机械加工装备与方法.ppt

第2章机械加工装备与方法 机械零件 产品 的精度和表面 或装配 质量主要是靠切削加工或其他方法保证的 机械加工 装配 的设备 工艺装备和方法是保证加工 或装配 质量的基础2 1金属切削机床2 2金属切削工具2 3机械加工方法2 4机床夹具思考题与习题 2 1金属切削机床 2 1 1机床的分类与型号2 1 2机床的运动2 1 3机床的传动2 1 4机床的基本结构2 1 5几种典型机床传动系统简介2 1 6数控机床2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 2 1 1机床的分类与型号 机床的分类机床型号编制机床型号是机床产品的代号 简明地表示机床的类型 主要技术参数 性能和结构特点机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成 通用机床的型号编制 专用机床的型号编制 组合机床及自动线型号 机床的分类 按加工性质和所用刀具分类 车床 钻床铣床 镗床刨插床 拉床 磨床 锯床齿轮加工机床螺纹加工机床特种加工机床其他机床 2 1 1机床的分类与型号 通用机床专门化机床专用机床 按机床的通用性分类 按精度分类 普通机床精密机床高精度机床 2 1 1机床的分类与型号 按重量大小 仪表机床中小机床 自重在10t以下 大型机床 自重在10 30t之间 重型机床 自重在30t以上 超重型机床 按加工过程的控制方式 普通机床数控机床加工中心柔性制造单元 2 1 1机床的分类与型号 按自动化程度分类 手动机动半自动自动机床 按机床运动 执行件数目分类 单轴多轴单刀架多刀架机床 2 1 1机床的分类与型号 通用机床的型号编制 通用机床的型号 2 1 1机床的分类与型号 机床类别和分类代号 2 1 1机床的分类与型号 表2 1机床类别和分类代号 机床的组别和系别代号 机床的组别和系别代号用两位阿拉伯数字表示机床类别 组别划分见书中表2 2机床的特性代号 2 1 1机床的分类与型号 表2 3机床特性代号 机床的主参数 机床主参数是表示机床规格大小的一种参数 它直接反应出机床加工能力的大小 主参数在型号中位于组系代号之后 用数字表示 主参数的数值是实际值 单位 或实际值的1 10或1 100 机床的重大改进顺序号用字母A B C 在原机床型号的最后表示设计改进的次序 除字母I和O外 例子 2 1 1机床的分类与型号 CA6140 类代号 车床类 结构特性代号 结构特性代号 组别代号 落地及卧式车床组 系别代号 卧式车床系 主参数 最大车削直径为400 2 1 1机床的分类与型号 Y3150E 类别代号 齿轮加工机床 组别代号 滚齿机 系别代号 主参数 最大工件直径为500mm 重大改进顺序号 第一次重大改进 2 1 1机床的分类与型号 2 1 1机床的分类与型号 2 专用机床的型号编制 2 1 1机床的分类与型号 设计单位代号 组代号 设计顺序代号 例 B1 100北京第一机床厂第100种专用机床 专用铣床 组合机床及自动线型号编制 组合机床及自动线分类代号 2 1 1机床的分类与型号 2 1 2机床的运动 机床的性能方面机床的经济性方面产品定义 外观设计 结构设计 工艺设计 成本核算 质保措施 运输安装 合理使用 维修折旧 报废回收 机床的性能方面 1 工艺范围工艺范围是指机床适应不同加工要求的能力 2 加工精度机床的加工精度是指该机床加工零件表面的实际几何参数与理想几何参数的符合程度 如零件加工表面的尺寸 形状 位置及表面粗糙度 3 生产效率及自动化程度生产效率是单位时间内机床所能加工的工件数量 4 人机适应性人机适应性的基本要求是可靠 安全和舒适 2 1 2机床的运动 2 1 2机床的运动 1 工件表面的形成 工件表面的形状 工件表面的形成2 机床的基本运动 工件表面的形状如图2 1所示 这些表面按其形状可分为 旋转表面 如图中的圆锥面 圆柱面 平面成形表面 如图中由复杂运动而形成的齿轮表面 螺纹表面等 2 1 2机床的运动 1 平面 2 圆柱面 3 圆锥面 4 成形面图2 1机械零件上常见的表面 工件表面的形成 工件表面的形成原理从几何观点看 机器零件上任一表面都可以看做是一条线 母线 沿着另一条线 导线 运动的轨迹 母线和导线统称为形成表面的发生线 刀刃形状的划分方法 刀刃轨迹为发生线 线刀刃为发生线 线刀刃的包络线为发生线工件表面的形成方法轨迹法成形法相切法展成法 2 1 2机床的运动 轨迹法刀刃为切削点 它按照一定的规律沿轨迹运动而形成所需的发生线 采用轨迹法形成所需的发生线需要一个独立的成形运动 2 1 2机床的运动 a 图2 3形成发生线的四种方法 成形法 刀刃为一条切削线 它的形状和长短与需要生成的发生线的形状一致 加工时不需要专门的成形方法 便可获得所需的发生线 2 1 2机床的运动 b 图2 3形成发生线的四种方法 相切法 由于所采用加工方法的需要 刀刃为旋转刀具上的多个切削点 切削时轮流与工件表面相接触 且刀具的旋转中心按一定的规律作轨迹运动 此时各切削点的运动轨迹的包络线 相切线 就是所加工表面的一条发生线 采用相切法形成发生线需要刀具旋转和刀具与工件之间的相对移动两个独立的成形运动 2 1 2机床的运动 c 图2 3形成发生线的四种方法 展成法 如图2 3 d 所示 刀具刀刃的形状为一条切削线1 但它与需要的发生线2不相吻合 在形成发生线的过程中 展成运动3使切削刃1与发生线2相切 并逐点接触而形成与它共轭的发生线 即发生线2是切削线1的包络线 利用展成法形成发生线需要一个独立的成形运动 即刀具与工件之间不是彼此独立的 而是共同完成一个相对运动 简称展成运动 2 1 2机床的运动 d 图2 3形成发生线的四种方法 2 机床的基本运动 