第1章金属切削机床总论

第1章金属切削机床 三江学院陈本德 金属切削机床是用刀具切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器 通常简称机床 它是制造机器的机器 1 1金属切削机床的分类 根据国家标准GB T15375 2008 机床的分类 机床的品种规格繁多 为便于区别 使用和管理 必须加以分类 对机床的分类方法有以下几种 通用机床 专用机床 机床生产自动线 机床其他分类方法 仪表机床中型机床 一般机床 大型机床 10t 30t 重型机床 30t 100t 超重型机床 大于100t 按重量和尺寸 按机床适用性范围分 通用机床专门化机床专用机床 机床主轴箱专用镗床 组合机床 卧式车床 万能升降台铣床 丝杆车床 曲轴车床 凸轮轴车床 下列哪种机床属于专门化机床 A 卧式车床B 凸轮轴车床C 万能外圆磨床D 摇臂钻床 机床其他分类方法 B 普通精度机床精密机床高精度机床 手动操作机床机动机床半自动机床自动机床 按自动化程度分 按工作精度分 按布局方式的不同分 卧式机床 立式机床 台式机床 双柱机床 单柱机床 单臂机床 摇臂机床 龙门机床 马鞍机床 落地机床 仿形机床程序控制机床数字控制机床适应控制机床加工中心柔性制造系统 按机床自动控制方式分 1 2机床型号的编制 机床型号是机床产品的代号 用以简明表示机床的类型 性能和结构特点 主要技术参数等 有 的代号或数字 当无内容时 则不表示 有内容时 则不带括号 有 符号者 为大写的汉语拼音字母 有 符号者 为阿拉伯数字 有 符号者 为大写的汉语拼音字母 或阿拉伯数字 或两者兼有之 按通用程度分 通用 专门化 专用机床按加工精度分 普通 精密 高精度机床按自动化程度 手动 机动 半自动 自动机床按机床质量分 仪表 中型 大型 重型机床按布局方式的不同分 卧式 立式 台式 双柱 单柱 单臂等 根据国家标准GB T15375 2008 我国的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 适用于各类通用机床和专用机床 组合机床除外 按加工性质和所用刀具的不同 机床可分为11大类 通用机床型号的编制方法 1 2 2机床的类代号 用大写的汉语拼音字母表示 并按相应的汉字字意读音 当需要时 每类又可分为若干分类 分类代号用阿拉伯数字表示 放在类代号之前 但第一分类不予表示 机床的类代号 分类代号及其读音见下表 1 2 3机床的通用特性和结构特性代号 通用特性代号位于类代号之后 用大写汉语拼音字母表示 当某种类型机床除有普通型外 还有某种通用特性时 则在类代号之后加上相应特性代号 如 CK 表示数控车床 如果同时具有两种通用特性时 则可按重要程度排列 用两个代号表示 如 MBG 表示半自动高精度磨床 对于主参数相同 而结构 性能不同的机床 在型号中用结构特性区分 结构特性代号在型号中无统一含义 它只是在同类型机床中起区分结构 性能不同的作用 当机床具有通用特性代号时 结构特性代号位于通用特性代号之后 用大写汉语拼音字母表示 通用特性代号已用的字母和 I D 两个字母不能用 当单个字母不够用时 可以将两个字母组合使用 如 CA6140中的 A 和CY6140中的 Y 均为结构特性代号 它们分别表示为沈阳第一机床厂和云南机床厂生产的基本型号的卧式车床 机床的精度与刚度 加工中 保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度 并能在机床长期使用中保持这些要求 机床本身必须具备的精度称为机床精度 包括几何精度 传动精度 运动精度 定位精度 工作精度及精度保持性等几个方面 各类机床按精度可分为普通精度 精密级和高精度级 均有相应的标准 允差大约比例 1 0 4 0 25在设计阶段主要从机床的精度分配 元件及材料选择等方面来提高机床精度 机床空载条件下 在不运动 机床主轴不转或工作台不移动等情况下 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密程度 如导轨的直线度 主轴径向圆跳动及轴向窜动 主轴中心线对滑台移动方向的平行度或垂直度等 几何精度直接影响加工工件的精度 是评价机床质量的基本指标 它主要取决于结构设计 制造和装配质量 1 几何精度 机床空载并以工作速度运动时 主要零部件的几何位置精度 如高速回转主轴的回转精度 对于高速精密机床 运动精度是评价机床质量的一个重要指标 它与结构设计及制造等因素有关 2 运动精度 机床传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性 影响传动精度的主要因素是传动系统的设计 传动元件的制造和装配精度 3 传动精度 4 定位精度 机床的定位部件运动到达规定位置的精度 直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度 机床构件和进给控制系统的精度 刚度以及其动态特性 机床测量系统的精度都将影响机床定位精度 加工规定的试件 用试件的加工精度表示机床的工作精度 工作精度是各种因素综合影响的结果 包括机床自身的精度 刚度 热变形和刀具 工件的刚度及热变形等 5 工作精度 6 精度保持性 在规定的工作期间内保持机床所要求的精度 称为精度保持性 影响精度保持性的主要因素是磨损 磨损的影响因素十分复杂 如结构设计 工艺 材料 热处理 润滑 防护 使用条件等 1 