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第二章机械加工方法 2 1机械加工方法 工件表面的成形运动有三种 1 主运动直接切除工件上的余量形成加工表面的运动 主运动的速度即切削速度 2 进给运动不断把余量投入切削的运动 进给运动的速度用进给量或进给速度表示 3 定位和调整运动使工件或刀具进入正确加工位置的运动 如调整切削深度和工件分度等 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动 可以由刀具完成 也可以由工件完成 还可以由刀具和工件共同完成 主运动和进给运动可以是直线运动 或平动 也可以是回转运动 或转动 还可以是平动和转动的复合运动 根据机床运动的不同 刀具的不同 可将去除零件毛坯多余材料的切削方法分为 车削 铣削 刨削 磨削 钻削和特种加工等几种主要类形 2 2 1车削 2 1 2铣削 主运动是刀具的旋转 卧铣时 工件平面是由铣刀的外圆柱面上的刀刃形成的称为周铣法 立铣时 平面是由铣刀的端面刃形成的称端铣法 铣削的切削运动 是刀具做快速的旋转运动即主运动和工件做缓慢的直线运动即进给运动 按照铣削时主运动速度方向与工件进给方向的相同或相反 将周铣法分为顺铣和逆铣 顺铣时 铣削力的水平分力与工件进给方向相同 而工作台进给丝杠与固定螺母之间一般又有间隙存在 因此切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动 使进给量突然增大 容易引起打刀 逆铣则可以避免这一现象 故生产中多采用逆铣 逆铣时切削厚度从零开始逐渐增大 因而刀刃开始切削时 将经历一段在切削硬化的巳加工表面上挤压 滑行过程 加速了刀具的磨损 同时逆铣时 铣削力将工件上抬 易引起振动 这是逆铣的不利之处 逆铣 铣削方式 顺铣 铣平面 顺铣和逆铣各有特点 应根据加工的具体条件合理选择 由于端铣的加工质量和生产效率比周铣高 在大批量生产中端铣比周铣用得多 周铣可使用多种形式的铣刀 能铣槽 铣成形表面 并可在同一刀杆上安装几把刀具同时加工几个表面 适用性好 在生产中用得也比较多 普通铣削一般只能加工平面 斜面 垂直面 各种沟槽 用成形铣刀可以加工出特定的曲面 有时孔的钻 镗加工 也可以在铣床上进行 数控铣床可以用软件 通过数控系统控制几根轴 按一定关系联动 铣出复杂曲面 一般采用球头铣刀 2 1 3刨削 刨削时刀具的往复直线运动为切削主运动 工件的间隙移动为进给运动 刨削主要用来加工平面 槽及一些成型面 插床实际上可以看作立式的牛头刨床 主要用来加工键槽等内表面 2 1 4磨削 磨削以砂轮或其它磨具对工件进行加工 其主运动是砂轮的旋转 砂轮上每个磨粒都可以看成一个微小刀齿 砂轮的磨削过程 实际上是磨粒对工件表面的切削 刻削和滑擦三种作用的综合效应 磨削过程中 磨粒本身由尖锐逐渐磨钝 使切削作用变差 切削力变大 当切削力超过粘合剂强度时 磨钝的磨粒脱落 露出一层新的磨粒 这就是砂轮的 自锐性 切屑和碎磨粒会将砂轮阻塞 因此 磨削一定时间后 需要用金刚石刀修磨砂轮 磨削特点 1 刀刃很多 加工平稳 精度高 2 可以对淬硬的金属材料进行加工 3 磨削时会产生大量的切削热 需要有充分的切削液进行冷却 强力磨削可以在单位时间内达到很大的切除量 因而可以一次完成粗 精加工 纵向进给磨削 图 横向进给磨削 切入磨削 外圆和端面同时磨削 工件无中心支承的外圆磨削 2 1 5钻削与镗削 2 1 6齿面加工 成形法 用与齿槽形状相同的成形刀具进行齿形加工的方法 成形法加工齿面所使用的机床一般为普通铣床 刀具为成形铣刀 需要两个简单成形运动 刀具的旋转运动B1和直线移动A2 加工时可在卧式或立式铣床上用分度头分度 用与齿槽形状相符的成形铣刀逐个切出齿形 成形法用于加工直齿 斜齿和人字齿轮 特点 生产率和加工精度低 但所需设备简单 多用于修配和单件小批生产中 加工低速 低精度的齿轮 也可以加工重型机械中 精度较高的齿轮 展成法 利用齿轮刀具与被切齿轮相互啮合原理切出齿轮的方法 在两齿轮 或齿条与齿轮 的啮合中 如果设想两个齿轮中 一个齿轮为刀具 另一个齿轮为没有牙齿的轮坯 使它们按一定速比作相对运动 那么刀具就会在轮坯上切出模数相同的渐开线齿轮 常用的机床有滚齿机和插齿机 在滚齿机上用滚刀加工齿形的方法称滚齿 滚齿法可以加工直齿和斜齿圆柱齿轮 蜗轮等 插齿加工是利用插齿刀 在插齿机上按展成法原理来加工齿轮齿形的方法 加工时一个齿轮是工件 另一个是特制的 齿轮 其每个轮齿的齿廓和齿顶 都制成具有前 后角的切削刃 即齿轮形插齿刀 当插齿刀与相啮合的齿坯之间强制保持齿轮啮合的传动比关系时 插齿刀作上 下往复运动 就可切出齿形 滚齿与插齿基本上是同等精度的加工方法 多数圆柱齿轮既可以滚切 又可以插削 两者主要差别是 加工范围不同 其次在精度 生产率 表面粗糙度等方面也略有不同 如蜗轮只能在滚齿机上加工 内齿轮和齿条只能在插齿机上加工 斜齿轮只能在滚齿机上加工比较方便 加工多圈圆柱齿轮中的小齿轮时 若两齿圈之间的轴向距离很小 就只能用插齿机加工 如果用滚齿机加工 滚刀将与大齿轮发生干涉 插齿的运动精度不如滚齿高 但插齿刀的制造工艺比滚刀简单 容易制造的较精确 所以插齿的齿形误差比较小 2 1 7复杂曲面加工 三维曲面的切削加工 主要采用仿形铣和数控铣或特种加工方法 仿形铣必须有原型作为靠模 加工中 球形仿形头始终以一定的压力接触原型的曲面 仿形头的运动变换为电感量 信号经过放大控制铣床三个轴的运动 