机床的成形运动 各类机床为进行切削加工 必须保证刀具和工件之间必要的相对运动 这些运动用来形成被加工工件的表面 称为机床的成形运动 也叫机床的工作运动 主运动 在机床的工作运动中 必有一个速度最高 消耗功率最大的运动 它是产生切削动作必不可少的运动 称为主运动 进给运动 其余的工作运动使切削得以继续进行 直至形成整个表面 这些都称为进给运动 非成形运动 切入运动 分度运动 操纵及控制运动以及辅助运动 成形运动是最基本的运动 2 1 2机床的运动 2 1 3机床的传动 1 机械传动的基本概念 机床传动的基本组成部分 机床的传动联系 传动原理图和传动系统图2 机床的传动分类 按其所采用的传动介质不同分 机械传动 液压传动 气压传动 电气传动 最常用的传动装置 传动类型的比较 机床传动的基本组成部分 动力源为了驱动机床的执行件 实现机床的运动 必须有动力来源 称为动力源 通常为电动机 包括交流电动机 直流电动机 伺服电机 变频调速电动机 步进电机等 传动件为了将动力源的动力和运动按要求传递给执行件的零件或装置 就必须有传递动力和运动的零件 称为传动件 执行件机床上直接夹持刀具或工件的并实现其运动的零部件称为执行件 2 1 3机床的传动 机床的传动联系 定义 把动力源和执行件或者执行件之间联系起来的一系列传动件 构成了一个传动联系 传动链 构成一个传动联系的一系列传动件称为传动链 分类 外联系传动链内联系传动链 2 1 3机床的传动 外联系传动链 定义 联系动力源与执行件的传动链 作用 给机床的执行件提供动力和转速 并能改变运动速度的大小和转动方向 但它不要求动力源和执行件之间有严格的传动比关系 例 用普通车床车螺纹 从电动机到主轴之间由一系列零部件构成的传动链就是外联系传动链 2 1 3机床的传动 内联系传动链 定义 联系复合运动各个分解部分的传动链 因此对传动链所联系执行件间的相对关系 相对速度和相对位移量 有严格的要求 注意 设计机床内联系传动链时 各个传动环节的传动比必须准确 不应该有摩擦传动 带传动 或瞬时传动比变化的传动件 如链传动 例 普通车床车削螺纹时 主轴和刀架的运动就构成了一个复合成形运动 联系主轴和刀架之间一系列零部件的传动链就是内联系传动链 2 1 3机床的传动 传动原理图和传动系统图 传动原理图传动系统图传动原理图和传动系统图的主要区别传动系统图上表示了该机床所有的执行运动及其传动联系 而传动原理图则主要表示与表面成形有直接关系的运动及其传动联系 传动系统图具体表示了传动链中各传动件的结构形式 如轴 齿轮 带轮等 而传动原理图则仅仅用一些简单的符号来表示运动源与执行件 执行件与执行件之间的传动联系 2 1 3机床的传动 传动原理图 定义 用一些简单的符号把运动源和执行件或不同执行件之间的传动联系表示出来的示意图 不表示实际传动机构的种类和数量 主要表示了与表面成形运动有直接关系的运动及其传动联系 图2 4为传动原理图常用符号图2 5为车床的传动原理图 2 1 3机床的传动 图2 4传动原理图常用符号 2 1 3机床的传动 图2 5车床的传动原理图 图中1 4及4 7分别代表电动机至主轴的外联系 主轴至丝杠的内联系传动链 传动链中传动比不变的定比传动部分以虚线表示 如1 2 3 4 4 5 6 7之间均代表定比传动机构 2 3及5 6之间的代号表示传动比可以改变的机构 即置换机构 2 1 3机床的传动 传动系统图 定义 表示机床全部运动的传动关系的示意图 常用国家标准所规定的符号 注意 传动系统图只表示传动关系 而不表示各零件的实际尺寸和位置 图2 6为C6132车床的传动系统 图2 7为C6132车床的传动框图 2 1 3机床的传动 图2 6C6132车床传动系统 2 1 3机床的传动 电动机 变速箱 带传动 主轴箱 主轴 变换齿轮 换向齿轮 进给箱 光杠 丝杠 溜板箱 齿轮齿条 丝杠螺母 开合螺母 工件 刀架纵向进给 刀架横向进给 刀架车螺纹进给 图2 7C6132车床的传动框图 2 1 3机床的传动 机床的机械传动 组成部分1 定比传动机构 如带传动 齿轮传动等 定义 具有固定传动比或固定传动关系的传动机构 也称为传动副 2 变速传动机构 如滑移齿轮变速机构 定义 改变机床部件运动速度的机构 3 换向机构定义 变换机床运动部件运动方向的机构 4 操纵机构 如手柄 手轮 杠杆等 定义 用来实现机床运动部件变速 换向 起动 停止 制动及调整的机构 5 箱体及其他装置 2 1 3机床的传动 机床的液压传动 机床液压传动系统的组成部分 1 动力元件 液压泵 其作用是将电动机输入的机械能转变为液体的压力能 它是一种能量转换装置 2 执行机构 液压缸或油马达 其作用是把油泵输入的压力油的运动转变为工作部件的机械运动 也是一种能量转换装置 3 控制元件 各种阀类 其作用是控制和调节油液的压力 流量 速度 及流动方向 以满足工作需要 4 辅助装置 油箱 油管 滤油器 压力表等 其作用是保证液压系统正常工作 5 工作介质 在机床中是矿物油 它是传递能量的介质 2 1 3机床的传动 气压传动 气压传动是以压缩空气作为介质 通过气动元件传递运动和动力 主要特点 动作迅速 易于实现自动化 但运动不易稳定 驱动力小 2 1 3机床的传动 电气传动 电气传动 应用电能 通过电气装置传递运动和动力 特点 电气系统比较复杂 成本较高 主要用于数控机床的伺服系统 大型和重型机床的驱动系统等 2 1 3机床的传动 5 传动类型的比较1 机械传动与液压传动 电气传动相比较2 液压传动与机械传动相比较 2 1 3机床的传动 1 机械传动与液压传动 电气传动相比较 机械传动的优点 传动比较准确 适用于定比传动 无齿带传动除外 实现回转运动的结构简单 并能传动较大扭矩 故障容易发现 便于维修 缺点 