2 4机床的组别 系别代号 组 系代号用两位阿拉伯数字表示 前一位表示组别 后一位表示系别 每类机床按其结构性能及使用范围划分为用数字0 9表示的10个组 在同一组机床中 又按主参数相同 主要结构及布局型式相同划分为用数字0 9表示的10个系 见教材P8表1 3 金属切削机床类 组划分表 1 2 5机床主参数 第二主参数 机床型号中主参数用阿拉伯数字给出主参数的折算值 位于系代号之后 在机床型号中 折算系数一般是1 10或1 100 也有少数是1 当折算值大于1时 取整数 前面不加 0 当折算值小于1时 则取小数点后第一位数 并在前面加 0 对于多轴车床 多轴钻床 排式钻床等机床 其主轴数应以实际数值列入型号 置于主参数之后 用 分开 读作 乘 单轴 可省略 不予表示 第二主参数是对主参数的补充 如最大工件长度 最大跨距 工作台工作面长度等 第二主参数一般不予给出 例如 CA6140型卧式机床中主参数的折算值为40 折算系数是1 10 其主参数表示在床身导轨面上能车削工件的最大回转直径为400mm 各类主要机床的主参数和折算系数 1 2 6机床的重大改进顺序号 当机床的性能及结构有重大改进 并按新产品重新设计 试制和鉴定时 在原机床型号尾部加重大改进顺序号 即汉语拼音字母A B C 其它特性代号用以反映各类机床的特性 如对数控机床 可用来反映不同的数控系统 对于一般机床可用以反映同一型号机床的变型等 其它特性代号可用汉语拼音字母或阿拉伯数字或二者的组合来表示 企业代号与其它特性代号表示方法相同 位于机床型号尾部 用 与其它特性代号分开 读作 至 若机床型号中无其它特性代号 仅有企业代号时 则不加 企业代号直接写在 后面 1 2 7机床的其他特性代号 1 2 8企业代号 企业代号包括机床生产厂及机床研究单位代号 置于辅助部分尾部 用 分开 若辅助部分仅有企业代号 则可不用加 企业代号均由型号管理部门统一规定 企业代号一律按其相对应的汉字字义读之 根据通用机床型号编制方法 举例如下 M 类别代号 磨床类 G 通用特性 高精度 1 组别代号 外圆磨床组 4 系别代号 万能外圆磨床系 32 主参数 最大磨削直径320mm A 重大改进顺序号 第一次重大改进 高精度万能外圆磨床 MG1432A 下列对CM7132描述正确的是 A 卧式精密车床 床身最大回转直径为320mmB 落地精密车床 床身最大回转直径为320mmC 仿形精密车床 床身最大回转直径为320mmD 卡盘精密车床 床身最大回转直径为320mm C XK5030X 类代号 铣床类机床 K 通用特性代号 数控 5 组代号 立式升降台铣床组 0 系代号 立式铣床系 30 主参数 工作台面宽度的1 10 机床型号示例 机床型号示例 MGl432AM 类别代号 磨床类 G 通用特性 高精度 1 组别代号 外圆磨床组 4 系别代号 万能外圆磨床系 32 主参数 最大磨削直径320mm A 重大改进顺序号 第一次重大改进 机床型号示例 Z3040 16 S2Z 类代号 钻床类机床 3 组代号 摇臂钻床组 0 系代号 摇臂钻床系 40 主参数 最大钻孔直径40mm 16 第二主参数 最大跨距1600mm S2 企业代号 中捷友谊厂 CX5112A WFC 类代号 车床类机床 X 通用特性代号 数显 5 组代号 立式车床组 1 系代号 单立柱车床系 12 主参数 最大工件回转直径1250 WF 企业代号 瓦房店机床厂 机床型号示例 立式车床 摇臂钻床 4 M1432A型万能外圆磨床 龙门铣床 龙门刨床 2 专用机床型号的编制方法 专用机床的型号一般由设计单位代号和设计顺序号组成 型号构成 单位代号包括机床生产厂和机床研究单位代号 位于型号之首 当设计代号为机床厂时 用机床厂所在城市名称的大写汉语拼音字母及该机床厂在该城市建立的先后顺序号 或机床厂名称的大写汉语拼音字母表示 当设计单位为研究所时 用研究所名称的大写汉语拼音字母表示 B1 3100 北京第一机床厂设计制造的第一百种专用机床 属于第三组 专用机床的设计顺序号 按该单位的设计顺序号排列 由001起始位于设计单位代号之后 并用 隔开 001 某单位设计制造的第一种专用机床为专用车床 015 某单位设计制造的第15种专用机床为专用磨床 100 某单位设计制造的第100种专用机床为专用铣床 由通用机床或专用机床组成的机床自动线 其代号为 ZX 读作 自线 位于设计单位代号之后 并用 分开 ZX001 某单位以通用机床或专用机床为某厂设计的第一条机床自动线 3 机床自动线的型号 机床自动线设计顺序号的排列与专用机床的设计顺序号相同 按该单位的设计顺序号排列 由001起始位于设计单位代号之后 并用 隔开 1 举例说明通用 万能 铣床 专门化机床和专用机床的主要区别是什么 它们的适用范围怎样 答 通用化机床的工艺范围很宽 可以加工一定尺寸范围内的各种类型的零件 如完成多种多样的工序 如卧式车床 万能外圆磨床 摇臂钻床等 专门化机床的工艺范围较窄 只能加工一定尺寸范围内的某一类 或少数几类 的零件 完成某一种 或少数几种 特定工序 如凸轮车床 轧辊机床等 专用机床的工艺范围最窄 通常只能完成某一特定零件的特定工序 例题 2 说明下列机床的名称和主参数 第二主参数 CM6132 C1336 C2150 6 Z3040 16 XK5040 B2021A MGB1432 答 CM6132C 车床类 M 精密型 61 卧式车床系 32 最大回转直径的1 10 C1336C 车床类 1 单轴自动 