机床传动基础知识素材PPT课件

1 第1章机床传动基础知识 2 1 1机床的运动 1 1 1零件表面的切削加工成形方法机械零件的形状很多 但主要由平面 圆柱面 圆锥面及成型面所组成 这些面的形成是以直线或曲线为母线 以直线或圆为运动轨迹 作旋转或平移运动所形成的表面 3 机械零件的任何表面都可看作是一条线 称为母线 沿着另一条线 称为导线 运动的轨迹 如图1 1所示 平面可看作是是由一根直线 母线 沿着另一根直线 导线 运动而形成 图1 1 a 圆柱面和圆锥面可看作是由一根直线 母线 沿着一个圆 导线 运动而形成 图1 1 b 和 c 普通螺纹的螺旋面是由 形线 母线 沿螺旋线 导线 运动而形成 图l 1 e 直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面是由渐开线 母线 沿直线 导线 运动而形成 图1 1 d 等 形成表面的母线和导线统称为发生线 4 1 母线 2 导线图1 1零件表面的成形 5 由图1 1可以看出 有些表面 其母线和导线可以互换 如平面 圆柱面和直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面等 称为可逆表面 而另一些表面 其母线和导线不可互换 如圆锥面和螺旋面等 称为不可逆表面 切削加工中发生线是由刀具的切削刃和工件的相对运动得到的 由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同 形成发生线的方法可归纳为以下4种 1 轨迹法 它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法 切削刃与被加工表面为点接触 发生线为接触点的轨迹线 图1 2 a 中 母线Al 直线 和导线A2 曲线 均由刨刀的轨迹运动形成 采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动 6 图1 2形成发生线的方法 7 2 成形法 它是利用成形刀具对工件进行加工的方法 切削刃的形状和长度与所需形成的发生线 母线 完全重合 图1 2 b 中 曲线形母线由成形刨刀的切削刃直接形成 直线形的导线则由轨迹法形成 3 相切法 它是利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法 如图1 2 c 所示 采用铣刀或砂轮等旋转刀具加工时 在垂直于刀具旋转轴线的截面内 切削刃可看作是点 当切削点绕着刀具轴线作旋转运动B1 同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动A2时 切削点运动轨迹的包络线便是所需的发生线 为了用相切法得到发生线 需要两个成形运动 即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动 8 4 展成法 它是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法 切削加工时 刀具与工件按确定的运动关系作相对运动 展成运动或称范成运动 切削刃与被加工表面相切 点接触 切削刃各瞬时位置的包络线便是所需的发生线 如图1 2 d 所示 用齿条形插齿刀加工圆柱齿轮 刀具沿箭头A1方向所作的直线运动 形成直线形母线 轨迹法 而工件的旋转运动B21和直线运动A22 使刀具能不断地对工件进行切削 其切削刃的一系列瞬时位置的包络线便是所需要渐开线形导线 见图1 2 e 用展成法形成发生线需要一个成形运动 展成运动 相关内容 在齿轮加工机床 中作详细讲述 9 1 1 2机床的运动在机床上 为了获得所需的工件表面形状 必须形成一定形状的发生线 母线和导线 除成形法外 发生线的形成都是靠刀具和工件作相对运动实现的 这种运动称为表面成形运动 此外 还有多种辅助运动 10 1 1 2 1成形运动按其组成情况进行分类成形运动按其组成情况进行分类 可分为简单的和复合的两种 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 则此成形运动称为简单成形运动 例如 用尖头车刀车削外圆柱面时 如图1 3 a 所示 工件的旋转运动B1和刀具直线运动A2就是两个简单运动 用砂轮磨削外圆柱面时 如图1 3 b 所示 砂轮和工件的旋转运动B1 B2以及工件的直线移动A3 