形成刀头沿曲面运动的轨迹 原型一般可采用工件样件 手工制作或快速原型技术制造 铣刀多采用与仿形头等半径的球头铣刀 这种方法加工的误差取决于原型精度 靠模压力 切削用量及曲面本身的复杂程度 在数控铣床或加工中心上加工时 曲面是通过球头铣刀逐点按曲面坐标值加工而成 在编制加工程序时 要考虑刀具半径补偿 采用加工中心加工复杂曲面的优点是 加工中心上有刀库 配备几十把刀具 对曲面的粗 精加工 对不同曲率半径的凹凸曲面的加工 都可以选到不同的刀具 同时 可在一次装夹中 加工出工件上各种辅助表面 有利于保证各表面的相对位置精度 2 1 8特种加工 科学技术的发展提出了许多传统的切削加工方法和加工系统难以胜任的制造任务 如具有高硬度 高强度 高脆性或高熔点的各种难加工材料 如硬质合金 钛合金 淬火工具钢 陶瓷 玻璃等 的加工 具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件 如薄壁件 弹性元件 具有复杂曲面形状的模具 叶轮机的叶片 喷丝头等 的加工 特种加工方法正是为完成这些制造任务 而产生和发展起来的 特种加工方法 区别于传统切削加工方法 而利用化学 物理或电化学方法 对工件材料进行加工的系列加工方法的总称 2 2加工方法选择 2 2 1外圆表面加工方法1 车削工件通过夹具装夹在车床主轴上 并与车床主轴一起回转形成主运动 刀具安装在刀架上 与纵溜板一起做平行于主轴回转轴线的直线进给运动 形成圆柱面 或作与主轴回转轴线成一定角度的直线进给运动 形成圆锥面 或沿着靠模曲线运动形成回转曲面 2 成形车削用成形车刀车削外圆 通常采用径向进给 少数也采用切向进给 多用于自动车床上的小件加工 3 旋转拉削工件旋转 拉刀沿切向作直线进给运动 完成外圆加工 旋转拉削是一种高生产率的加工方式 适用于大批量生产 4 研磨工件回转 研具沿工件做往复直线进给运动 研磨属零件表面光整加工 材料去除量很小 5 铣削外圆刀具与工件均作回转运动 刀具运动为主运动 工件运动为进给运动 可用于加工长度较短 具有部分圆柱形的表面 6 成形外圆磨运动形式与铣削外圆相同 多用于长度较短或不完整圆柱形表面的精加工 7 普通外圆磨砂轮回转运动为主运动 工件进给运动包括转动和移动 多用于黑色金属 特别是淬硬钢外圆表面的精加工 8 无心磨工件放在砂轮和导轮之间 砂轮高速回转进行磨削 导轮低速回转 带动工件旋转并做轴向移动 实现进给运动 无心磨生产效率高 适用于大批量生产 9 车铣加工这是一种新的加工方法 加工偏心零件外圆表面时 由于零件不能高速旋转 采用车削方法无法充分发挥刀具的潜力 采用端铣刀铣外圆 不仅可获得高的切削效率 且可保证可靠的断屑 车铣时 端铣刀与工件互相垂直布置 通过改变工件转速 轴向进给和切深 可在工件上车铣出不同的形状 10 滚压加工通过自由旋转的滚子对工件表面均匀施加压力 使被滚压表面得到强化 并形成表面残余压应力 表面粗糙度也得到减小 滚压加工还常用来成形表面花纹 11 超精研磨工件作回转主运动 研磨条以很小的压力压住工件并做轴向进给 同时作频率为8 35Hz的低频振动 研磨后加工表面磨痕呈复杂的网纹状 可获得极小的表面粗糙度值 2 2 2内圆表面加工方法 1 钻孔在钻床上或镗床上加工 主运动和进给运动均由刀具完成 在车床上钻孔 主运动由工件完成 进给运动由刀具完成 在组合机床上加工 刀具完成主运动 进给运动或由工件完成或由刀具完成 扩孔是用扩孔钻对已经钻出 铸出或锻出的孔作进一步加工 扩孔钻与麻花钻相似 但刀齿数较多 没有横刃 2 扩孔 扩孔除了可以加工圆柱孔之外 还可以用各种特殊形状的扩孔钻 亦称锪钻 来加工各种沉头座孔和锪平端面 锪钻的前端常带有导向柱 用已加工工孔导向 三 铰孔铰孔是孔的精加工方法之一 在生产中应用很广 对于较小的孔 相对于内圆磨削及精镗而言 铰孔是一种较为经济实用的加工方法 铰刀 4 镗孔镗孔是在预制孔上用切削刀具使之扩大的一种加工方法 镗孔工作既可以在镗床上进行 也可以在车床上进行 镗孔方式 镗孔有不同的三种加工方式 1 工件旋转 刀具作进给运动 2 刀具旋转 工件作进给运动 3 刀具旋转并作进给运动 镗孔的工艺特点及应用范围镗孔和钻一扩一铰工艺相比 孔径尺寸不受刀具尺寸的限制 且镗孔具有较强的误差修正能力 可通过多次走刀来修正原孔轴线偏斜误差 而且能使所镗孔与定位表面保持较高的位置精度 5 拉孔 利用多刃刀具通过刀具相对于工件的直线运动完成加工 分层式拉削 特点是拉刀将工件加工余量一层一层顺序地切除 拉孔三种不同拉削方式 分块式拉削 特点是加工表面的每一层金属是由一组尺寸基本相同但刀齿切削位置相互交错的刀齿 通常每组由2 3个刀齿组成 切除的 综合式拉削 集中了分层及分块式拉削的优点 粗切齿部分采用分块式拉削 精切齿部分采用分层式拉削 按综合拉削方式设计的拉刀称为综合式拉刀 2 拉孔的工艺特征及应用范围1 拉刀是多刃刀具 在一次拉削行程中就能顺序完成孔的粗加工 精加工和精整 光整加工工作 生产效率高 2 拉孔精度主要取决于拉刀的精度 在通常条件下 拉孔精度可达IT9 IT7 表面粗糙度可达6 3 1 6 m 3 拉孔时 工件以被加工孔自身定位 拉刀前导部就是工件的定位元件 拉孔不易保证孔与其他表面的相互位置精度 对于那些内外圆表面具有同轴度要求的回转体零件的加工 往往都是先拉孔 然后以孔为定位基准加工其他表面 4 拉刀不仅能加工圆孔 而且还可以加工成形孔 花键孔 5 拉刀是定尺寸刀具 形状复杂 价格昂贵 不适合于加工大孔 