13 单轴转塔自动车床系 36 最大车削直径的1 10 Z3040 16Z 钻床类 3 摇臂钻床 30 摇臂钻床系 40 最大钻孔直径 16 最大跨距 C2150 6C 车床类 2 多轴自动半自动车床 21 多轴棒料自动机床系 50 最大棒料直径 6 轴数 T4163BT 镗床类 4 坐标镗床 41 单柱坐标镗床 63 工作台面宽度的1 10 B 第二次重大改进 XK5040X 铣床类 K 数控 5 立式升降台铣床 50 立式升降台铣床系 40 工作台宽度的1 10 B2021AB 刨床类 20 龙门刨床系 21 最大刨削宽度的1 10 A 第一次重大改进 MGB1432M 磨床类 G 高精度 B 半自动 1 外圆磨床 14 万能外圆磨床 3最大磨削直径的1 10 机床传动的基本组成和传动原理图 1 机床传动的基本组成部分 机床的传动必须具备以下的三个基本部分 运动源 为执行件提供动力和运动的装置 通常为电动机 如交流异步电动机 直流电动机 直流和交流伺服电动机 步进电动机 交流变频调速电动机等 传动件 传递动力和运动的零件 如齿轮 链轮 带轮 丝杠 螺母等 除机械传动外 还有液压传动和电气传动元件等 执行件 夹持刀具或工件执行运动的部件 常用执行件有主轴 刀架 工作台等 是传递运动的末端件 一 机床的基本组成 机床的通常由以下基本部分组成 运动源 为执行件提供动力和运动的装置 通常为电动机 如交流异步电动机 直流电动机 直流和交流伺服电动机 步进电动机 交流变频调速电动机等 液压传动系统的液压马达等 传动系统 主传动系统 进给传动系统和其他运动的传动系统 传递动力和运动的零件 如齿轮 链轮 带轮 丝杠 螺母等 除机械传动外 还有液压传动和电气传动元件等 支承件 用于安装和支承其他固定的或运动的部件 承受其重力和切削力 如床身 立柱等 工作部件 夹持刀具或工件执行运动的部件 常用执行件有主轴 刀架 工作台等 是传递运动的末端件 与最终实现切削加工的主运动和进给运动有关的执行部件 例如主轴及主轴箱 工作台及其滑板或滑座 刀架及其溜板及其滑枕等 用来安装工件或刀具的部件 与工件和刀具安装及调整有关的部件或装置 如自动上下料装置 自动换刀装置 砂轮修整器等 与上述部件或装置有关的分度 转位 定位机构和操纵机构等 不同种类的机床 由于其用途 表面形成运动和结构布局的不同 这些工作部件的构成和结构差异很大 但就运动形式来说 主要是旋转运动和直线运动 所以工作部件结构中大多含有轴承和导轨 控制系统 用于控制各工作部件的正常工作 主要是电器控制系统 有些机床局部采用液压或气动控制系统 数控机床则是数控系统 包括数控装置 主轴和进给的伺服控制系统 伺服单元 可编程控制器和输入输出装置等 冷却系统 用于对加工工件 刀具及机床的某些发热部位进行冷却 润滑系统 用于对机床的运动副 如轴承 导轨等 进行润滑 以减少摩擦 磨损和发热 机床必须具备三个基本部分 1 机床传动的基本组成部分 执行件 传动装置 运动源 执行机床运动的部件 为执行件提供运动和动力装置 传递运动和动力的装置 1 3机床的运动 1 表面形成运动 工作运动 机床的运动分为表面形成运动和辅助运动 包括主运动和进给运动 这两种不同性质的运动和不同形状的刀具配合 可以实现轨迹法 形成法和展成法等各种不同加工方法 构成不同类型的机床 D 机床的运动 1 零件表面的切削加工成形方法 在切削加工过程中 机床上的刀具和工件按一定的规律作相对运动 通过刀具对工件毛坯的切削作用 切除毛坯上多余金属 从而得到所要求的零件表面形状 机械零件的任何表面都可以看作是一条线 称为母线 沿另一条线 称为导线 运动的轨迹 刀具和工件之间的相对运动都是由机床来提供 1 表面成形运动 按其组成情况不同 可分为简单成形运动和复合成形运动二种 如果一个独立的成形运动是单独的旋转运动或直线运动构成的 则此成形运动称为简单成形运动 例如 用车刀车削外圆柱时属于简单成形运动 2 机床的运动 机床在加工过程中 必须形成一定形状的发生线 母线和导线 才能获取所需的工件表面形状 因此 机床必须完成一定的运动 这种运动称为表面成形运动 此外 还有多种辅助运动 如果一个独立的成形运动 是由两个以上的旋转运动或 和 直线运动 按某种确定的运动关系组合而成 则此成形运动称为复合成形运动 例如 用螺纹车刀车削螺纹表面 用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮 成形运动中各单元运动根据其在切削中所起的作用不同 又可为主运动和进给运动 2 辅助运动机床在加工过程中 加工工具与工件除工作运动以外的其他运动称为辅助运动 辅助运动用以实现机床的各种辅助动作 主要包括 1 切入运动用于保证工件被加工表面获得所需要的尺寸 使工具切入工件表面一定深度 有些机床的切入运动属于间歇运动形式的进给 吃刀 数控机床的切入运动可通过控制相应轴的进给来实现 例如数控车床的X轴进给 2 各种空行程运动 空行程运动主要是指进给前后的快速运动 例如 趋近 进给前加工工具与工件相互快速接近的过程 退刀 进给结束后加工工具与工件相互快速离开的过程 返回 退刀后加工工具或工件回到加工前位置的过程 3 其他辅助运动 包括分度运动 操纵和控制运动等 例如 刀架或工作台的分度转位运动 刀库和机械手的自动换刀运动 变速 换向 部件与工件的夹紧与松开 自动测量自动补偿等 下列不属于机床在加工过程中完成的辅助运动的是 A 切入运动B 分度运动C 调位运动D 