同時(shí)市場(chǎng)細(xì)分也將越來(lái)越明顯。2.產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)（1）產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大，產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平提升趨勢(shì)明顯。中國(guó)機(jī)床行業(yè)目前產(chǎn)品門類比較齊全、具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和制造能力，在強(qiáng)勁市場(chǎng)需求拉動(dòng)下，產(chǎn)業(yè)的上升空間很大。在政府主管部門的合理規(guī)劃和支持下，中國(guó)機(jī)床行業(yè)的整體技術(shù)水平提升趨勢(shì)十分明顯。（2）高中低需求將長(zhǎng)期存在，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)能將逐步優(yōu)化中國(guó)機(jī)床產(chǎn)品目前數(shù)控化7率還比較低，地區(qū)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展也不平衡，多種經(jīng)濟(jì)形式將長(zhǎng)期存在，這些因素都決定未來(lái)中國(guó)機(jī)床市場(chǎng)的高中低需求將長(zhǎng)期存在。但經(jīng)歷本次國(guó)際金融危機(jī)后，隨著市場(chǎng)需求的提升，裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整也成為行業(yè)共識(shí)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)中低檔產(chǎn)品市場(chǎng)需求將逐步下降，高檔產(chǎn)品需求將快速增長(zhǎng)。（3）行業(yè)內(nèi)將會(huì)涌現(xiàn)出一批大而強(qiáng)、小而精或小而專的企業(yè)以研制重型機(jī)床、加工中心、數(shù)控車床、精密磨床、齒輪加工機(jī)床、電加工機(jī)床和鍛壓機(jī)床為代表的大型企業(yè)集團(tuán)或?qū)I(yè)化企業(yè)將逐漸形成并得到快速發(fā)展。產(chǎn)業(yè)的國(guó)際化水平將進(jìn)一步提升，預(yù)計(jì)未來(lái)十年內(nèi)進(jìn)入世界機(jī)床百?gòu)?qiáng)的企業(yè)將增至十家以上。（4）產(chǎn)業(yè)地域分布更趨合理，產(chǎn)業(yè)聚集度將進(jìn)一步提高隨著國(guó)家區(qū)域經(jīng)濟(jì)規(guī)劃的逐步落實(shí)，特別是市場(chǎng)配置資源手段在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中作用的顯現(xiàn)，機(jī)床行業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局將呈現(xiàn)地域分布的特點(diǎn)。未來(lái)將形成以東北、西北、華東、西南、江浙等地區(qū)為代表的機(jī)床產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，在集聚區(qū)內(nèi)圍繞特色產(chǎn)品或機(jī)床產(chǎn)業(yè)集團(tuán)將形成支撐產(chǎn)業(yè)群3.技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（1）技術(shù)研究模式轉(zhuǎn)變，市場(chǎng)需求拉動(dòng)成為主導(dǎo)中國(guó)機(jī)床行業(yè)技術(shù)研究模式將從跟隨式向探索式、從被動(dòng)式到自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，研究主體從單一向多元轉(zhuǎn)變，市場(chǎng)需求成為研究的主要?jiǎng)恿ΑＨ绯匦妄堥T車銑復(fù)合機(jī)床、加工直徑 28米立式車床等產(chǎn)品都是在國(guó)內(nèi)不斷提高的市場(chǎng)需求下研制成功的。因此，在市場(chǎng)需求拉動(dòng)下，中國(guó)機(jī)床行業(yè)的研究模式將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。（2）技術(shù)投入多元化，技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟將發(fā)揮主導(dǎo)作用在國(guó)家投資繼續(xù)發(fā)揮導(dǎo)向性作用的同時(shí)，企業(yè)自籌資金、社會(huì)化融資、外資將成為技術(shù)投入的重要組成部分。以企業(yè)為龍頭、高校和科研院所參與形成的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)和同行業(yè)企業(yè)組成的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟將發(fā)揮主導(dǎo)作用。（3）技術(shù)研究的國(guó)際化程度提高，人才全球化配置趨勢(shì)明顯由于研究模式的轉(zhuǎn)變和研究投入的多元化，中國(guó)機(jī)床行業(yè)的技術(shù)研究國(guó)際化參與度將顯著提升。