拉孔常用在大批大量生产中加工孔径为 10 80mm 孔深不超过孔径5倍的中小零件上的通孔 6 挤孔可以用挤刀挤孔 也可以用钢球挤孔 挤孔在获得尺寸精度的同时 可使孔壁硬化 并可降低被加工孔的表面粗糙度 7 磨孔磨孔是高精度 淬硬内孔的主要加工方法 其基本加工方式有内圆磨削 无心磨削和行星磨削 1 珩磨原理及珩磨头 8 珩磨孔 珩磨是利用带有磨条 油石 的珩磨头对孔进行精整 光整加工的方法 珩磨头磨条的径向伸缩调整有手动 气动和液压等多种结构形式 图为手动调整结构 2 珩磨的工艺特点及应用范围1 珩磨能获得较高的尺寸精度和形状精度 加工精度为IT7 IT6级 孔的圆度和圆柱度误差可控制在3 5 m的范围之内 但珩磨不能提高被加工孔的位置精度 2 珩磨能获得较高的表面质量 表面粗糙度Ra为0 2 0 025 m 表层金属的变质缺陷层深度极微 2 5 25 m 3 与磨削速度相比 珩磨头的圆周速度虽不高 但由于砂条与工件的接触面积大 往复速度相对较高 所以珩磨仍有较高的生产率 2 2 3平面加工 1 刨平面牛头刨床 刨刀的直线运动为主运动 进给运动通常由工件完成 龙门刨床 工件的直线往复运动为主运动 进给运动通常由刀具完成 2 插削是内孔键槽的常用的加工方法 其主运动通常为插刀的直线运动 3 铣平面有周铣和端铣两种形式 端铣刀由于刀盘转速高 刀杆刚性好 可进行高速铣削和强力铣削 4 磨削平面分圆周磨和端面磨两大类 圆周磨由于砂轮与工件接触面积小 磨削区散热排屑条件好 加工精度高 端面磨允许采用较大的磨削用量 可获得高的加工效率 但加工精度不如圆周磨 平面磨削一般作为精加工的工序 安排在粗加工之后进行 5 车 镗 平面在车床上车平面时 工件的回转运动是主运动 刀具做垂直于主轴回转轴线的进给运动 镗平面时 主运动和进给运动均由刀具完成 6 拉平面平面拉刀相对于工件作直线运动 称为直拉 或圆周运动 称为转位拉或转拉 实现拉削加工 平面拉削是一种高精度和高效率的加工方法 适用于大批量生产 2 2 4螺纹加工 1 车螺纹螺纹车刀结构简单 通用性好 可用于加工各种尺寸 形状和精度的内外螺纹 但加工效率低 多用于小批量生产 2 攻丝和套丝用丝锥攻丝和用板牙套丝常用于加工精度要求不高的标准内 外螺纹 攻丝和套丝时 丝锥和板牙 或工件 的回转运动是主运动 丝锥和板牙 或工件 按螺距要求作直线进给运动 3 盘形铣刀铣螺纹主要用于加工大螺距的梯形螺纹和蜗杆 4 梳形铣刀铣螺纹梳形铣刀相当于若干把盘形铣刀的组合 一般在专用的螺丝铣床上加工短而螺距不大的内 外螺纹 工作时 工件回转一周 梳形铣刀沿轴向移动一个螺距 即可切出全部螺纹 5 旋风铣螺纹利用装在特殊旋转刀盘上的硬质合金刀头进行内 外螺纹的高速铣削 是一种高效率的加工方法 6 磨螺纹是一种高精度的螺纹加工方法 主要用于加工短螺纹 磨螺纹与铣螺纹相似 有单牙和多牙式两种 前者多用于精密螺纹磨削 后者有较高的生产率 但砂轮修整困难 7 滚压螺纹是一种高效率的螺纹加工方法 利用压力加工方法使金属材料产生塑性变形以形成螺纹 所用的工具有滚丝轮和搓丝板 利用滚丝轮滚压螺纹 可获得较高的螺纹精度和较低的螺纹表面粗糙度 2 2 5齿形加工方法 1 铣齿 铣刀刀齿截面形状与齿轮间形状相对应 加工效率和加工精度均较低 仅适用于单件小批量生产 2 成形磨齿属于成形法加工 因砂轮不易修整使用较少 齿轮滚刀是按展成法加工齿轮的刀具 在齿轮制造中应用很广泛 可以用来加工外啮合的直齿轮 斜齿轮 标准齿轮和变位齿轮 用齿轮滚刀加工齿轮的过程 相当于一对螺旋齿轮啮合滚动的过程 3 滚齿 4 剃齿是非淬硬齿面常用的精加工方法 利用剃齿刀与被加工齿轮作自由啮合运动 借助于两者之间的相对滑移 从齿面上剃下很细的切屑 以提高齿面的精度 剃齿还可形成鼓形齿 用以改善齿面接触区位置 5 插齿插齿刀与工件相当于一对圆柱齿轮的啮合 插齿刀的往复运动是插齿的主运动 而插齿刀与工件按一定比例关系所作的圆周运动是插齿的进给运动 6 展成法磨齿是一种齿形精加工方法 特别是对于淬硬齿轮 往往是唯一的精加工方法 展成法磨齿可以采用蜗杆砂轮磨削 也可以采用锥形砂轮或碟形砂轮磨削 展成法磨齿机的原理和运动1 连续磨齿2 分度磨齿 7 拉齿主要用于加工内齿和拉花键 也可以加工外齿轮 无论何种情况 拉齿只适用于大批量生产 选择加工方法主要考虑零件表面形状 尺寸精度和位置要求 表面粗糙度要求 零件材料的可加工性 零件的结构形状和尺寸 生产类型以及现有机床和刀具等资源情况 生产批量 生产率和经济技术分析等因素 第三章金属切削机床 3 1 金属切削机床的发展零件的制造方法有很多 如铸造 锻造 焊接 冲压等 但凡属尺寸精度 几何精度 位置精度要求较高 表面粗糙度要求较细的零件 一般都要求用切削加工方法制造 金属切削机床是用切削方法将金属毛坯或半成品加工成机器零件的机器 它是制造机器的机器 所以又称为 工作母机 或 工具机 习惯上简称为机床 天轴传动 一个动力源带动多台车床的传动 3 2 1工件的加工表面及其形成方法1 被加工表面分析被加工表面是通过装在机床上的刀具和工件按一定规律相对运动而获得的 通过刀具的切削刃对工件毛坯的切削 把毛坯上多余的金属切掉 从而得到所要求的表面形状 尽管零件千姿百态 形状各异 但组成零件的加工表面主有以下几种 平面 圆柱面 圆锥面和各种成形表面 2 工件表面形成方法工件上常见的表面都是线性表面 即都可以通过一条母线沿另一条导线运动后而获得 机床加工机械零件的过程 实质就是形成零件上各个工作表面的过程 