机械传动一般情况下不够稳定 当制造精度不高或磨损时 振动和噪声较大 实现变速机构较复杂 成本高 应用 主要用于速度不太高的有级变速传动中 2 1 3机床的传动 2 液压传动与机械传动相比较 液压传动优点 易于在较大范围内实现无级变速 传动平稳 便于实现频繁的换向 能自动实现过载保护 且装置简单 便于采用电液联合控制 实现自动化 机件在油中工作 润滑条件好 寿命长 液压元件易于实现系列化 标准化 通用化缺点 因为油有一定的可压缩性 并有泄漏现象 所以液压传动不适合作定比传动 2 1 3机床的传动 2 1 4机床的基本结构 基本结构主要组成部分 1 主传动部件用来实现机床主运动 例如车床 钻床 铣床的主轴箱 刨床的变速箱等 2 进给传动部件主要是用来实现机床的进给运动 也用来实现机床的调整 退刀及快速运动等 例如车床的进给箱 溜板箱 钻床 铣床的进给箱 刨床的进给机构 磨床的液压传动装置等 3 工件安装装置用来安装工件 例如普通车床的卡盘和尾架 钻床 刨床 铣床和平面磨床的工作台等 4 刀具安装装置用来安装刀具 例如车床 刨床的刀架 钻床 立式铣床的主轴 卧式铣床的刀轴 磨床磨头的砂轮轴等 5 支承件用来支承和连接机床各零部件 是机床的基础构件 例如各类机床的床身 立柱 底座 横梁等 6 动力源即电动机 为机床运动提供动力 图2 9至2 附图1分别为各类机床示意图 各类机床示意图 图2 9立式车床图2 10卧式车床的基本结构及运动图2 11万能卧式升降台铣床图2 12B6065型牛头刨床外形图图2 13Z4012型台式钻床图2 14M1432A型万能磨床图2 15龙门刨床图2 16插床图2 17卧式铣镗床图2 附图1立式加工中心 图2 9立式车床 1 底座 2 工作台 3 侧刀架 4 立柱 5 中滑板 6 刀架 各类机床示意图 立式车床 各类机床示意图 图2 10卧式车床的基本结构及运动 各类机床示意图 卧式车床 各类机床示意图 图2 11万能卧式升降台铣床 1 底座2 床身3 悬梁4 主轴5 支架6 工作台7 回转盘8 床鞍9 升降台 各类机床示意图 万能卧式升降台铣床 各类机床示意图 图2 12B6065型牛头刨床外形图 1 工作台 2 刀架 3 滑枕 4 床身 5 摆杆机构 6 变速机构 7 进刀机构 8 横梁 各类机床示意图 牛头刨床 各类机床示意图 图2 13Z4012型台式钻床 1 机座 2 8 锁紧螺母 3 工作台 4 钻头进给手柄5 主轴架 6 电动机 7 11 锁紧手柄 9 定位环 10 立柱 各类机床示意图 台式钻床 各类机床示意图 图2 14M1432A型万能磨床 1 床身 2 头架 3 内圆磨具 4 砂轮架 5 尾座 6 滑鞍 7 手轮 8 工作台 各类机床示意图 M1432A型万能磨床 各类机床示意图 图2 15龙门刨床 1 5 6 8 刀架 2 横梁 3 7 立柱 4 顶梁 9 工作台 10 床身 各类机床示意图 龙门刨床 各类机床示意图 图2 16插床 1 床鞍 2 溜板 3 圆工作台 4 滑枕 5 分度装置 各类机床示意图 插床 各类机床示意图 图2 17卧式铣镗床 1 床身 2 下滑座 3 上滑座 4 后支架 5 后立柱 6 工作台 7 镗轴 8 平旋盘 9 径向刀架 10 前立柱 11 主轴箱 各类机床示意图 卧式铣镗床 各类机床示意图 2 附图1立式加工中心 1 床身 2 滑座 3 工作台 4 立柱 5 数控柜 6 机械手 7 刀库 8 主箱 9 驱动电柜 10 操纵面板 各类机床示意图 立式加工中心 各类机床示意图 立式加工中心 各类机床示意图 2 1 5几种典型机床传动系统简介 车床概述CA6140卧式车床万能外圆磨床Y3150E型滚齿机 车床概述 车床占切削机床总数的20 35 加工范围 轴 盘套零件上内 外回转面 端面 螺纹面等 运动特征 主运动为主轴带动工件作回转运动 进给运动通常是由刀具的直线运动来实现 所用刀具 车刀 钻头 扩孔钻 铰刀 丝锥等 车床种类 卧式车床 立式车床 仿形车床 自动和半自动车床 专门化车床 曲轴 凸轮轴车床 铲齿车床等 和仪表车床 加工精度 经济加工精度IT8 IT7 表面粗糙度Ra1 25 2 5 m 2 1 5几种典型机床传动系统简介 CA6140卧式车床 机床的特点1 机床的刚性好 抗振性能强 可以进行高速切削和强力切削 2 机床操纵手柄集中 安排合理 溜板箱有快速移动机构 进给操作形象化 操作简便 省力 3 加工精度好 可达IT7级 4 大手轮刻度盘有照明装置 尾座有快速夹紧机构 方便观察和操作 5 机床外形美观 结构合理 紧凑 易清屑 保养方便 6 床身导轨 主轴椎孔及尾座套筒锥孔均作表面淬火处理 既保证使用精度也延长使用寿命 2 1 5几种典型机床传动系统简介 机床的用途 1 加工中 小型轴类 盘套类零件的内 外回转面 端面 2 加工米制 英制 模数制 径节制四种标准螺纹及加大螺距 非标准螺距螺纹等 3 进行钻孔 扩孔 铰孔 滚花 压光等 4 车削内外圆柱面 圆锥面 各种环槽 成形表面及端面 2 1 5几种典型机床传动系统简介 机床的传动系统分析 主运动传动链 2 附图 主运动传动系统图 右式为主运动传动路线表达式 进给运动传动链 车削螺纹 1 车削普通螺纹运动平衡式 S 1 58 58 33 33 63 100 100 75 25 36 u基 25 36 36 25 u倍 12 7u基u倍可得8 4 32种导程值 符合标准的只有20种 通过背轮可车24种大螺距螺纹 2 车削模数螺纹 米制蜗杆 导程为 Sm K m运动平衡式 Sm 1 58 58 33 33 64 100 100 97 25 36 u基 25 36 36 25 u倍 12 7 4u基u倍m 7u基u倍 4K 3 车削英制螺纹导程为 Sa