這將主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是更多的企業(yè)開始與國(guó)際領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)或公司合作研究；二是更多的企業(yè)有能力為國(guó)際機(jī)床用戶提供技術(shù)服務(wù)。1.3中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令） ，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。加工精度高，具有穩(wěn)定的加工8質(zhì)量，可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件，加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通機(jī)床的 3~5倍） ，機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控機(jī)床已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制并在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，在模具制造行業(yè)的應(yīng)用尤為普及。 針對(duì)車削、銑削、磨削、鉆削和刨削等金屬切削加工工藝及電加工、激光加工等特種加工工藝的需求，開發(fā)了各種門類的數(shù)控加工機(jī)床。數(shù)控機(jī)床種類繁多，一般將數(shù)控機(jī)床分為 16大類：數(shù)控車床(含有銑削功能的車削中心) 數(shù)控銑床(含銑削中心) 數(shù)控鏗床 以銑程削為主的加工中心． 數(shù)控磨床(含磨削中心) 數(shù)控鉆床(含鉆削中心) 數(shù)控拉床 數(shù)控刨床 數(shù)控切斷機(jī)床 數(shù)控齒輪加工機(jī)床 數(shù)控激光加工機(jī)床 數(shù)控電火花線切割機(jī)床 數(shù)控電火花成型機(jī)床(含電加工中心) 數(shù)控板村成型加工機(jī)床 數(shù)控管料成型加工機(jī)床 其他數(shù)控機(jī)床中國(guó)于 1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，發(fā)展過(guò)程大致可分為兩大階段。在1958～1979 年間為第一階段，從 1979年至今為第二階段。第一階段中對(duì)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識(shí)，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過(guò)關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無(wú)法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問(wèn)題是盲目性大，缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國(guó)、臺(tái)灣省共 11國(guó)(地區(qū))引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問(wèn)題，數(shù)控機(jī)床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。在 20余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)有較9大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)的人才；通過(guò)合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計(jì)、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過(guò)利用國(guó)外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計(jì)及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動(dòng)加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，但對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動(dòng)化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國(guó)外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機(jī)床的水平差距很大。存在的主要問(wèn)題包括：缺乏像日本“機(jī)電法” 、 “機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。中國(guó)今后要加速發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，既要深入總結(jié)過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，切實(shí)改善存在的問(wèn)題，又要認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，沿正確的道路前進(jìn)。中國(guó)廠多人眾，極需正確的方針、政策對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)行有力的指引。