就是借助于一定形状的切削刃以及切削刃与被加工表面间按一定规律的相对运动 形成所需的母线和导线 由于加工方法 刀具结构及切削刃的形状不同 所以形成母线和导线的方法及所需运动也不相同 有以下四种 1 轨迹法 刀具切削点按一定的规律作轨迹运动 形成所需的发生线 刀具需要有一个独立的成形运动 2 成形法 刀具刀刃就是切削线 它的形状及尺寸与需要成形的发生线一致 刀具不需要专门的成形运动 3 相切法 刀具中心按一定规律作轨迹运动 切削点运动轨迹与工件相切就形成了发生线 刀具需要有两个独立的成形运动 即刀具的旋转和刀具中心一定规律运动 4 展成法 在运动 展成运动 切削线与发生线逐点相切 发生线是切削线的包络线 刀具和工件需要有一个独立一的复合成形运动 展成运动 3 2 2机床的分类与型号 1 机床的分类机床共分12类 在每一类机床中 又按工艺范围 布局型式和结构性能等分为10组 每一组又分若干系列 2 机床的型号编制机床型号是机床产品的代号 用以简明地表示机床的类型 性能和结构特点 主要技术参数等 我国机床型号编制方法的现行国家标准是 GB T15375 1994金属切削机床型号编制方法 机床型号由一组汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成 1 型号表示方法 机床的类别用大写的汉语拼音字母表示见表 需要时 类但第一分类以下还可有若干分类 分类代号用阿拉伯数字表示 放在类代号之前 作为型号的首位 但第一分类不予表示 2 机床类 组 系的划分及其代号 系的划分原则是 凡主参数相同 并按一定公比排列 工件和刀具本身的相对运动特点基本相同 且基本结构及布局也相同的机床 划为同一系 机床的组 系代号分别用一位阿拉伯数字表示 位于类代号或特性代号之后 表 每类机床按其结构性能及使用范围划分为10个组 用数字0 9表示 每组机床又分若干个系 系列 金属切削机床类 组划分如 4 机床主参数和设计顺序号机床主参数代表机床规格的大小 用折算值 主参数乘以折算系数 如1 10等 表示 某些通用机床 当无法用一个主参数表示时 则在型号中用设计顺序号表示 3 机床的特性代号当某类型机床除有普通型外 还具有某种通用特性时 则在类代号之后加上通用特性代号 6 机床的重大改进顺序号当机床的性能及结构布局有重大改进 并按新产品重新设计 试制和鉴定时 在原机床型号的尾部 加重大改进顺序号 以区别于原机床型号 序号接A B C 等字母的顺序选用 5 主轴数和第二主参数的表示方法对于多轴车床 多轴钻床等机床 其主参数以实际值列入型号 置于主参数之后 用 X 分开 读作 乘 第二主参数一般是指最大模数 最大转矩 最大工件长度 工作台工作面长度等 第二主参数也用折算值表示 7 其他特征代号及其表示方法其他特征代号置于辅助部分之首 主要用以反映各类机床的特征 例如 对于一般机床 可以反映同一型号机床的变型 8 企业代号及其表示方法企业代号中包括机床生产厂一或机床研究单位代号 置于辅助部分末尾 用 一 号分开 读作 至 通用机床型号编制实例 CA6140型卧式车床 9 专用机床的型号编制专用机床型号由设计单位代号和设计顺序号组成 1 设计单位代号设计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 2 专用机床的设计顺序号专用机床的设计顺序号按该单位的设计顺序 由 0 起始 排列 位于设计单位代号之后 并用 一 号隔开 读作 至 设计单位代号 当设计单位为机床厂时 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 当设计单位为机床研究所时 用研究所名称的大写汉语拼音字母表示 专用机床的组代号用一位阿拉伯数字 不包括 0 表示 放在设计单位代号之后 并用 读作 至 分开 专用机床的组 按产品的工作原理划分 由各机床厂和机床研究所根据产品情况自行确定 专用机床的设计顺序号 按各机床厂和研究所的设计顺序 由 001 起始 排列放在专用机床的组代号之后 例 北京第一机床厂设计制造的第一百种专用机床为专用铣床属于第三组 其编号为 B1 3100 3 3 1机床的基本组成及运动 1 机床的基本组成1 动力源为机床提供动力 功率 和运动的驱动部分 2 传动系统包括主传动系统 进给系统和其它运动的传动系统 3 支承件用于安装和支承其它固定的或运动的部件 承受其重力和切削力 支承件是机床的基础构件 亦称机床大件或基础件 4 工作部件包括 1 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 2 与工件和刀具安装及调整有关的部件或装置 3 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 5 控制系统用于控制各工作部件的正常工作 主要是电气控制系统 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 它包括数控装置 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 6 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 7 润滑系统用于对机床的运动副 如轴承 导轨等 进行润滑 以减小摩擦 磨损和发热 8 其它装置如排屑 自动测量装置等 2 机床的运动主运动表面形成运动机床运动进给运动辅助运动1 