成形运动 一般来说 工具形状越复杂 机床所需的表面形成运动就越简单 例如 拉床主运动由拉刀直线运动实现且无进给运动 其进给运动由拉刀切削齿齿升量实现 主运动和进给运动的形式和数量取决于工件要求的表面形状和所采用的工具的形状 通常 机床主要采用结构上易于实现的旋转运动和直线运动实现表面形成运动 主运动只有一个 进给运动可有一个或几个 何谓简单运动 何谓复合运动 其本质区别是什么 答 如果一个独立的成形运动 是由单独的旋转运动或直线运动构成的 则称此成形运动为简单成形运动 简称简单运动 如果一个独立的成形运动是由两个或两个以上的旋转运动或直线运动 按照某种确定的运动关系组合而成的 则称此成形运动为复合成形运动 简称复合运动 本质区别在于简单运动是由单独的旋转运动或直线运动组成的 而复合运动是由多个旋转运动或直线运动组合而成的 机床必须具备三个基本部分 1 4机床传动系统疾病概念 1 机床传动的基本组成部分 执行件 传动装置 运动源 执行机床运动的部件 为执行件提供运动和动力装置 传递运动和动力的装置 下列不属于机床执行件的是 A 主轴B 刀架C 步进电机D 工作台 1 4 1机床的传动链 为了在机床上得到所需要的运动 必须通过一系列的传动件把运动源和执行件 或把执行件与执行件联系起来 以构成传动联系 构成一个传动联系的一系列传动件 称为传动链 何谓外联系传动链 举例说明 联系运动源与执行件的传动链 称为外联系传动链 它的作用 使执行件得到预定速度的运动 并传递一定的动力 此外 还起执行件变速 换向等作用 如卧式车床中 从主电动机到主轴之间的传动链 就是典型的外联系传动链 何谓内联系传动链 联系两个执行件 以形成复合成形运动的传动链 称为内联系传动链 它的作用 保证两个末端件之间的相对速度或相对位移保持严格的比例关系 以保证被加工表面的性质 如滚齿机的范成运动传动链也属于内联系传动链 再举一例 机床的传动装置 几个基本概念 传动链外联系传动链内联系传动链定比传动机构换置机构 其传动比和传动方向固定不变 如定比齿轮副 蜗杆蜗轮副 丝杠螺母副等 可根据加工要求变换传动比和传动方向 如滑移齿轮变速机构 挂轮变换机构 离合器换向机构等 使运动源和执行件以及两个有关的执行件保持运动联系的一系列顺序排列的传动件 称为传动链 如卧式车床中 从主电动机到主轴之间的传动链 就是典型的外联系传动链 联系运动源和执行件的传动链 称为外联系传动链 联系两个执行件间的传动链 称为内联系传动链 如滚齿机的范成运动传动链也属于内联系传动链 1 4 2传动比与公比 传动比以 u 表示 定义 u 被动轴的转数 主动轴的转数对于降速u 1 对于升速u 1 若为齿轮传动 u z1 z2 一个串联传动的总比等于各分比的乘积 传动结构式 传动路线表达式 例 传动链 传动平衡式 公比 现有一个传动系统 输入轴的转速为n0 输出轴的转速可以有多种转速 即为n1 n2 共有n中转速 相邻转速的比值 即1 06 1 12 1 26 1 41 1 58 1 78 2 如 值是一个常数 则相邻转速数列是按等比级数数列排列的 只有少数机床是按非标准 值排列的 对于进给量常常按等差数列级数排列 1 4 3机床传动系统图 机床传动系统图 机床的传动系统图是表示机床全部运动传动关系的示意图 它比传动原理图更准确 更清楚 更全面地反映了机床的传动关系 在图中用简单的规定符号代表各种传动元件 机床的传动系统画在一个能反映机床外形和各主要部件相互位置的投影面上 并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内 图中的各传动元件是按照运动传递的先后顺序 以展开图的形式画出来的 该图只表示传动关系 并不代表各传动元件的实际尺寸和空间位置 56 51 38 43双联 M1 50 80 20 50 50 34 39 30 22 20 51双联 41 58 50三联 44 44 26 50 63 26 58 58 50 M2 CA6140A车床主传动系统图 1 传动符号 2 基本传动方式及传动比 1 带传动 空套连接 固定 平键连接 滑键连接 花键连接 齿轮常用传动件的简图符号 2 齿轮传动 1 一对齿轮传动比 2 两对齿轮 传动比i 主动齿轮齿数 被动齿轮齿数 注意 在机械设计中 传动比i 动齿轮齿数 主动齿轮齿数 求传动比 求转速 3 推论 多对齿轮 4 介轮作用 5 蜗轮蜗杆传动 6 齿轮齿条传动 7 丝杆螺母传动 3 传动 变速机构 1 滑动齿轮机构 传动结构式 传动结构式 2 塔轮变速机构 传动结构式 3 增倍机构 传动结构式 4 离合器变速 5 宽齿轮换向机构 转动方向相反 1 4 4传动原理图 在机床的运动分析中 为了便于分析机床运动和传动联系 常用一些简明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 这就是传动原理图 传动原理常使用的部分符号 传动原理图表示了机床传动的最基本特征 因此 用它来分析 研究机床运动时 最容易找出两种不同类型机床的最根本区别 对于同一类型机床来说 不管它们具体结构有何明显的差异 它们的传动原理图却是完全相同的 卧式车床传动原理图 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图 几个基本术语小结 传动路线表达式 传动结构式 按传动链次序用传动轴号和传动副的结构参数表示的传动关系式 传动系统图 用国家标准规定的符号表示的传动系统 