應(yīng)學(xué)習(xí)美、德、日經(jīng)驗(yàn)，政府高度重視、正確決策、大力扶植。在方針政策上，應(yīng)講究科學(xué)精神、經(jīng)濟(jì)實(shí)效，以切實(shí)提高生產(chǎn)率、勞動(dòng)生產(chǎn)率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學(xué)習(xí)日本，首先解決量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，批量生產(chǎn)，占領(lǐng)市場(chǎng)，減少進(jìn)口，擴(kuò)大出口。在步驟措施上，必須使國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn)、可靠，狠抓產(chǎn)品質(zhì)量與配套件過(guò)關(guān)，打好技術(shù)基礎(chǔ)。近期重在打基礎(chǔ)，建立信譽(yù)，擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額，遠(yuǎn)期謀求趕超世界先進(jìn)水平，大步走向世界市場(chǎng)； 必須狠抓根本，堅(jiān)持“以人為本” ，加速提高人員素質(zhì)、培養(yǎng)各種專家人才，從根本上改變目前低效、落后的狀態(tài)。人是一切事業(yè)成敗的根本，層層都要重視“培才、選才、用才” ，建立學(xué)習(xí)型企業(yè)，樹立企業(yè)文化，加速培育新人，培訓(xùn)在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術(shù)講座、訓(xùn)練班和專題討論會(huì)，甚至聘請(qǐng)外國(guó)專家、顧問(wèn)等，盡力提高數(shù)控技術(shù)。當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上相互展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，已形成一條無(wú)形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在 20世紀(jì) 80年代以後加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國(guó)際機(jī)床展上各國(guó)機(jī)床制造商競(jìng)相展示先進(jìn)技術(shù)、爭(zhēng)奪用戶、擴(kuò)大市場(chǎng)的焦點(diǎn)。中國(guó)加入 WTO后，正式參與世界市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而又艱巨的任務(wù)。 101.4 設(shè)計(jì)的主要參數(shù)本次設(shè)計(jì)的機(jī)床的主要技術(shù)規(guī)格如下：（1） 工作臺(tái)工作面積（寬 長(zhǎng)） 320 1250 mm??（2） 工作臺(tái)最大行程（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)）縱向 700\680 mm橫向 255 \240 mm垂向 320 \300 mm（3） 工作臺(tái)最大回轉(zhuǎn)角度 45° （4） 工作臺(tái) T型槽 （寬度×距離×條數(shù)） 18 mm×70 mm×3 （5） 主軸孔錐度 7：24（6） 主軸軸心線至橫梁的距離 30 mm（7） 床身垂直導(dǎo)軌至工作臺(tái)中心的距離最大 470 mm最小 215 mm（8） 主軸轉(zhuǎn)速 18 級(jí) 30~1750 r \min（9） 工作臺(tái)工作進(jìn)給量 18 級(jí)縱向、橫向 23.5~1500 mm \min垂向 8~400 mm \min（10） 主電動(dòng)機(jī)（功率×轉(zhuǎn)速） 7.5KW×1410 r \min（11） 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)（功率×轉(zhuǎn)速） 1.5KW×1410 r \min（12）最大載重量 500Kg11第二章 橫向進(jìn)給主要設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 絲桿和螺母的選擇絲桿主要用于傳導(dǎo)，且使用頻繁，要求耐用并且精確高，所以根據(jù)以上要求選擇40Cr為絲桿材料。螺母比絲桿的要求略低，選用錫青銅 ZQSn10-1進(jìn)行絲桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定軸的合理外形和全部的結(jié)構(gòu)尺寸。決定絲桿結(jié)構(gòu)的主要因素：1.軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；2.軸上零件的安裝尺寸、數(shù)量、連接方式等；3.載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；4.軸的加工工藝等。由于對(duì)軸加工的影響因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式有要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)不同情況進(jìn)行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)該滿足：軸和安裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；而且軸應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)度疲勞計(jì)算和校核，同時(shí)軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。