表面形成运动表面形成运动是机床最基本的运动 亦称工作运动 表面形成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 成形法和展成法等各种不同加工方法 构成不同类型的机床 工具形状越复杂 机床所需的表面形成运动就越简单 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 机床主要采用结构上易于实现的旋转运动和直线运动来实现表面形成运动 且主运动只有一个 进给运动可有一个或几个 1 主运动是形成切削速度并从工件上切除多余材料起主要作用的工作运动 机床功率主要消耗于主运动 主运动的形式有 工件或刀具作旋转运动 r min 工件或刀具作直线运动 m min或dst min 复合运动 2 进给运动是使工件上多余材料不断被去除的工作运动 又是维持切削得以继续的运动 进给运动可以有一个或几个 进给运动也可以是复合运动 进给速度 进给量 有两种表示方式 以每分钟进给量表示简称 分进给 以与主运动相联系的方式表示简称 转进给 或主运动每一往复行程进给量 分进给方式可以直观地反映出生产率 但反映不出进给量对表面粗糙度的影响 转进给方式虽然不能直观地反映出生产率 却可以在一定程度上反映己加工表面粗糙度 机床进给运动的形式可以是连续运动或是间隙运动 自动进给进给运动的实现方式机动进给手动进给2 辅助运动加工工具与工件除工作运动以外的其它运动 切入运动趋近各种空行程运动退刀辅助运动返回分度运动其它辅助运动操纵和控制运动 3 3 2机床技术性能指标 1 机床的工艺范围通用机床具有较宽的工艺范围 在同一台机床上可以满足较多的加工需要 适用于单件小批生产 专用机床是为特定零件的特定工序而设计的 自动化程度和生产率都较高 但它的加工范围很窄 数控机床则既有较宽的工艺范围 又能满足零件较高精度的要求 并可实现自动化加工 2 机床的技术参数机床的主要技术参数包括 尺寸参数 运动参数及动力参数 尺寸参数 具体反映机床的加工范围 包括主参数 第2主参数和与加工零件有关的其它尺寸参数 各类机床的主参数和第2主参数我国已有统一规定 运动参数 机床执行件的运动速度 动力参数 机床电动机功率 有些机床还给出了主轴允许承受的最大转距等其它内容 3 机床精度与刚度机床精度 机床本身必须具备的精度 1 机床几何精度 机床在未受外载荷和静止 或运动速度很低 时的精度 包括机床主要零部件的精度及其相互之间的位置精度和运动轨迹精度 2 机床运动精度 机床主要工作部件在工作速度下运动时的各项精度 3 传动精度 机床传动系各未端执行件之间运动的协调性和均匀性 4 定位精度 机床的定位部件运动到达规定位置的精度 5 工作精度 加工规定的试件 试件的加工精度 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 机床刚度 机床系统抵抗变形的能力 机床静刚度 机床在静载荷的作用下抵抗变形的能力 机床动刚度 机床在受到一定频率的交变载荷 激振力 作用时所表现的刚度 机床刚度 3 3各类机床 3 3 1车床一 车床的基本知识1 车床的加工范围主要用于加工各种回转表面和回转体的端面 有些车床还能加工螺纹面 在金属切削机床上车床所占的比重最大 大约占机床总数的20 30 2 主要技术规格常用车床中的一些最主要的技术规格来描述 即为主参数 它直接反映车床的加工能力 而且还影响车床的基本参数和基本结构的大小 落地卧式车床的主参数为床身上最大回转直径 立式车床的主参数为最大车削直径 单轴 多轴自动车床的主参数为最大棒料直径 回轮车床的主参数为最大棒料直径 转塔车床的主参数为最大车削直径 仿形车床的主参数是刀架上最大车削直径 3 传动原理 二 卧式车床工艺范围及组成 三 其它车床介绍1 精密和高精度车床特点如下 1 机床的几何精度有较大提高在主轴及轴承 导轨 丝杠 螺母等直接影响几何精度的关键零件制造或选材方面 都比普通车床要求高 从而大大提高了主轴的回转精度 刀架的定位精度 2 主传动系统常采用 分离 式传动把主轴箱和其变速部分 分开的传动形式称为 分离 式传动 其最大好处是变速部分产生的振动和热量不直接传给主轴箱 从而提高主轴的运转平稳性 减少主轴箱和主轴的热变形 提高了加工精度 3 主轴卸荷式带轮传动能将作用在其上的径向力传给箱体 仅将转矩传给主轴 减少了主轴的弯曲变形 并提高主轴运转的平稳性 4 常采用滑动轴承作为主轴支承其特点是制造精度高 前 后轴承安装后一起镗削内孔 同轴度高 轴承接触面积大 间隙小 且可调整 保证了其具有较高的旋转精度和良好的抗振性 其它措施 采用隔离 隔振地基 无级变速 直接用交换齿轮变速 主轴轴承采用静压滑动轴承 将机床安置在恒温的环境中进行加工等 2 立式车床主要用于加工径向尺寸大 而轴向尺寸相对较小 且形状较复杂的大型或重型零件 3 滑鞍转塔车床 3 3 2铣床 一 铣削的基本知识1 铣削的加工范围 2 常用铣削刀具 二 卧式万能升降台铣床 三 其它铣床 3 3 3磨床 一 磨削的基本知识磨削 用磨料 磨具 如砂轮 砂带 对工件进行切削加工 磨削加工容易获得高的加工精度和好的表面质量 磨床主要应用于零件精加工 磨床的主要类型有 1 外圆磨床 2 内圆磨床 3 平面磨床 4 工具磨床 5 刀具刃具磨床 6 各种专门化磨床 7 其它磨床 二 万能外圆磨床1 机床的组成 2 万能外圆磨床的工作1 磨外圆 2 磨内圆 3 磨外圆锥面 4 磨内圆锥面 3 机床的机械传动M1432A型磨床的运动是由机械传动和液压传动组成的 