传动平衡式 用数字表达式排列的方程式来表示传动链 末端件 起始和终了传动件 之间的传动关系 传动级数 传动系统输出转速不同个数 传动链 从输入到输出 由若干传动副依次组合起来的传动系统 1 4 5转速图 点击 转速图可以表达主轴的每一级转速是通过哪些传动副得到的 这些传动副之间的关系如何 各传动轴的转速等 如图4 8是CA6140型卧式车床主传动系统的转速图 转速图由以下三个部分组成 距离相等的一组竖线代表各轴 轴号写在上面 竖线间的距离不代表中心距 距离相等的一组水平线代表各级转速的对数坐标 点击 由于分级表示机构的转速一般是按等比数列排列的 故转速采用了对数坐标 相邻两水平线之间的间隔为lg 其中 为相邻两级转速之比 称为公比 为了简单起见 转速图中省略了对数符号 与各竖线的交点代表各轴的转速 各轴之间连线的倾斜方式代表了传动副的传动比 升速时向上倾斜 降速时向下倾斜 斜线向上倾斜x格表示传动副的实际传动比为Z主 Z被 x 斜线向下倾斜x格表示传动副的实际传动比为Z主 Z被 x 教材P14图1 6 点击 1 距离相等的一组竖直线代表各传动轴 从左向右一次标注 与传动系统图中各传动轴相对应 2 一组水平线与竖直线相交所得相应的圆圈 或黑点 代表各轴所具有的转速 相邻两水平线之间的转速之比为公比 3 相邻两轴之间对应转速的连线称为射线 射线表示一对传动副的传动比 射线向右下方表示为降速 u 1 射线向右上方表示为升速 u 1 射线水平表示u 1 两相邻水平线之间的距离 等于公比的对数值 由转速图可见下列五种情况 点击 主轴各级转速的传动路线 分析主轴为500r min的传动路线 所需变速组数目 图中有三个变速组a b c 各个变速组中的传动副数目 各个传动比数目 图中各个变速组分别有3 2 2个传动副 传动比为126 256 24 48 传动轴的数目 图中有四根传动轴 传动顺序及各轴的转速级数和大小 1 4 6机床的运动计算 步骤 1 确定传动链两端件 找出该传动链的始端件和终端件 2 写出传动链的传动路线表达式 由始端向末端顺次分析各传动轴之间的传动路线和运动传递关系 查明该传动链的传动路线以及变速 换向 接通和断开的工作原理 3 根据传动链两端件的运动关系 确定它们的计算位移 计算位移为在制订的同一时间内两端件的相对位移量 直线移动位移量或转动位移量n 4 列出运动平衡式 根据计算位移以及相应传动链中各个顺序排列的传动副的传动比 列出运动平衡式 计算出执行件的运动速度 转速 进给量等 或位移量 或者整理出换置机构的换置公式 计算出所需采用的挂轮齿数 或确定对其他变速机构的调整要求 传动结构式 传动路线表达式 例题 运动平衡式 进给运动 例1 主运动 机床传动系统的分析方法 抓两头 连中间 例2 最大 最小转速 例3 最大 最小转速 有几级 例4 按图所示传动系统作下列各题 写出传动路线表达式 分析主轴的转速级数 计算主轴的最高最低转速 注 图中M1为齿轮式离合器 答 1 图 a 传动路线表达式 主轴的转速级数 3 3 2 18级 主轴的最高转速 主轴的最低转速 例5 按图所示传动系统作下列各题 写出传动路线表达式 分析主轴的转速级数 计算主轴的最高最低转速 解 2 图 b 传动路线表达式 主轴的转速级数 主轴的最高转速 主轴的最低转速 列出图中的传动路线表达式 分析图中 轴的转速级数 计算图中 轴的最高转速nmax 根据图中所示传动系统图 完成 列出图中的传动路线表达式 分析图中 轴的转速级数 分别计算图中 轴的最高转速nmax 1 5数控机床概述 数控机床 按加工要求预先编制程序 由控制系统发出以数字量为指令信息进行工作的机床 NC CNC 数控机床是机械加工自动化的核心设备 不管是柔性加工中心 FMC 柔性制造系统 FMS 还是计算机集成制造系统 CIMS 都是以数控机床为主体的 数控车床 加工中心 1 5 1数控机床的工作原理 数控机床加工时 按加工零件的要求 把加工所需的机床运动部件的动作顺序 速度 位移量及各种辅助功能 用数控装置能接受的代码 指令信息 记载在信息载体上 通过信息载体输入数控装置 数控装置根据这些代码进行处理和运算 发出各种指令 控制机床的伺服系统和执行元件动作 自动完成预先规定的工作循环 数控机床的组成 数控装置的组成 一 信息载体 把加工零件所需的全部动作 相关数据及刀具相对于工件的位置等内容 用数控装置所能接受的数字和文字代码表示 并把这些代码储存在信息载体上 穿孔纸带 穿孔卡 磁带 磁盘或其他载体 二 数控装置 接受信息载体传来的信息 经过译码处理与计算控制基础的各种动作 通常由输入装置 控制器 运算器和输出装置等四部分组成 输入装置接受来自信息载体的各种指令信息 经译码后 将控制指令送入控制器 将数据送到运算器 作为控制和运算的原始依据 控制器接受输入装置送来的控制指令 控制运算器和输出装置 有规律地实现对机床各种操作的控制 例如控制主轴变速 工作台移动等 运算器接受控制器的指令 将输入的数据信息进行处理 将处理的结果不断输送到输出装置 输出装置根据控制器的指令 将运算器处理结果以脉冲信号形式输出 驱动伺服机构按规定要求运动 三 伺服系统 它是以机床移动部件 工作台 的位置和速度作为控制量的自动控制系统 伺服系统包括伺服驱动机构与机床的运动部件 它是数控系统的执行部分 它的作用是接受输出装置的脉冲信号 将其转换成机床工作台的位移 相对于每一个脉冲信号的机床部件的位移量叫做脉冲当量 它的大小视机床的精度而定 一般为0 01 0 