2.2 絲杠的計(jì)算電機(jī)傳動(dòng)到絲桿則經(jīng)過(guò)了十對(duì)齒輪的傳動(dòng)，則設(shè)經(jīng)過(guò)每對(duì)齒輪的傳動(dòng)效率 =0.99而1?經(jīng)過(guò)每對(duì)齒輪的傳動(dòng)比分別為:i1=26/44；i 2=24/64；i 3=18/36；i 4=18/40；i 5=13/45；i 6=40/40；i 7=28/35；i 8=18/33；i 9=33/37；i 10=37/33。而橫向絲桿的最小進(jìn)給量Smin=1410r/minX26/44X24/64X18/36X18/40X13/45X40/40X28/35X18/33X33/37X37/33X6 =23.5 r/min （2-1）由此可知：12N 絲 =N 電 X I 總 = 3.92 r/min （2-2）P 絲 =P電 X =1.5X0.895 =1.3425 （2-3）總?則可計(jì)算處絲杠的扭矩為：（2-4）661027.3105.9T????絲 絲NP查<<機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》有絲桿的螺紋的牙型角 a=30 0切切切 F28.atnd??F(2-5)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》對(duì)于梯形螺紋有 h=0.5Pd =0.8(2-6 ) 2?][PhF???][F式中： 在傳動(dòng)精度較高，載荷較大，壽命長(zhǎng)時(shí)，取? 4?為材料的許用壓力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 可得 =22Mpa ][P??1][(2-7)m8.3p.0d23??軸F可以取 d =39 mm，滿足 d 的要求。22根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取其公稱直徑 d=42 mm查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 ??1外螺紋 d 1 =42 mm中徑 d =39 mm2內(nèi)螺紋大徑 D =43mm4內(nèi)螺紋小徑 D =36mm1（3）絲桿強(qiáng)度計(jì)算由扭矩13T=F tan（ ）（2-8）0V??2d查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 得，對(duì)于 M10~M16普通螺紋取 tan =0.17??1 vcos =（2-9）?Dd?已知 D=100mm t=25mmcos = =0.52所以 tan =1.732?查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 得， =900Mpa??1s?（2-10）NAFs 7.831545.90)6.~5()6.0~5( 210 ??????T=F tan（ ） =831353.77 =54346955.41(Pa) （2-11）0V??2d07.13.??危險(xiǎn)截面 = =（2-12）ca?)4(3112dTFA][??s式中：A---是絲桿的最小截面積A=（2-13）24?=ca?)(3112dTFA?MPa.?所以 ca?][?結(jié)論是之前取的絲桿數(shù)據(jù)符合強(qiáng)度要求（4）絲桿強(qiáng)度計(jì)算由于螺母的材料強(qiáng)度小于絲桿，故只需要校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度螺紋牙危險(xiǎn)截面 a—a的彎曲強(qiáng)度條件為（2-14）][62buDlF??????式中：b---螺紋牙根部的厚度，mm，對(duì)于梯形螺紋，b=0.65P14l---彎曲力臂，mm，l= 2D?[ ]---螺母材料的許用切應(yīng)力?[ ]---螺母材料的許用彎曲應(yīng)力b?所以=6.045ubDlF??26??][b??取 =30][b?所以l=P =8 30=240mm][b?所以左螺母和右螺母分別為 120mm調(diào)整螺母定為 20mm（5）絲桿的穩(wěn)定性計(jì)算臨界載荷 Fcr可以按歐拉公式計(jì)算Fcr=（2-15）2lIE???式中：E---絲桿材料的拉壓彈性模量，Mpa，E=2.06 Mpa510I---絲桿危險(xiǎn)截面的慣性矩，I= ，mm641d?4所以：Fcr= =1400（KN）2lIE??Fcr/F=1400/340=4.2 S =2.5~4.0?s所以得出結(jié)論：絲桿的穩(wěn)定性可靠。2.3 直齒輪的設(shè)計(jì)（1）車床齒輪的設(shè)計(jì)目的和方法在主軸箱的傳動(dòng)中用到齒輪，齒輪在傳動(dòng)中起到關(guān)鍵的橋梁作用，也就是說(shuō)齒輪設(shè)計(jì)15的好壞關(guān)系到主傳動(dòng)的成敗。在齒輪的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該了解到齒輪的主要失效形式以及設(shè)計(jì)齒輪的準(zhǔn)則，使其滿足工作條件的要求而且要經(jīng)久耐用，然后要選擇齒輪材料以及各種材料的性能和硬度剛度等性質(zhì)，以及所要采取的熱處理方法，因?yàn)楹线m的熱處理能夠提高材料的各種特性，而且簡(jiǎn)要了解齒輪的各種加工方法，以便為主軸箱齒輪選擇合適的加工方法。