采用液压传动的有 工作台纵向往复移动 砂轮架快速进退和周期径向自动切入 尾座顶尖套筒缩回等 其余运动由机械传动 外圆磨削时 砂轮旋转的主运动是由电动机经V带直接传动的 使主轴获得高转速 其传动路线为 主电动机 砂轮内圆磨削时 砂轮旋转的主运动是由单独的电动机经平带直接传动 更换平带轮 可使内圆砂轮获得两种高转速 内圆磨具装在支架上 为了保证工作安全 内圆砂轮电动机的起动与内圆磨具支架的位置有着连锁作用 只有当支架翻到工作位置时 电动机才能起动 这时砂轮架快速进退手柄在原位上自动锁住 不能快速移动 头架拨盘的传动链 工件旋转运动由双速电动机驱动 经V带传动使头架的拨盘或卡盘带动工件实现圆周进给 工作台的手动驱动 调整机床及磨削阶梯轴的台阶端面和倒角时工作台还可以由手轮驱动 液压传动和手轮之间采用了联锁装置 液压驱动工作台纵向运动时手轮并不转动 三 其它磨床1 平面磨床及其工作平面磨床按砂轮轴线所在位置和工作台的形状不同可分为 1 卧轴矩台 2 立轴矩台 3 卧轴圆台 4 立轴圆台 平面磨削的方法 2 无心外圆磨床 工作原理 砂轮和导轮的旋转方向相同 但磨削砂轮的圆周速度很大 约为导轮的70 80倍 通过切向磨削力带动工件旋转 而导轮 是用摩擦因数较大的树脂或橡胶作胶粘剂制成的刚玉砂轮 则依靠摩擦力限制工件旋转 使工件的圆周线速度基本上等于导轮的线速度 从而在磨削砂轮和工件间形成很大的速度差产生磨削作用 改变导轮的转速 便可以调节工件的圆周进给速度 工件磨圆的关键 工件中心高于砂轮和导轮的连心线 高出的距离不能太大 一般取h 0 15 o 25 d d为工件直径 磨削方式 贯穿磨削法 纵磨法 和切入磨削法 横磨法 贯穿磨削时 将工件从机床前面放到托板上 推入磨削区域后 工件旋转 同时又轴向向前移动 从机床的另一端出去就磨削完毕 而另一个工件可相继进入磨削区 工件的轴向进给是由导轮的中心线在垂直平面内向前倾斜了角所引起的 为保证导轮与工件间的接触线成直线形状 导轮的形状需修正成回转双曲面形 切入磨削时 先将工件放在托板和导轮之间 然后使磨削砂轮横向切入进给 来磨削工件表面 导轮的轴心线仅倾斜很小的角度 约30 无心磨削的特点 工作不须打中心孔 且装夹工件省时省力 可连续磨削 生产效率高 工件定位基准是被磨削的外面表面 而不是中心孔 也就消除了工件中心孔误差 外圆磨床工作台运动方向与前 后顶尖连线的不平行 以及顶尖的径向圆跳动等项误差的影响 磨削出来的工件尺寸精度和几何精度比较高 表面粗糙度也比较细 应用 在成批大量生产中应用较普遍 无心磨床调整费时所以不适宜小批量生产 工件表面周围不连续 如有长键槽 或与其它表面的同轴度要求较高时 不适采用无心磨床加工 3 内圆磨床 3 3 4钻床 1 立式钻床仅适用于单件 小批生产中加工小型零件 2 台钻 3 摇臂钻床 3 3 5镗床1 卧式镗床主要用于形状复杂的大 中型零件如箱体 床身 机架等加工精度和孔距精度 形位精度要求较高零件的加工 卧式镗床能对工件一次安装后 完成大部分或全部的加工工序 卧式镗床具有下列工作运动 1 镗杆的旋转主运动 2 平旋盘的旋转主运动 3 镗杆的轴向进给运动 4 主轴箱垂直进给运动 5 工作台纵向进给运动 6 工作台横向进给运动 7 平旋盘径向刀架进给运动 2 坐标镗床装有精密光学仪器 坐标测量装置 机床的主要零部件的制造和装配精度很高 并有良好的刚度和抗振性 主要用来镗削精密孔和位置精度要求很高的孔系 加工范围较广 除镗孔 钻孔 扩孔 铰孔 精铣平面和沟槽外 还可进行精密刻线和划线以及孔距和直线尺寸的精密测量 坐标镗床的主参数是工作台的宽度 3 精镗床特点 切削速度很高 而背吃刀量和进给量极小 可获得很高的加工精度和表面质量 广泛用于成批大量生产中 3 3 6直线运动机床 1 刨床1 牛头刨床 2 插床 3 龙门刨床 2 拉床 拉削时 拉力使被加工表面在一次进给中成形 拉床只有主运动 没有进给运动 切削时拉刀作平稳的低速直线运动 承受的切削力很大 其主运动通常是由液压驱动 拉削加工的生产率加工精度和表面质量都比较高 但拉削每一种表面都要有专门的拉刀 仅用于大批量生产中 卧式拉床的工作原理 毛坯从拉床左端装入夹具并穿入拉刀 然后由机床带动拉刀匀速向右运动 当拉刀通过工件后即完成拉削加工 3 3 7数控机床与加工中心 一 数控机床1 数字控制与数控机床概念数字控制NC NumericalControl 采用数值数据的离散化形式 即数字化信号 对设备或机床的运动及加工过程进行自动控制的方法 NC与顺序控制 程序控制的区别 顺序控制指采用控制型计算机去控制自动加工中的各种动作的先后次序 但不能控制运动部件的位移量 而位移量靠预先调整好尺寸的挡块来实现 程序控制则是采用模拟量或连续信号来控制设备运行过程 数控机床 NCMachingTools 意指机床操作指令采用离散化数值数据形式来描述 工作过程按照规定的程序自动执行 典型的NC设备包括 数控铣床 数控车床 加工中心等 数控机床的操作者不必是技术熟练的机械工人 他只需监视机床的工作状况 进行零件的更换 凡是传统机床操作者需费神思考才能干的活己包括在零件程序中 但操作者的判断能力很重要 毕竟他在与高级且昂贵的系统打交道 数控机床的程序编制员应有较高的技术文化素质 必须具有熟练的机械设计 制造工艺知识和实践经验 通晓加工性数据的用法和数控编程语言 熟悉NC机床的功能及其机加工过程 能确定操作的最佳程序 2 数控机床的组成与工作原理1 数控装置是数控机床的控制中心 