KPa K 25 4 a运动平衡式 Sm 1 58 58 33 33 63 100 100 75 1 u基 36 25 u倍 12 4 7 25 4 u倍 u基a 7K 4 u基 u倍 扣 英寸 4 车削径节螺纹 英制蜗杆 径节DP Z D分PDP D分 Z DP吋导程为 SDP KPDP K DP 25 4mmSDP 1 58 58 33 33 64 100 100 97 1 u基 36 25 u倍 12 7 25 4 u倍 u基mmDP 7Ku基 u倍牙 英寸 5 车削非标准螺距及精密螺纹离合器M3 M4 M5全部啮合 螺纹导程靠调整挂轮传动比u挂来实现运动平衡式 主轴加工1 MPG导程 S KP非 1 58 58 33 33 u挂 12u挂 a b c d S 12 KP非 12 请单击5次 纵向 横向进给传动链 28 56 36 32 32 56 M 8 4 29 快移电动机 18 24 纵向进给 横向进给 40 30 30 48 M6 40 48 M6 手动纵向进给 33 39 39 105 刻度盘 28 80 17 80 手轮 齿轮齿条Z12 刀架纵向进给 刀架左移 40 48 40 30 M7 30 48 M7 48 48 59 18 丝杠 手把 刀架横向进给 手动横向进给 刀架后移 刀架前移 刀架右移 快速移动传送路线 刀架快速移动 在刀架作机动进给或退刀的快速移动过程时 按下快速移动电动机 0 37KW 2600r min 按钮 此时快速移动电动机运动经齿轮副13 29传动 再经后续的机动进给路线使刀架在该方向上作快速移动 松开按钮后 快速移动电动机停转 刀架仍按照原来的速度作机动进给 轴上的超越离合器M7 用来防止光杠与快速移动电动机同时传动给 轴时 出现运动干涉而损坏传动机构 2 1 5几种典型机床传动系统简介 万能外圆磨床 1 磨床概述 2 M1432A型万能外圆磨床 3 普通外圆磨床与万能外圆磨床在构造上的区别 4 磨床的发展方向进一步提高磨床的加工精度 进一步提高磨床的磨削效率和磨床自动化程度 2 1 5几种典型机床传动系统简介 定义 以磨料磨具 砂轮 砂带 油石 研磨料 为工具进行切削加工的机床 磨床的主要类型外圆磨床内圆磨床平面磨床工具磨床 包括刀具和刃具磨床各种专门化磨床 如螺纹磨床 齿轮磨床等光整加工机床 如研磨机 抛光机等其他磨床 如砂带磨床 砂轮机等 2 1 5几种典型机床传动系统简介 磨床概述 M1432A型万能外圆磨床 主参数 最大磨削直径为320 磨削加工精度可达到IT6 IT7级 表面粗糙度为Ra0 08 1 25 m 特点 机床适应性强 但磨削效率不高 自动化程度较低 通常适用于单件小批量生产 M1432A型万能外圆磨床的结构 M1432A型万能外圆磨床的传动系统如图2 19所示 2 1 5几种典型机床传动系统简介 头架 砂轮架 内圆磨具 尾座 工作台 滑鞍及横向进给机构 2 1 5几种典型机床传动系统简介 M1432A型万能外圆磨床的结构 2 1 5几种典型机床传动系统简介 图2 19M1432A型万能外圆磨床机械传动系统图 普通外圆磨床与万能外圆磨床在构造上的区别 一般普通外圆磨床的头架和砂轮架都不能绕竖直轴调整角度 头架主轴固定不动 没有内圆磨具 因此 普通外圆磨床只能用于磨削外圆柱面和锥度较小的圆锥面 普通外圆磨床的万能性不如万能外圆磨床 但其部件的层次减少了 使机床的结构简化 刚度稍有增加 尤其是头架主轴是固定不动的 工件支承在 死 顶尖上 提高了头架主轴组件的刚度和工件的旋转精度 2 1 5几种典型机床传动系统简介 Y3150E型滚齿机 滚齿工作原理 滚齿原理 加工直齿圆柱齿轮 加工斜齿圆柱齿轮Y3150E型滚齿机 2 1 5几种典型机床传动系统简介 滚齿原理 滚齿加工是根据展成法原理进行的 如2 附图 所示 2 附图 滚齿加工原理 2 1 5几种典型机床传动系统简介 加工直齿圆柱齿轮 加工直齿圆柱齿轮的成形运动必须形成渐开线齿廓 母线 的展成运动B11 B12以及直线形齿长 导线 的运动A2 滚切直齿圆柱齿轮需要三条传动链 即展成运动传动链 主运动传动链和轴向进给传动链 如图2 20 所示 2 1 5几种典型机床传动系统简介 图2 20滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图 加工斜齿圆柱齿轮 加工斜齿圆柱齿轮的机床运动和传动链 加工斜齿圆柱齿轮除了一个产生渐开线 母线 的展成运动 还必须另有一个产生螺旋线 导线 的运动 且是一个复合运动 加工斜齿圆柱齿轮的两个成形运动各需要一条内联系传动链和一条外联系传动链 如图2 21 a 所示 2 1 5几种典型机床传动系统简介 图2 21滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图 2 1 5几种典型机床传动系统简介 差动运动传动链斜齿圆柱齿轮的导线是一条螺旋线 如图2 21 b 所示 联系刀架与工作台的传动链12 13 iy 14 15 合成 6 7 ix 8 9称为差动传动链 图2 21滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图 Y3150E型滚齿机 Y3150E型滚齿机为中型滚齿机 主要加工直齿 斜齿圆柱齿轮 还可以用径向切入法 切向切入法加工蜗轮等 传动系统的传动链 Y3150E型滚齿机 2 1 5几种典型机床传动系统简介 传动系统的传动链 1 主传动链主电动机 带传动 轴 滚刀主轴 2 展成运动传动链滚刀主轴 i合成 e f a b c d 3 轴向进给传动链工件主轴 刀架 4 差动运动传动链丝杠 a2 b2 c2 d2 合成 e f a b c d 5 