齒輪最容易發(fā)生齒根折斷和疲勞失效，故推導(dǎo)出兩種失效的計(jì)算方法，以便為后面齒輪的設(shè)計(jì)找出理論依據(jù)。在最后具體設(shè)計(jì)主軸箱的齒輪，使設(shè)計(jì)的齒輪既滿足要求，又不浪費(fèi)材料，方面合理。（2） 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一,型式很多,應(yīng)用廣泛,傳動(dòng)的功率可達(dá)近十萬(wàn)千瓦,圓周速度可達(dá) 200m/s。齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有:1） 效率高,在常用的機(jī)械傳動(dòng)中,以齒輪傳動(dòng)的效率為最高。如一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá) 99%.這對(duì)大功率傳動(dòng)十分重要,因?yàn)榧词剐手惶岣?1%,也有很大的經(jīng)濟(jì)意義。2） 結(jié)構(gòu)緊湊,在同樣的使用條件下,齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。3） 工作可靠,壽命長(zhǎng)。設(shè)計(jì)制造正確合理,使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng),工作十分可靠,壽命可達(dá)一、二十年,這也是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)車輛及礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。4） 傳動(dòng)比穩(wěn)定。 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的最基本的要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用,也就是由于這一基本原因。根據(jù)以上齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊而且傳動(dòng)效率高。（3） 齒輪的失效形式1） 輪齒折斷齒輪工作時(shí)；若輪齒危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過(guò)材料所允許的極限值，輪齒將發(fā)生折斷。具體如下圖所示。圖2-1 齒面折斷162） 齒面磨損互相嚙合的兩齒廓表面間有相對(duì)滑動(dòng)，在載荷作用下會(huì)引起齒面的磨損。尤其是在開式齒輪傳動(dòng)中，由于灰塵、砂粒等硬顆粒容易進(jìn)入齒面間而發(fā)生磨損.齒面嚴(yán)重磨損后，輪齒將失去正確的齒形，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重噪音和振動(dòng)，影響輪齒正常工作，最終使傳動(dòng)失效。采用閉式傳動(dòng)，減小齒面粗糙度值和保持良好的潤(rùn)滑可以減少齒面磨損。3） 齒面點(diǎn)蝕在潤(rùn)滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)中，當(dāng)齒輪工作了一定時(shí)間后，在輪齒工作表面上會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小的凹坑，稱為點(diǎn)蝕.點(diǎn)蝕的產(chǎn)生主要是由于輪齒嚙合時(shí)，齒面的接觸應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，在這種脈動(dòng)循環(huán)變化接觸應(yīng)力的多次重復(fù)作用下，由于疲勞，在輪齒表面層會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋的擴(kuò)展使金屬微粒剝落下來(lái)而形成疲勞點(diǎn)蝕，具體如下圖所示。圖2-2 齒面點(diǎn)蝕4）齒面膠合在高速重載傳動(dòng)中，由于齒面嚙合區(qū)的壓力很大，潤(rùn)滑油膜因溫度升高容易破裂，造成齒面金屬直接接觸，其接觸區(qū)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，致使兩輪齒表面焊粘在一起，當(dāng)兩齒面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使較軟的齒面金屬被撕下，在輪齒工作表面形成與滑動(dòng)方向一致的溝痕，這種現(xiàn)象稱為齒面膠合.具體如下圖所示。圖2-3 齒面膠合175）塑性變形在重載的條件下，較軟的齒面上表層金屬可能沿滑動(dòng)方向滑移，出現(xiàn)局部金屬流動(dòng)現(xiàn)象，使齒面產(chǎn)生塑性變形，齒廓失去正確的齒形.在起動(dòng)和過(guò)載頻繁的傳動(dòng)中較易產(chǎn)生這種失效形式。（4）齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下,必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力,以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。