一般由一台通用或专用微型计算机充任 数控装置一般有两种类型 专用数控装置 简NC数控装置 和通用数控装置 简称CNC数控装置 数控机床大多采用通用数控装置 2 伺服系统是数控机床的执行机构 包括驱动和执行两大部分 伺服系统接受数控装置的指令信息 并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作 以加工出符合要求的零件 指令信息是以脉冲信息体现的 每一脉冲使机床移动部件产生的位移量叫脉冲当量 常用的脉冲当量为0 001 0 01mm 伺服系统常用的驱动装置有步进电机 直流伺服电动机和交流伺服电动机 后两者都带有光电编码器等位置测量元件 可实现闭环控制 3 机床本体是数控机床上完成各种切削加工的机械部分 是数控机床的主体 具有以下特点 1 采用高性能的主轴及伺服传动系统 机械传动部分的结构简单 传动链较短 2 具有较高的刚度 阻尼及耐磨性 热变形小 3 一般采用高效传动部件 还有一些辅助装置和附属设备 如电器 液压 气动系统 冷却 排屑 润滑 储运装置以及编程机 对刀仪等 3 数控机床的特点及分类特点 1 充分的加工柔性 2 在切削速度和进给量的全程范围内均可保持精度 3 生产周期缩短 4 可以制造复杂形状的零件 5 能在短时间内较方便的调整机床 6 机床操作者不一定是高度熟练和富有经验的人员 7 操作者 机床 拥有空闲时间 并可在此段时间内照料其它的加工设备 8 造价相对高 9 维护较复杂 需专门的维护人员 10 需要经过适当培训的零件编程员 分类 以硬件为主的NC按控制器的结构分计算机数控的CNC点位控制型按机床类型或点位直线控制型刀具运动轨迹连续轨迹 轮廓 控制型 点位控制型PTPC PointToPointControl 只要求刀具从一点移动到另一点的准确位置 而不控制刀具的运动轨迹 刀具移动中不产生切削动作 点位直线控制型SLC StraightLineControl 除了控制点与点之间的准确位置外 还要保证被控制的两点之间移动的轨迹是一条直线 并且移动速度是按照给定的速度进行控制 一般是平行于坐标轴的切削运动 有些数控机床具有X Y之间的450斜线切削功能 但不能以任意斜率进行直线切削 连续轨迹控制或轮廓控制CC ContourControl 有三种情形 情形一 二个或二个以上运动坐标方向的连续控制 严格不间断地控制二个或二个以上运动坐标方向的位移量和速度 即控制运动的轨迹 加工出零件图样要求的轮廓 此时的运动轨迹可以是任意斜率的直线 圆弧 抛物线 螺旋线等 情形二 二维 二维半和三维控制 不同形状的零件要求选用不同的控制方式 二维控制 在两个方向 X Y或X Z 控制进给 才能加工出指定的零件形状 二维半控制 二个坐标轴是连续或轮廓控制 而第三轴是点位控制或直线控制 实现X Y Z坐标内的控制 三维控制 三个坐标方向 X Y Z 同时进给才能满足加工要求 情形三 五轴联动控制三个坐标轴X Y Z与转台的回转C 刀具的摆动B同时联动 保证刀尖始终垂直于任意曲面 五轴联动方式最适合于加工涡轮机叶片和飞机的机翼等复杂型面的零件 开环控制按控制环路闭环控制或伺服方式半闭环控制混合控制 4 选用数控机床的考虑因素1 生产批量在10 100件之间多品种和小批量零件生产场合 可以考虑选用数控机床 对于大批量的生产 因数控机床单位小时的加工费用较高 以选用专用机床为宜 2 当加工形状复杂精度要求高的零件时 选用数控机床可省去昂贵的工艺装备 工具 夹具和模具 3 在产品更新频繁的零件加工中选用数控机床 可节省大量的工艺装备费用 4 对生产周期短的急需零件 宜选用数控机床 5 加工价值昂贵不允许报废的关键零件 宜选用数控机床 6 数控设备初期投资大 系统复杂 维修费用高 若不能及时排除故障 会影响机床利用率 增加综合生产费用 7 存在编程问题 手工编程速度慢 且容易出差错 对于三坐标或更多坐标曲面 手工编程更加困难 必须使用自动编程系统 需配备专门的程序设计员 二 加工中心1 加工中心的概念加工中心MC MachiningCenter 使机床围绕工件工作 早期的加工中心是通过设置地基板 角板或分度工作台来建立与许多机床 如立柱可移式镗铣床 摇臂钻床等 之间的结构关系 旨在使大型工件在加工时 尽量减少搬移和调整 1 一个自动换刀装置 如斗笠式和凸轮式等 2 一个便于循环加工的回转工作台 3 一个或二个总体工作台 2 加工中心的特点1 工序集中加工中心集钻孔 扩孔 铰孔 镗孔 铣端面等工序于一身 工件一次装夹能够完成粗加工 半精加工和精加工 2 备有刀库加工中心备有完成一定范围内加工的各种刀具 刀库的种类很多 常见的有盘式和链式两类 其中链式刀库存放刀具的容量很大 3 有自动换刀装置换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀具 常见的为机械手 也有不带机械手而由主轴直接与刀库交换刀具的 称无臂式换刀装置 4 有自动转位工作台为了实现轮流使用多种刀具 使工件一次装夹完成多种加工 5 精度高由于减少了装卸工件和换刀次数 消除了由于多次安装造成的定位误差 加工中心的定位精度可高达0 002mm 6 配有两个托盘为了进一步缩短非切削时间 有的加工中心配有两个自动交换工件的托盘 一个装着工件在工作台上加工 另一个则在工作台外装卸工件 机床完成加工循环后自动交换托盘 使装卸工件与切削加工时间相重合 从而进一步提高昂贵设备的利用率节约工件通过时间 3 加工中心分类1 