空行程传动链快速电动机 1410r min 1 1KW 13 26 M3 2 25 刀架 请单击5次 2 1 6数控机床 1 数控机床的分类 2 数控机床的特点 3 数控机床的应用范围 4 数控机床的主要性能指标 5 数控机床的组成 1 数控机床的分类 数控机床一般可以按下面三种原则来进行分类 见表2 5 表2 5数控机床的分类 2 1 6数控机床 2 数控机床的特点 加工精度高适应性强易于加工形状复杂的工件生产效率高易于建立计算机通信网络使用 维修要求高 机床价格较昂贵 2 1 6数控机床 3 数控机床的应用范围 多品种小批量零件生产结构比较复杂的零件需要频繁改型的零件价格昂贵 不允许报废的关键零件需要最短生产周期的急需零件 2 1 6数控机床 4 数控机床的主要性能指标 1 精度指标定位精度 定位精度是指机床移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度 由实际位置与理想位置之间的定位误差来衡量 分度精度 分度精度是指分度工作台在分度时 理论要求回转的角度值与实际回转的角度值的差值 分辨率和脉冲当量 分辨率是可以控制的最小位移增量 脉冲当量是机床移动部件在一个脉冲信号内的移动量 2 可控轴数与联动轴数可控轴数是指数控装置能够控制的坐标数 联动轴数是指所控制的坐标轴能同时达到空间某点的坐标数目 3 运动性能指标主要包括主轴转速 进给速度 坐标行程 摆角范围和刀库容量及换刀时间 2 1 6数控机床 5 数控机床的组成 数控机床组成 通常由输入介质 数控装置 伺服系统和机床本体4个基本部分组成 如图2 26 所示 输入介质 数控装置 伺服系统 机床本体 检测装置 图2 26数控机床组成框图 2 1 6数控机床 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 1 组合机床的组成及特点 2 组合机床的分类和基本配置 3 组合机床的发展趋势发展适应中小批量生产的组合机床 扩展工艺范围 采用新刀具组合机床除完成切削加工等工序外 还逐步设计制造用于焊接 热处理 自动装配 自动打印 性能试验及清洗和包装等用途的组合机床 随着电子元件的迅速发展 微机应用的日益广泛 在多工位组合机床上自动检测也作为一个工位出现 1 组合机床的组成及特点 定义 以通用部件为基础 配以少量的专用部件 对一种或若干种工件按预先确定的工序进行加工的机床特点1 设计制造周期短2 当变换被加工的零件时 组合机床的通用部件和标准零件可以重复利用 不必重新设计和制造 3 组合机床广泛采用多刀 多轴 多面 多件加工 加工效率高 易于连成组合机床自动线 以适应大规模生产的需要 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 应用 最适宜加工箱体类零件 也可加工轴类 套类 叉架类零件 可以完成钻孔 扩孔 铰孔 镗孔 攻螺纹 车削 铣削 磨削 滚压 平面加工 甚至冲压 焊接等工序 组合机床组成一般由床身 侧底座 中间底座 滑座 滑台 动力箱 多轴箱 夹具等部件组成 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 2 组合机床的分类和基本配置 组合机床的分类大型组合机床的基本配置形式1 单工位组合机床2 多工位组合机床3 转塔主轴箱式组合机床 大型组合机床 小型组合机床 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 1 单工位组合机床 组合机床的夹具和工作台固定不动 动力滑台作进给运动 主轴旋转为主运动 根据主轴方向不同可分为卧式 立式 倾斜式 复合式 根据同时加工表面数目不同 其配置形式有单面 双面或多面组合机床 如图2 28所示 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 图2 28单工位组合机床 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 2 多工位组合机床 机床有两个或两个以上加工工位 夹具在工作台上按预定的工作循环使工件顺次从一个工位输送到下一个工位 即换位 以便在各工位上完成同一加工部位多工步加工或不同部位加工 从而完成一个或数个面的较复杂的加工工序 特点机床工序较集中 生产率比单工位组合机床高 加工精度较低 由于有转位或移位的定位误差 且结构复杂 造价高 多用于大批大量生产中复杂的中小型零件加工 多工位机床的分类 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 多工位组合机床的分类 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 按机床上夹具和工件输送方式分类 1 往复直线移动工作台式组合机床2 鼓轮式组合机床3 回转工作台式组合机床4 中央立柱式组合机床 请单击3次 3 转塔主轴箱式组合机床 如图2 30所示分类 单轴转塔式组合机床 在转塔头的每个接合面上安装刚性主轴 多轴转塔式组合机床 在转塔头的每个接合面上安装主轴箱 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 图2 30转塔主轴箱式组合机床 1 转塔回转工作台 2 主电动机 3 转塔主轴箱 4 工件 5 工件回转工作台 6 滑座 7 滑台 8 转塔头 2 1 7组合机床与自动线及其发展趋势 2 2金属切削刀具 2 2 1切削加工的基本知识2 2 2刀具的几何参数2 2 3刀具材料2 2 4磨料与磨具2 2 5自动化加工中心的刀具及其管理 2 2 1切削加工的基本知识 定义 