也都是简单运动 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 和 直线运动 按照某种确定的运动关系组合而成 则称此成形运动为复合成形运动 11 图1 3成形运动的组成 12 例如 车削螺纹时 如图1 3 c 所示 形成螺旋形发生线所需的刀具和工件之间的相对螺旋轨迹运动 为简化机床结构和较易保证精度 通常将其分解为工件的等速旋转运动B11和刀具的等速直线移动A12 B11和A12不能彼此独立 它们之间必须保持严格的运动关系 即工件每转一转时 刀具直线移动的距离应等于螺纹的导程 从而B11和Al2这两个单元运动组成一个复合运动 用轨迹法车回转体成形面时 如图1 3 d 所示 尖头车刀的曲线轨迹运动通常由相互垂直坐标方向上的 有严格速比关系的两个直线运动A21和A22来实现 A21和A22也组成一个复合运动 上述复合运动组成部分符号中的下标 第一位数字表示成形的序号 第一个 第二个 成形运动 第二位数字表示同一个复合运动中单元运动的序号 13 1 1 2 2成形运动中各单元运动根据其在切削中所起作用的不同进行分类成形运动中各单元运动根据其在切削中所起作用的不同进行分类 又可分为主运动和进给运动 1 主运动 是形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动 如车床工件旋转 钻床钻头旋转 镗床刀具旋转 牛头刨床刨刀直线运动 龙门刨床工件随工作台的直线运动 铣床刀具的旋转 拉床刀具的直线运动 磨床砂轮和磨具的旋转 2 进给运动 是使工件的多余材料不断被去除的工作运动 切削过程中主运动只有一个 进给运动可以多于一个 主运动和进给运动可由刀具或工件分别完成 也可由刀具单独完成 14 辅助运动 机床的运动除了切削运动外 还有一些实现机床切削过程的辅助工作而必须进行的辅助运动 该运动不直接参与切削运动 但为切削加工的工件运动创造了加工的必要条件 是不可缺少的 它的种类很多 一般包括 1 切入运动 刀具相对工件切入一定深度 以保证工件达到要求的尺寸 2 分度运动 多工位工作台和刀架等的周期转位或移位以及多头螺纹的车削等 3 调位运动 加工开始前机床有关部件的移位 以调整刀具和工件之间的正确相对位置 4 各种空行程运动 切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动 开车 停车 变速或变向等控制运动 装卸 夹紧或松开工件的运动等 15 1 2机床常用机械传动装置 1 2 1机床传动的形式1 2 1 1机床传动的定义机床的传动机构指的是传递运动和动力的机构 简称为机床的传动 1 2 1 2机床的传动形式机床的传动形式按传动机构的特点分为机械传动 液体传动 电气传动 气压传动以及以上几种传动方式的联合传动等 16 1 机械传动 应用齿轮 传动带 离合器和丝杠螺母等机械元件传递运动和动力 这种传动形式工作可靠 维修方便 目前机床上应用最广 带传动 常用的有平带 三角带 多楔带和同步齿形带等 靠摩擦力传动 除同步齿形带外 结构简单 制造容易 成本低 在过载时会打滑 能起到过载保护的作用 带传动的缺点是有滑动 不能用在传动比要求准确的场合 17 同步齿形带是通过带上的齿形与带轮上的轮齿相啮合传递运动和动力 同步齿形带无相对滑动 传动比准确 传动精度高 厚度小 重量轻 传动平稳 噪声小 适用于高速传动 无需特别张紧 对轴和轴承压力小 传动效率高 不需要润滑 耐水 耐腐蚀 能在高温下工作 维护保养方便 传动比大 缺点是制造工艺复杂 安装条件要求高 齿轮传动 结构简单 紧凑 能传递较大的扭矩 能适应变转速 变载荷工作 应用最广 缺点是线速度不能过高 齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式 这种传动的种类很多 如直齿 斜齿 人字齿和圆弧齿等 其中最常用的是直齿圆柱齿轮传动 18 蜗杆传动 蜗杆为主动件 将其转动传给蜗轮 这种传动方式只能是蜗杆带动蜗轮转 反之则不可能 齿轮齿条传动 齿轮作旋转运动 齿条则作相应的直线移动 丝杠螺母传动 螺杆 又称丝杠 旋转 螺母不转 则它们之间沿丝杠轴线方向相对移动 机械传动的主要优点如下 1 传动比准确 适用于定比传动 2 实现回转运动的结构简单 并能传递较大的扭矩 3 故障容易发现 便于维修 19 但是 机械传动一般情况下不够平稳 制造精度不高时 振动和噪声较大 