針對(duì)上述各種工作情況及失效形式,都應(yīng)分別確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但是對(duì)于齒面磨損、塑性變形等,由于尚未建立起廣為工程使用而且行之有效的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),所以目前設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí),通常只按保證只按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。由實(shí)踐得知,在閉式齒輪傳動(dòng)中,通常以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。但對(duì)于齒面硬度很高,齒芯強(qiáng)度又低的齒輪(如用 20、20Cr 鋼經(jīng)滲碳后淬火的齒輪)或材質(zhì)較脆的齒輪,通常則以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。如果兩齒輪均為硬齒面且齒面硬度一樣高時(shí),則視具體情況而定。開式（半開式)齒輪傳動(dòng),按理應(yīng)根據(jù)保證齒面抗磨損及齒根抗折斷能力兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,但如前所述,對(duì)齒面抗磨損能力的計(jì)算迄今尚不夠完善,故對(duì)開式(半開式)齒輪傳動(dòng),目前僅以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了延長(zhǎng)開式(半開式)齒輪傳動(dòng)的壽命,可視具體需要而將所求得的模數(shù)適當(dāng)增加。2.4 直齒輪的計(jì)算（1）選定精度等級(jí)、材料及齒數(shù)：1）確定齒輪類型兩齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪。2）材料選擇采用硬齒面?zhèn)鲃?dòng)，大、小齒輪材料都為 20CrMnTi調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為55~60HRC。銑床為一般工作機(jī)器，速度不高，選用 7級(jí)制造精度。小齒輪齒數(shù)為 33，大齒輪齒數(shù)為 37，傳動(dòng)比為 i =37/33=1.12因?yàn)樗俣鹊蜁r(shí)轉(zhuǎn)矩更大，所以在設(shè)計(jì)此對(duì)齒輪傳動(dòng)時(shí)以低轉(zhuǎn)速時(shí)的參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 10-9a進(jìn)行試算即：d ≥2.32 （2-16）t132Hd1]u[??EZKT）（ ?確定公式中的各計(jì)算數(shù)值：18a、由設(shè)計(jì)對(duì)象知外嚙合時(shí)公式中的正負(fù)號(hào)取正號(hào)b、對(duì)于直齒圓柱齒輪，試選 K =1.3tc、計(jì)算小齒輪的轉(zhuǎn)矩：T =11605.9nP?其中 P = P =1.5 Kw× × =1.343 Kw；；?92634電 98.02.n = = =3.92 r/min11430852ii背電 1.835.346.2.67n???電代入數(shù)據(jù)得：T = =3.27 N·mm （2-17）1920.315660d、根據(jù)齒輪的裝置狀況，查教材表 10-7中選取齒寬系數(shù) =0.3d?--3)金屬切削機(jī)床齒輪傳動(dòng)，若傳遞功率不大時(shí) 可取到 0.2e、根據(jù)配對(duì)齒輪的材料類型為鍛鋼-鍛鋼，由教材表 10-6查得的彈性影響系數(shù)Z =189.8 MPaEf、由教材圖 10-21e中并按齒面硬度查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限均為 =lim1H?=1500 Mpalim2H?g、由教材式 10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得:(已知銑床為兩班制，工作壽命為 15年)N =60 n jL =60×3.92×1×2×8×300×15=1.690 （2-18）1h 710?N = =1.508×21.0697?710h、根據(jù)齒輪的材料，熱處理方法及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查教材中圖 10-19取大、小齒輪的接觸疲勞系數(shù) K =1.13 K =1.141HN2HNi、計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取失效概率為 1%，對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、振動(dòng)增大，并不立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故安全系數(shù) S=1.由教材中式 10-12得：19= =1.13×1500=1695 Mpa1][H?SKHN1lim= =1.14×1500=1710 Mpa2][2li① 計(jì)算：a、試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 與 中較小的值：t1d2][H?1][≥2.32 = 2.32 = 148.6mm（2-t1d32Hd1]u[??EZKT）（ ?3 22695.08.158.???）