利用刀具切除工件毛坯上多余的金属层 从而使工件达到规定的几何形状 加工精度和表面质量的机械加工方法切削加工必须具备三个条件 刀具与工件之间要有相对运动 刀具具有适当的几何参数 即切削角度等 刀具材料应具有一定的切削性能切削运动切削时的工件表面切削用量切削层参数 切削运动 影片定义 在切削加工中 为了切除多余的材料 刀具和工件之间必须有相对运动 即切削运动 切削运动的分类 主运动 进给运动 2 2 1切削加工的基本知识 主运动 定义 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动 特点 主运动的速度最高 所消耗的切削功率最大 如图2 31所示 2 2 1切削加工的基本知识 图2 31外圆车削的切削运动与加工表面 2 2 1切削加工的基本知识 进给运动 定义 不断地把切削层投入切削 以便形成整个工件表面所需的运动 称为进给运动 特点 进给运动一般速度较低 功率的消耗也较少 如图2 32所示各种加工的切削运动 2 2 1切削加工的基本知识 图2 32各种加工的切削运动 2 2 1切削加工的基本知识 切削时的工件表面 影片切削过程中存在着三个不断变化的表面 如2 附图4 所示 待加工表面工件上即将被切除的表面 随着切削的继续 待加工表面逐渐减小直至全部切去 已加工表面工件上已切去切削层而形成的新表面 它随着切削的继续而逐渐扩大 加工表面工件上正在被切削刃切削着的表面 它在切削过程中不断变化 但总介于待加工表面和已加工表面之间 又称为过渡表面 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图4外圆车削的加工表面 2 2 1切削加工的基本知识 切削用量 影片切削用量三要素 切削速度 进给量 背吃刀量 切削深度 2 2 1切削加工的基本知识 定义 切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度计算切削速度时 应选取刀刃上速度最高的点进行计算 主运动为旋转运动时 切削速度由下式确定式中 d 工件或刀具的最大值 mm n 工件或刀具的转速 r s或r min 切削速度 m s或m min 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图5 进给量mm r 或mm 双行程 定义 工件或刀具转一周 或每往复一次 两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量 式中 n 主运动的转速 r s或r min z 刀具的齿数 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图6 背吃刀量 切削深度 mm 式中 工件上待加工表面直径 mm 工件上已加工表面直径mm 定义 指主切削刃与工件切削表面的接触长度在主运动方向和进给方向所组成平面的法线方向上测量的值 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图7 切削层参数 定义 在切削过程中 刀具相对于工件沿进给运动方向每移动f或fz时 一个刀齿正在切削着的金属层 称为切削层 如图2 33所示 1 切削厚度 2 切削宽度 3 切削层面积 图2 33外圆纵车时的切削层参数 2 2 1切削加工的基本知识 1 切削厚度 定义 指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸 即相邻两过渡表面之间的距离 用公式表示为当f或kr增大时 则变厚 若车刀切削刃为圆弧或任意曲线 则切削刃上各点的切削厚度是不相等的 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图8 2 切削宽度 定义 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削宽度 用公式表示为 当减小或增大时 则变小 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图9 3 切削层面积 定义 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层面积 用公式表示为 2 2 1切削加工的基本知识 2 附图10 2 2 2刀具的几何参数 外圆车刀是最基本 最典型的刀具 由刀头和刀体组成车刀的切削部分由3个刀面 前 刀 面 主后 刀 面和副后 刀 面 2个刀刃 主切削刃和副切削刃 和1个刀尖组成 如图2 34所示刀具切削部分的组成刀具角度的参考系刀具的标注角度刀具的工作角度 图2 34车刀切削部分组成要素 2 2 2切削加工的基本知识 刀具切削部分的组成 如图2 34所示为外圆车刀 由刀杆和刀头 切削部分 组成 1 前 刀 面A 直接作用于被切削的金属层 并控制切屑沿其流出的刀面 2 主后 刀 面A 与工件过渡表面相对并相互作用的刀面 3 副后 刀 面A 与工件已加工表面相对并相互作用的表面 4 主切削刃S前 刀 面与主后 刀 面的交线 它承担主要的切削工作 5 副切削刃S 前 刀 面与副后 刀 面的交线 它配合主切削刃完成切削工作 并最终形成已加工表面 6 刀尖主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃 它可以是小的直线段或圆弧 图2 34车刀切削部分组成要素 2 2 2刀具的几何参数 刀具角度的参考系 刀具角度参考系通常有两类 一类是刀具标注角度参考系 它是刀具设计 标注 刃磨和测量角度时的基准 另一类是刀具工作角度参考系 它是确定刀具在实际切削运动中角度的基准 