立式加工中心主轴轴线垂直于工作台面的加工中心 一般不带转台仅做顶面加工 2 卧式加工中心主轴轴线与工作台平行的加工中心 一般具有分度转台或数控转台 可加工工件的各个侧面 也可作多个坐标的联合运动 以便加工复杂的空间曲面 3 立卧两用加工中心带立卧两个主轴的复合式加工中心 和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心 它们能对工件进行五个面的加工 按运动坐标数和同时控制的坐标数可分为 三轴二联动 三轴三联动 四轴三联动 五轴四联动等 按工艺用途分 镗铣加工中心 钻削加工中心和复合加工中心 按自动换刀装置分 转塔头加工中心 刀库 主轴换刀加工中心 刀库 机械手换刀加工中心等 按加工精度分 普通加工中心和高精度加工中心 为了把加工中心的特征表述得更清楚 常在立式或卧式加工中心之后 同时说明什么控制系统 几轴联动或其它特性 选用加工中心时应考虑的问题 1 加工中心种类零件以回转体面为主 则可选车削加工中心 如其上还有键槽 小平面 螺纹孔等需要加工 则要选择带动力头的车削中心 带有分度的C轴等 对箱体零件的加工 往往选择卧式加工中心 对模具 叶片等类加工 则宜选用立式加工中心 2 根据加工表面及曲面的复杂程度 决定其联动轴数 一般采用三轴三联动或三轴两联动 对复杂曲面加工 往往需要四轴三联动 甚至五轴五联动 3 根据工件尺寸范围考虑其尺寸 型号 主要考虑X Y Z行程及工件大小 承重 再考虑其精度等级要求 4 其它功能加工中心往往还带有接触式测头 测头占一把刀具的工位 可以由程序控制调出检测加工表面的精度 有的加工中心还有自适应控制功能 即根据电机功率来自动调整切削用量 以达到提高生产率 保护设备和刀具的目的 加工中心适宜于加工形状复杂 工序多 精度要求较高 需要多种类型的普通机床和众多刀具 夹具 且经多次装夹和调整才能完成加工的零件 推荐下列内容的零件为加工中心主要选择对象 1 中 小批量轮番生产 并有一定复杂程度的零件 2 有多个不同位置的平面和孔系需加工的箱体或多棱体零件 3 有较高的位置精度的要求 更换机床加工时很难保证加工要求的零件 4 加工精度一致性要求较高的零件 5 切削条件多变的零件 6 可成组安装在工作台上 进行多品种混流加工的零件 7 结构或形状复杂 普通加工时操作困难 工时长 加工效率低的零件 8 可镜象加工的零件 加工中心的加工质量 加工效率高 并具备高度柔性 其应用越来越广 第四章切削刀具 4 1 切削加工的基本概念1 切削运动与切削中的工件表面金属切削加工 利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层 加工余量 以获得具有一定的表面精度 形状 尺寸 和位置精度 和表面质量的机械零件的机械加工方法 用刀具切除工件材料 刀具和工件之间必须要有一定的相对运动 该相对运动由主运动和进给运动组成 合成运动的切削速度主运动速度和进给运动速度之间的关系为在切削过程中 工件上通常存在着三个不断变化的切削表面即 待加工表面 工件上即将被切除的表面 已加工表面 工件上巳切去切削层而形成的新表面 过渡表面 加工表面 工件上正被刀具切削着的表面 介于巳加工表面和待加工表面之间 2 切削用量切削用量 切削速度 进给量f 或进给速度 和背吃刀量 三者又称为切削用量三要素 1 切削速度 m s或m min 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 工件或刀具的最大直径 mm n 工件或刀具的转速 r s或r min 2 进给量f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 其单位是mm r 或mm 双行程 式中 为进给速度 为每齿进给量z 为刀具齿数 n 为主轴转速 3 背吃刀量 mm 切削深度 式中 工件上待加工表面直径 mm 工件上已加工表面直径 mm 3 切削层参数在切削过程中 刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层 称为切削层 1 切削层公称厚度 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度 以下简称为切削厚度 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度 以下简称为切削宽度 2 切削层公称宽度 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积 以下简称为切削面积 3 切削层公称横截面积 下面以外圆车刀为例 给出刀具几何参数方面的有关定义 图 4 2刀具角度 刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分 1 刀具切削部分的构造 刀尖 主后刀面 副后刀面 主切削刃 前刀面 副切削刃 一尖二刃三刀面 1 前刀面 切削过程中切屑流出所经过的刀具表面 2 主后面 切削过程中与工件过渡表面相对的刀具表面 3 副后面 切削过程中与工件已加工表面相对的刀具表面 4 主切削刃 前刀面与主后面的交线 它担负着主要的切削工作 5 副切削刃 前刀面与副后面的交线 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 主切削刃与副切削刃相交的部分 它是连接主切削刃和副切削刃的一小段直线或圆弧 图2 22卢于33