（19）b、計(jì)算圓周速度為 V：V= = =0.031m/s106nt??c、計(jì)算齒寬：b= ·d =0.3×148.6=44.58mmd?t1d、計(jì)算齒寬與齒高的比：模數(shù) = = =4.5mmtm1tZ348.6齒高 h=2.25 =2.25×4.5mm=10.125mmt= =4.403hb10.2548e、計(jì)算載荷系數(shù)：根據(jù)齒輪 V=0.031m/s,且齒輪精度等級(jí)為 7級(jí)，由教材圖 10-8查得動(dòng)載系數(shù)K =1.0015；V對(duì)直齒輪有 = =1；?HFK由教材表 10-2查得使用系數(shù) K =1；A由教材表 10-4并且運(yùn)用插值法查得對(duì)于 7級(jí)精度，且兩支承相對(duì)于齒輪做非對(duì)稱布置時(shí)，取 =1.169；?H由 =7.336， =1.169查教材圖 10-13得 =1.15；hb ?F故載荷系數(shù) K= K K =1×1.0015×1×1.169=1.17AV?H?20f、按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑：由教材式 10-10a得：d = d =148.6 =143.4 mm1t3tK3.17g、計(jì)算模數(shù) m：= = =4.345 mm1Z34.1、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)：由教材式 10-5得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：m≥ （2-20）321da][FSZYKT??① 確定公式中的各個(gè)計(jì)算數(shù)值：a、由教材圖 10-20c查得兩個(gè)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限均為 = =920 Mpa2FE?1b、根據(jù)齒輪材料類型、熱處理方法及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由教材圖 10-18中取彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) =0.95 =0.961FNK2FNc、計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力對(duì)于彎曲疲勞強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生斷齒就會(huì)引起嚴(yán)重的事故，故取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4由教材式 10-12得：= = =624.29 Mpa1][F?SKFEN14.9502?= = =630.86 Mpa2][FFE2.6d、計(jì)算載荷系數(shù) K由前面查得的數(shù)據(jù)并代入表達(dá)式得：K= K K =1×1.0015×1×1.15=1.152AV?F?e、查取齒形系數(shù) 和應(yīng)力校正系數(shù) ：aYaSY查教材表 10-5取 =2.47 =2.431Fa2F查教材表 10-5取 =1.64 =1.66aSSf、計(jì)算大小齒輪的 ，并加以比較：][FY?21= =0.00651a][FSY?624.97?= =0.00642a][FS30.8由上述計(jì)算值知大齒輪的數(shù)值更大② 設(shè)計(jì)計(jì)算：m≥ = mm=4.14 mm （2-21）321da][FSZYKT??32635.010.861.?對(duì)比以上兩種設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度所算得的模數(shù) 4.345mm并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值為 4.5mm4、幾何尺寸的計(jì)算：①計(jì)算分度圓直徑：d = m×Z =4.5×32=144 mm11d = m×Z =4.5×36=162 mm22②計(jì)算中心距：a= = =153 mm21?164③ 齒輪寬度 B= · =0.3 144=43.2mmd?1?為了防止齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯(cuò)位導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增大輪齒單位齒寬的工作載荷，所以將小齒輪齒寬在圓整的基礎(chǔ)上人為地加寬 5mm，取 B =45mm，B =40mm。122.5 錐齒輪的計(jì)算1.選定齒輪精度等級(jí)、材料熱處理方式及齒數(shù)本機(jī)床工作速度、功率都不高，故選用 8級(jí)精度。選擇小齒輪材料為 40Gr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 270HBS，大齒輪材料為 45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 230HBS，二者硬度差為 40HBS。選取小齒輪齒數(shù) Z1=16，Z 2=18 125.6812?zu222.錐齒輪的選擇和校核已知錐齒輪的齒數(shù) Z=18輸入功率在經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)以后P = P =1.5 Kw× × =1.156Kw14?2電 498.02.查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 可得錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算公式??1m （2-22）?3 221][)5.0(4FRRSAFUZYKT????載荷系數(shù) K=K K