建立刀具标注角度参考系的假定条件 车削时假定切削刃选定点与工件轴线等高 主运动方向与刀杆底面垂直 进给运动方向与刀杆中心线垂直 参考平面通常有基面 切削平面 正交平面等 如图2 35所示 2 2 2刀具的几何参数 1 基面Pr通过切削刃上选定点并与该点切削速度方向相垂直的平面 2 切削平面Ps通过切削刃上选定点并与工件加工表面相切的平面 3 正交平面Po通过切削刃上选定点 同时垂直于基面和切削平面 正交平面必然垂直于切削刃在基面上的投影 它又称为主剖面 图2 35车刀正交平面参考系 2 2 2刀具的几何参数 派生角度 1 楔角 o在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角 o 90 o o 2 刀尖角 r在基面内测量的主切削刃投影与副切削刃投影之间的夹角 r 180 r r 3 余偏角 r在基面内测量的主切削刃投影与进给方向垂线之间的夹角 r 90 r 刀具的标注角度 车刀前刀面和主后刀面在正交平面参考系中的位置由以下两个角度确定 1 前角 o在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角 前角表示前刀面的倾斜程度 有正 负和零值之分2 后角 o在正交平面内测量的主后刀面与切削之间的夹角 后角表示主后刀面的倾斜程度 一般为正值 在刀具工作图上只需标注副切削刃上的下列两个角度 1 副偏角 r 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角 副偏角一般为正值2 副后角 o 在副切削刃选定点的正交平面内测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角 副切削平面是过该选定点并包含切削速度向量的平面 确定车刀主削刃位置的角度 1 主偏角 r主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角 主偏角一般为正值 2 刃倾角 s在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角 当主切削刃呈水平时 s 0 此时切削刃与切削速度方向垂直 称为直角切削 当刀尖是切削刃上最低点时 s为负值 当刀尖是切削刃上最高点时 s为正值 如图2 37所示 当 s 时的切削称为斜角切削 此时切削刃与切削速度方向不垂直 2 2 2刀具的几何参数 请单击4次 图2 36外圆车刀正交平面参考系的标注角度 图2 37刃倾角正负的规定 2 2 2刀具的几何参数 刀具的工作角度 定义 以切削过程中实际的基面 切削平面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度 又称实际角度 影响因素横向进给运动对工作角度的影响纵向进给运动对工作角度的影响刀具安装高低对工作角度的影响刀杆中心线偏斜对工作角度的影响 见书中图2 41 2 2 2刀具的几何参数 横向进给运动对工作角度的影响 如图2 38所示 工件每转一转 车刀横向移动距离f 切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一阿基米德螺旋线 工作前角 式中 当进给量f增大 则 值增大 当瞬时直径d减小 值也增大 因此 车削接近工件中心时 d值很小 值急剧增大 工作后角 oe将变为负值 致使工件最终被挤断 对于横向切削不宜选用过大的进给量 并应适当加大刀具的标注后角 2 2 2刀具的几何参数 图2 38横向进给运动对工作角度的影响 纵向进给运动对工作角度的影响 如右图所示为车削右螺纹的情况 在进给平面刀具的工作角度为 式中 f 被切螺纹的导程或进给量 r 工件直径 在正交平面内刀具的工作前角 工作后角为 2 2 2刀具的几何参数 图2 39纵向进给运动对工作角度的影响 刀具安装高低对工作角度的影响 如图所示 当刀尖装得高于工件轴线时 切削平面变为 基面变为 从而使车刀的前角和后角发生变化 公式为 式中 h 刀尖高于工件轴线的距离 工件直径 在正交平面内刀具的工作前角 工作后角为 如果刀尖装得低于工件轴线时 则上述工作角度的变化情况正好相反 2 2 2刀具的几何参数 图2 40装刀高低对工作角度的影响 2 2 3刀具材料 定义 通常是指刀具切削部分的材料 刀具切削性能的好坏取决于构成刀具切削部分的材料 几何形状和刀具结构 刀具材料应具备的性能高速钢硬质合金钢涂层刀具和其他刀具材料 2 附图11 刀具材料应具备的性能 高的硬度高的耐磨性足够的强度和韧性好的耐热性良好的热物理性能和耐冲击性能良好的工艺性能和经济性常用刀具材料 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金钢 陶瓷 立方碳化硼以及金刚石等 2 2 3刀具材料 高速钢 1 高速钢的优点高速钢具有较高的硬度和耐热性 在切削温度达550 600 时仍能进行切削 切削速度较快 与碳素工具钢和合金钢相比 高速性能钢能提高切削速度1 3倍 提高刀具使用寿命10 40倍甚至更多 高速钢具有较高的强度和韧性 抗弯强度为一般硬质合金的2 3倍 抗冲击性能强 具有一定的耐磨性 适合于各类切削刀具的要求 用它可以加工从有色金属到高温合金范围内的材料 也可用于刚性较差的机床上加工 高速钢的工艺性能好 能锻造 容易磨出锋利的刀刃 适宜制造各类切削刀具尤其在复杂刀具 钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 的制造中 高速钢占有重要的地位 高速钢的性能较硬质合金和陶瓷稳定 在自动机床上使用可靠 2 高速钢的分类3 常用高速钢的牌号及其用途 