0005mm 伺服系统应满足的要求是 进给速度范围大 位移精度高 工作速度响应快以及工作稳定性好 目前常用的伺服驱动元件有功率步进电机 直流伺服电动机和交流伺服电动机 四 测量装置 它是将机床的实际位置 速度以及机床当前的环境 如温度 振动 摩擦和切削力等因素的变化 参数加以检测 转变为电信号 输送给数控装置 使数控装置能够校核该机床的实际情况是否与指令值一致 并由数控装置发出指令纠正所产生的误差 并及时作出补偿 测量装置的引入虽然增加了伺服系统控制的复杂性 但能有效地改善系统的动态特性 可进一步实现自适应控制 大大提高工件的加工精度 五 机床本体 数控机床是高精度和高生产的自动化机床 机床本体的设计应根据数控技术的特殊要求进行 1 5 2数控机床的分类 一 按工艺用途分类 1 一般数控机床这类机床和通用机床一样 有数控车 铣 镗 磨等机床 其加工方法和工艺范围与同类型的通用机床相似 但除装卸工件外 这类机床的加工过程是完全自动的 可以加工精度更高复杂形状的表面 2 数控加工中心它是带有刀库和自动换刀装置的数控机床 特点 工件一次安装后可完成铣削 镗孔 钻孔 铰孔 攻螺纹等多道工序的加工 数控加工中心多为镗铣为主 一 按工艺用途分类 1 点位控制数控机床 点击 二 按被控制对象的运动轨迹分类 只要求对刀具相对于工作台的坐标位置进行控制 而对刀具的运动轨迹不需要严格控制 如数控钻床等 2 直线控制数控机床除了要求控制位移起点和重点的准确位置外 还需要两个坐标点之间的位移轨迹是一条直线 并以指定的进给速度进行切削 如车床车削阶梯轴等 也称为连续控制数控机床 能对两个以上坐标方向的运动进行连续控制 如数控铣床等 3 轮廓控制数控机床 点击 三 控制方式分类 1 开环控制数控机床该类型机床没有检测反馈装置 仅能将脉冲信号分配给不仅电动机或伺服电动机 从而驱动工作台移动一定距离 这种系统结构简单 成本低 调整维修方便 适用于精度要求不高的工件加工 2 闭环控制数控机床该机床装有工作台位置检测装置 它能将工作台实际位移量转变为脉冲信号 然后输入数控装置中的比较器 并与指令位移信号进行比较 用两者的差值控制工作台作补充位移 这种系统的加工精度高 但较为复杂 造价高 调试 维修困难 3 半闭环控制数控机床它是将位置检测装置从工作台位移量 丝杠端或伺服电动机端 这种位置检测装置结构简单 紧凑 成本低 由于间接测量工作台位移量 丝杠传动机构不在闭环控制中 无法补偿传动机构的误差 因此 其精度较闭环控制数控机床差 1 5 3数控机床的特点 加工精度高 效率高 能适应小批量复杂零件加工等 1 加工精度高 加工质量稳定 精密机械技术和计算机技术相结合 具有很高的刚度和热稳定性 传动机构也采取了减小误差的措施 可利用软件进行误差补偿 加工是按事先程序自动进行 可避免人为误差 2 生产效率高与普通机床相比可提高2 3倍 3 适应性和通用性强当加工对象改变时 只需重新编制相应的程序 输入计算机即可自动地加工出新的工件 特别适合于单件 小批生产的柔性自动化加工 缺点 设备价格昂贵 维修复杂 对调试 维修人员的技术素质要求较高 首件加工的准备周期较长 1 6刀具材料 金属切削加工过程中 刀具切削部分在高温下承受很大切削力与剧烈摩擦 在断续切削中 还伴随着冲击和振动 引起切削温度的波动 所以对刀具的材料有一定的性能要求 高硬度 常温硬度应在HRC60以上 耐磨性 耐磨性是硬度 组织及化学性能等的综合反映 强度和韧性 为了承受切削力 冲击和振动 刀具材料应具有足够的强度和韧性 1 6 1刀具材料应具有的性能 耐热性 高温硬度 高温强度 耐磨性 抗氧化性 抗扩散粘结性等 是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标 工艺性 为了便于刀具制造 包括锻 轧 焊接 切削加工 可磨削性和热处理特性等 淬火变形小 淬透性好 淬透层深 脱碳层浅 高硬度材料须有可磨削加工性 需焊接的材料 宜有较好的导热性与焊接工艺性 还应资源丰富 价格低廉 选择刀具材料时 很难找到各方面的性能都为最佳的条件 比如材料的硬度与韧性之间 综合性能与价格之间都是相互制约的 只能根据工艺需要 以保证主要需求性能为前提 尽可能选用价格低的材料 为什么不宜用碳素工具钢制造拉刀和齿轮刀具等复杂刀具 为什么目前常采用高速钢制造这类刀具 而较少采用硬质合金 1 6 2常用刀具材料的性能与应用 四大类 工具钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 超硬刀具材料 主要采用高速钢和硬质合金 一般硬度越高者可允许的切削速度越大 而韧性越高者可承受的切削力越大 刀体材料 刀体一般均用普通碳素结构钢或合金钢制作 如焊接车刀 镗刀 麻花钻 铰刀的刀柄 尺寸小或切削负荷较大的刀具选用合金工具钢或高速钢整体制作 如螺纹刀具 成形铣刀 拉刀等 机夹硬质合金刀具 可转位硬质合金刀具 镶硬质合金钻头 可转位铣刀等的刀体可用合金工具钢制作 尺寸较小 刚度较差的精密孔用刀具 小直径镗刀 铰刀 为保证刀体有足够的刚度 宜选用整体硬质合金制作 提高刀具的寿命和加工精度 2 常用刀具材料性能特征 二 常用的刀具材料 常用的刀具材料有碳素工具钢 低合金工具钢 高合金工具钢 高速钢 和硬质合金 陶瓷 人造聚晶金刚石 立方氮化硼等 一 碳素工具钢 韧性好 工艺性好 容易刃磨 但耐磨性差 耐热性较差 淬透性差 热处理性能差 只能用于制造手动刀具如钢锯条 锉刀等钳工 