2 2 3刀具材料 2 高速钢的分类 按切削性能分 熔炼高速钢粉末冶金高速钢 通用型高速钢高性能高速钢 按制造工艺分 2 2 3刀具材料 3 常用高速钢的牌号及其用途 2 2 3刀具材料 硬质合金钢 优点 硬度为89 93HRA 能耐850 1000 的高温 具有良好的耐磨性 允许使用的切削速度可达100 300m min 可加工包括淬硬钢在内的多种材料 缺点 硬质合金的抗弯强度低 冲击韧度差 较难加工 分类 P类 主要用于加工长切削的黑金属 相当于我国的YT类 K类 主要用于加工短切削的黑色金属 有色金属和非金属 相当于我国的YG类 M类 主要用于加工长或短切削的黑色金属和有色金属 相当于我国的YW类 2 2 3刀具材料 钨钛钴 YT类 硬质合金 优点 具有较高的硬度 耐热性 抗粘接性和抗氧化能力 在加工钢材时 YT类合金有很高的耐磨性 YT类硬质合金的导热性较差 切削时传入刀具的热量较少 大部分的热量集中在切屑中 切屑受强热后会发生软化 有利于切削过程的顺利进行 缺点 抗弯强度和冲击韧度较差 应用 主要加工长切削的黑色金属 如碳钢 合金钢等塑性材料 2 2 3刀具材料 钨钴类 YG类 硬质合金 优点 硬度为89 91 5HRA 耐热度为800 900 抗弯强度和冲击韧度较好 不易崩刃 韧性较好 导热系数大 缺点 耐热性较差 不宜用于普通材料的高速切削 应用 适用于加工铸铁类的短切削黑色金属和有色金属 加工高温合金 不锈钢材料等难加工材料 2 2 3刀具材料 钨钛钽 铌 钴 YW类 类硬质合金 优点 韧性耐热性较好 有较好的综合切削性能 应用 加工高温合金 不锈钢等难加工材料 也适用于普通材料 铸铁和有色金属等的加工 2 2 3刀具材料 表2 7各种硬质合金的应用范围 2 2 3刀具材料 小结 在硬质合金中如果碳化物所占的比例越大 则硬质合金的硬度越高 耐磨性越好 反之 若钴镍等金属粘结剂的含量增多 则硬质合金的硬度降低 而抗弯强度和冲击韧度有所提高 硬质合金的性能还与其晶粒大小有关 当粘结剂的含量一定时 碳化物的晶粒越细 则硬质合金的硬度越高 而抗弯强度和冲击韧度降低 反之 则硬质合金的硬度降低 而抗弯强和冲击韧度有所提高 2 2 3刀具材料 涂层刀具和其他刀具材料 涂层刀具 陶瓷材料 人造金刚石 立方氮化硼 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 合理选择刀具的基本要求 2 2 3刀具材料 涂层刀具 形成 在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上 涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的目的 解决刀具的硬度 耐磨性与强度 韧性之间的矛盾 具有良好的切削性能涂层材料TiCTiNAl2O3 2 2 3刀具材料 TiC 优点 硬度比TiN高 耐磨性好 对于产生剧烈磨损的刀具 采用该涂层较好 抗氧化性能高 抗粘结性能和抗扩散性能高 摩擦系数低 热膨胀系数与硬合金基体的相近 与基体间的热应力小 与基体结合牢固 适用于作多涂层的底层 缺点 若涂覆工艺控制不当 在涂层与基体之间要产生较厚的脱碳层 会引起刀片强度的降低和在重载荷下切削时容易出现崩刀 2 2 3刀具材料 TiN 优点 铁基金属间的摩擦系数小 允许涂层较厚 在容易产生粘结条件下 采用该涂层较好 在高温下有高的抗氧化性能 易于沉积及控制 该涂层呈金黄色或古铜色 产品外观漂亮 缺点 基体粘结强度较TiC涂层差 涂层太厚会产生剥落的危险 2 2 3刀具材料 优点 在高速切削产生大量热的场合采用该涂层较好 因为在高温下有良好的热稳定性能 有良好的化学稳定性和抗氧化能力 摩擦系数低 不易产生积削瘤 加工表面粗糙度值较小 缺点 工艺性能较差 且涂层刀片的强度也低于未涂层刀片 Al2O3 2 2 3刀具材料 陶瓷材料 形成 以氧化铝或氮化硅等为主要成分 经压制成形后烧结而成的一种刀具材料 优点 硬度可达91 95HRA 在1200 高温下仍可保持80HRA的硬度 化学稳定性好 摩擦系数小 耐磨性好 加工钢件时的寿命为硬质合金的10 12倍 缺点 脆性大 抗弯强度和冲击韧度差 对冲击十分敏感 应用 主要用于精加工或半精加工高硬度 高强度钢和冷硬铸铁 2 2 3刀具材料 人造金刚石 形成 依靠合金触媒的作用 在高温高压下由石墨转化而成 优点 摩擦系数小 耐磨性好 切削刃可以磨得很锋利 可以获得很高的加工表面质量 缺点 热稳定性较差 800 特别是它与铁元素的化学亲和力很强 碳元素极易向含铁的工件扩散 使刀具很快磨损 不适合加工钢铁件 应用 主要用于制作磨料磨具 用做刀具材料时 多用于在高速下的精细车或镗削有色金属及非金属材料 尤其在切削加工硬质合金 陶瓷 高硅铝合金等高硬度耐磨材料时 具有很大的优越性 2 2 3刀具材料 立方氮化硼 形成 由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成的一种新型超硬刀具材料 优点 硬度很高 可达8000 9000HV 仅次于金刚石的硬度 很高的耐磨性及抗压强度 很高的热稳定性和化学惰性 可耐1300 1400 的高温 在1200 高温时也不易与铁族金属起反应 有良好的导热性 较低的摩擦系数 缺点 脆性较大 韧性差 不宜于低速加工 刀具成本比硬质合金贵得多 应用 能用较高的速度切削淬硬钢 冷硬铸铁 高温合金等难加工的材料 2 2 3刀具材料 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 2 2 3刀具材料 合理选择刀具的基本要求 根据工件的材料 刀具的结构和加工要求 选择合适的刀