木工工具 二 低合金工具钢 虽然硬度较好 但热硬性较差 不能用于高速切削刀具 适用于制作丝锥 板牙等低速切削刀具 三 高速钢 自二十世纪初发现高速钢以来 对现代工业发展起到了重要作用 可以说没有高速钢 就没有现代的金属加工业 尽管六十年代起 硬质合金等材料崛起 但是对于制造形状复杂 磨削困难的刀具 如拉刀 剃齿刀 插齿刀等 高速钢始终处于主导地位 特别是要求刀具具备高韧性时 就非高速钢莫属了 高速钢的特点 含有W Mo Cr V等合金元素较多的合金工具钢 又称为高合金刃具钢 特点 具有较高的硬度 HRC63 69 较高的强度 韧性和耐磨性耐热性为540 600 工艺性能较好 容易磨出锋利的刃口硬度和耐热性不如硬质合金 但刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高 能承受较大的冲击载荷 综合性能好 应用范围最广 热处理后的硬度可达62 66HRC 抗弯强度约为3300MPa 耐热性较高 600 热处理变形小 能锻造 易刃磨 适用范围 结构复杂的刀具 如成形车刀 铣刀 钻头 铰刀 拉刀 齿轮刀具 螺纹刀具等 由于热硬性还不够高 只适用于低速 中速切削加工 1 通用型高速钢应用最广 约占高速钢总量的75 80 碳的质量分数在0 7 0 9 按含钨 钼的不同分为钨系和钨钼系两类 通用高速钢 钨系W18Cr4V 含W约为17 5 19 钼系W6Mo5Cr4V2 含W约为6 主要用于一般材料的常规加工 速度不高于50m min 1 钨系高速钢 W18Cr4V 简称 18 4 1也称为 T1 具有较好的综合性能 因含钒少 刃磨工艺性好 热硬性为600 淬火时过热倾向小 热处理控制较容易 缺点 碳化物含量较高且分布不均匀 颗粒较大 强度和韧性不高 不宜做截面较大刀具 热塑性较差 又因钨价格高 国内使用逐渐减少 国外基本不用此类高速钢 2 钨钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 是指将钨钢中一部分钨用钼代替 所获得的一种高速钢 碳化物颗粒细小 强度 韧性及高位塑性都比W18Cr4V好 缺点 含钒量稍多 磨削加工性比W18Cr4V差 脱碳敏感性大 淬火温度范围较窄 简称6 5 4 2 也称为 M2 用于制作要求耐磨性和韧性很好配合的高速切削刀具 如钻头丝锥等 3 W9Mo3Cr4V 简称9 3 4 1 W9 热稳定性略高于M2 W6Mo5Cr4V2 钢 抗弯强度和韧性都比M2好 具有良好的可加工性能 易轧制 锻 热处理温度范围较宽 脱碳敏感性小 磨削性能较好 另外 我国还开发了W3Mo2Cr4VSi W4Mo3Cr4VSiN等低合金高速钢 价格比W6Mo5Cr4V2钢便宜15 20 实践证明 用其制作低 中速切削的刀具 如中心孔钻 丝锥 小直径麻花钻等 其切削性能不比W6Mo5Cr4V2低 2 高性能 生产率 高速钢 在通用型高速钢成分中增加一些含碳量 含钒量及Co Al等合金元素的新钢种 从而可提高它的耐热性和耐磨性 能用于不锈钢 耐热钢和高强度钢的加工 加工普通材料可达90m min 主要有四大类 高碳高速钢 高钒高速钢 钴高速钢和铝高速钢 高碳高速钢 如95W18Cr4V含碳比相似的通用高速钢高0 20 0 25 使合金元素全部形成碳化物 从而提高钢的硬度 耐磨性和耐热性 但强度和韧性略有下降 在切削不锈钢及其它硬或韧的材料时可显著提高刀具寿命与被加工零件的光洁度 目前很少使用 高钒高速钢 W12Cr4V4Mo EV4 含钒提高3 5 由于碳化钒量的增加 从而提高钢的硬度 HV2800 耐磨性 一般用于制造加工高强度钢的车刀 钻头 铣刀但刃磨比普通高速钢困难 因为钒元素能够提高钢的耐磨性 高钴高速钢 W2Mo9Cr4VCo8 M42硬度可达69 70HRC 比W18Cr4V高4 5HRC600 时的高温硬度可达54 55HRC 综合性能好 允许切削速度高 由于含钒量不高 磨削加工性好 用做刀具在加工耐热合金 不锈钢时 寿命比W18和M2钢明显提高 加工高温合金GH37等难加工材料 刀具寿命可延长4 6倍 并加工材料的硬度越高效果越明显 但我国Co要靠进口 价格很高 高铝高速钢 W6Mo5Cr4V2Al 501 铝不是碳化物形成元素 但它能提高W Mo在钢中的溶解度 并可阻止晶粒长大 600 时的高温硬度可达54HRC 由于不含钴 仍保留较高的强度和韧性 综合切削性能与M42相当 在加工30 40HRC调质钢时 寿命可比通用高速钢高3 4倍 成本低 缺点 加工工艺性稍差 并且过热敏感性大 淬火加热温度范围窄 氧化脱碳倾向大 粉末冶金高速钢于20世纪60年代后期开始研制生产 并在70年代投入应用 粉末冶金高速钢特殊而先进的冶炼方法是高速钢冶炼的一种创新 它造就了性能介于硬质合金和普通高速钢之间的新钢种 使机械制造加工业的刀具用材有了新的突破 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢的特点 1 由于可获得细小均匀的结晶组织 碳化物的晶粒为2 5微米 完全避免了碳化物的偏析 提高了钢的硬度与强度 能达到硬度69 5 70HRC 抗弯强度2730 3430MPa 牌号为APMT15的粉末冶金高速钢 它的强度 韧性分别是同化学成分的熔炼高速钢的2倍及2 5倍 尽管含钒量达5 但由于碳化物晶粒细 可磨性依然很好 高温热硬度也比熔炼高速钢提高0 5 1HRC 由于其物理机械性能高度各向同性 淬火变形小 碳化物颗粒均匀分布的表面较大 不易从刀具的切削刃上剥落 小尺寸刀具耐磨性提高1 5 2倍 大尺寸刀具提高20 30 2 物理力学性能各向同性 可减少热处理变形与应力 可用于制作精密刀具 3 由于钢中的碳化物细小均匀 使刃磨加工性得到显著改善 含钒量多者 改善程度更显著 这一优点使得粉末冶金高速钢可以用于制作新型的 增加合金元素的 加入大量碳化物的超硬高速钢 而不降低其刃磨工艺性 这是熔炼高速钢无法比拟的 主要适用范围是制作成型复杂的刀具 如精密螺纹车刀 拉刀 切齿刀具等 以及加工高强度钢 镍基合金 钛合金等难加工材料用的刨刀 钻头 铣刀等刀具 4 粉末冶金高速钢提高了材料的利用率 粉末冶金高速钢目前应用尚少的原因是成本较高 用高压氩气或氮气雾化熔融高速钢水 得到细小高速钢粉末 筛选后为0 4mm以下的颗粒 在真空 0 04Hg 状态下 密闭烧结达到密度65 再在1100 高温 300MPa高压下制成密度100 的钢坯 然后锻轧成钢材这样有效地解决了熔炼高速钢在铸锭时要产生粗大碳化物偏析的问题 而它无论截面多大 其碳化物级别均为一级 碳化物晶粒极细 小于0 002mm 而熔炼高速钢碳化物晶粒为0 008 0 02mm 四 硬质合金 用高硬度和熔点很高的碳化物 硬质相 和金属 粘结相 通过粉末冶金工艺制成的 硬质合金是制造刀具常用的材料 硬质相有WC TiC TaC NbC粘结相为Co TaC基的为Mo Ni ISO国际标准化组织将切削用硬质合金分为三类 K 相当于我国YG类 钨钴类 包括K10 K40 主要成分为WC Co P 相当于我国YT类 钨钛钴类 包括P01 P40 主要成分为WC TiC CoM 相当于我国YW类 添加稀有金属碳化物类 万能硬质合金 包括M10 M40 主要成分为WC TiC TaC NbC Co 1 高硬度 耐热性好常温下可达74 81HRC 远高于高速钢 耐磨性较好 540 C时硬度仍可达82 87HRA 能耐800 1000 C的高温 硬质合金的性能特点 2 抗弯强度和韧性好抗弯强度可达900 1500MPa Co越高抗弯强度越高 为脆性材料 常温下冲击韧性仅为高速钢的1 30 1 8 所以硬质合金刀片一般焊接或夹固在刀柄上使用 只有小模数齿轮滚刀或小的硬质合金钻头和立铣刀等才做成整体的 刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利 3 导热系数低由于TiC的导热系数低于WC 所以钨钛钴类导热系数比钨钴类低 并随着TiC含量的增加而下降 4 热膨胀系数小硬质合金的热膨胀系数比高速钢小得多 钨钛钴类比钨钴类线膨胀系数大 所以焊接时产生裂纹的倾向比大 YG 钨钴类 硬质合金 抗弯强度和韧性比钨钛钴类高 能承受冲击 可减少崩刃 但耐热性比P类差 以代号 K 表示 并采用红色标记由碳化钨 WC 和粘结剂Co组成 常用的牌号有YG8 YG6 YG3 YG8C YG6X YG3X等 Y 硬质合金 G 钴 X 细晶粒 碳化物含量高 粘结剂含量低时 其硬度高 强度和韧性低 YG8 用于粗加工 YG6 用于半精加工 YG3 用于精加工 较高的耐热性 较好的抗粘结 抗氧化能力 YT 钨钛钴类 硬质合金 以代号 P 表示 并采用蓝色标记由WC TiC和粘结剂Co组成 常用牌号有YT5 YT15 YT30 Y 硬质合金 T 碳化钛 数字表示TiC含量 TiC的作用是提高合金的硬度和耐热性 YT5 用于粗加工 YT15 用于半精加工 YT30 用于精加工 适用于加工钢材等塑性材料 加工钢材时塑性变形大 摩擦剧烈 切削温度较高 不能加工不锈钢或钛合金 否则会产生严重的粘刀现象 在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具的磨损 以代号 M 表示 并采用黄色标记加入TaC后可提高硬质合金的硬度 耐磨性 耐热性和抗氧化性 并能细化晶粒 牌号有YW1 YW2YW1 用于精加工 YW2 用于粗加工或半精加工 适用于加工耐热钢 高锰钢 不锈钢等难加工材料 也适宜加工一般钢材和普通铸铁及有色金属 所以称为通用硬质合金或万能硬质合金 YW钨钛钽 铌 钴类 使用小结 适用范围 结构简单的刀具 如车刀 铣刀 刨刀等 讨论题 1 今有两个工件 一为铸铁件 一为钢件 若选用硬质合金刀具材料 各应选用哪种种类 在YG类和YT类中选用 2 今有一铸钢件毛坯 为何要用YG6牌号刀具加工 普通硬质合金中WC粒度为几个微米 细晶粒硬质合金平均粒度在1 5微米左右 超细晶粒合金粒度在0 2 1微米之间 其中绝大多数在0 5微米以下 细晶粒合金中硬质相和粘结相高度分散 增加了粘结面积 提高了粘结强度 硬度与强度都比同样成分的合金高 硬度约提高1 5 2HRA 抗弯强度约提高0 6 0 8GPa 而且高温硬度也能提高 可减少中低速切削时产生的崩刃现象 生产超细晶粒合金 除必须使用细的WC粉末外 还用添加微量抑制剂 以控制晶粒长大 并采用先进烧结工艺 成本较高 细晶粒 超细晶粒硬质合金 钢结硬质合金 由WC TiC作硬质相 高速钢作粘结相 通过粉末冶金工艺制成 可以锻造 切削加工 热处理与焊接 淬火后硬度高于高生产率高速钢 强度韧性高于硬质合金 可用于制造模具 拉刀 铣刀等形状复杂的工具或刀具 采用化学气相沉积 CVD 物理气相沉积 PVD 等离子化学气相沉积 PCVD 盐浴浸镀法 等离子喷涂 热解沉积层以及化学涂覆法等工艺 在硬质合金表面涂覆一层难熔金属碳