实现无级变速的机构较复杂 成本高 因此 机械传动主要用于速度不太快的有级变速传动 2 液压传动 应用油液作介质 通过泵 阀和液缸等液压元件传递运动和动力 这种传动形式结构简单 液压传动较多地用于直线运动 其运动比较平稳 容易实现自动化 在磨床 组合机床及液压刨床等机床上应用较多 20 液压传动的主要优点如下 1 易于在较大范围内实现无级变速 2 传动平稳 便于实现频繁的换向和自动防止过载 3 便于采用电液联合控制 实现自动化 4 机件在油液中工作 润滑好 寿命长 由于液压传动有上述优点 所以应用广泛 但是 由于油有一定的可压缩性 并有泄漏现象 所以液压传动不适于作定比传动 21 3 电气传动 应用电能通过电器装置传递运动和动力 这种传动方式的电器系统比较复杂 成本较高 在大型 重型机床上较多应用直流电动机 发电机组 在数字控制机床上 常用机械传动与步进电动机或电液脉冲电动机与伺服电动机等联合传动 用以实现机床的无级变速 电气传动容易实现自动控制 4 气压传动 应用空气做介质 通过气动元件传递运动和动力 这种传动形式的主要特点是动作迅速 易于获得高转速 易于实现自动化 但其运动平稳性较差 驱动力较小 主要用于机床的某些辅助运动 如夹紧工件等 及小型机床的进给运动传动中 22 机床的传动方式按传动速度调节变化特点将传动分为有级传动和无级传动 有级传动又叫有级调速 是在一定转速范围内 速度分为若干级而且每级速度的变化是不连续的 无级传动又叫无级调速 是在一定转速范围内 速度可以调到任意一个数值的传动 机床的传动方式按功能分为执行件 即机床运动的具体执行部件 如主轴 刀架和工作台等 其任务是安装刀具或工件 并直接带动其完成一定形式的运动并保持其准确的运动轨迹 动力源 即给机床运动提供动力和运动的装置 是执行件的运动动力来源 传动装置 即传递运动和动力的装置 通过它把动力源的运动和动力传给执行件 通常情况下 传动装置同时可完成变速 变向和改变运动形式等任务 使执行件获得所需的运动形式 运动速度和运动方向 23 1 2 2机床常用机械传动装置1 2 2 1定比传动装置 1 齿轮副机构 齿轮副机构应用在中心距较小 传动精度较高等各种不同传递动力范围的场合 2 螺旋机构 在许多机械设备中大量应用着螺旋机构 又称丝杠传动 它主要用于将回转运动转变为直线运动 3 带传动与链传动 带传动及链传动多用于中心距较大的传动 24 4 连杆机构 连杆机构结构简单 易于制造 在机械设备及日常生活中有大量应用 5 凸轮机构 凸轮机构可以精确实现要求的运动规律 在自动机械中有广泛的应用 但它是高副接触 因而这种机构主要用于传递运动 定比传动机构的共同性质是传动比是一个常数 25 1 2 2 2变比传动装置机床在对工件进行切削加工时 需要各种不同的切削速度 最好是无级变速机床 但在实际中 一般机床多通过变速机构来选取接近要求的转速 换置机构是根据加工要求可以变换传动比和传动方向的传动机构 如滑移齿轮基本变速机构 离合器式齿轮变速机构 挂轮基本变速机构 基本换向机构等 统称为换置机构 它们的结构和原理如下 26 1 三联滑移齿轮变比传动装置结构和原理如图1 4 a 所示 轴 上装有3个固定齿轮z1 z2和z3 从动轴 上装有三联滑移齿轮z1 z2 z3 并以花键与轴 连接 当它分别处于左 中 右3个不同的啮合工作位置时 使传动比不同的齿轮副i1 z1 z1 i2 z2 z2 i3 z3 z3 依次啮合工作 此时 如轴I只有一种转速 则轴 可得到3种不同的转速 除三联齿轮变速组外 机床上常用的还有双联滑移齿轮变速组 滑移齿轮变速组结构紧凑 传动效率高 变速方便 能传递很大的动力 但不能在运转过程中变速 多用于机床的主要运动中 27 图1 4机械分级变速组 28 2 离合器式齿轮变速机构结构和原理如图1 4 b 所示 轴I上装有两个固定齿轮z1 z2 它们分别与空套在轴 上的齿轮z1 z2 互相啮合 端面齿离合器M1用花键与轴 相连 当离合器M1向左或向右移动 依次地与z1 z2 的端面齿相啮合时 轴I的运动由不同的传动比i1 z1 z1 i2 z2 z2 经M1传给轴 如果轴I只有一种转速 则轴 可得到两种不同转速 离合器变速组变速方便 变速时齿轮不需移动 故常用于斜齿圆柱齿轮传动中 使传动平稳 另外 如将端面齿离合器换成摩擦片式离合器 则可使变速组在运转过程中变速 但这种变速的各对齿轮经常处于啮合状态 磨损较大 传动效率低 它主要用于重型机床以及采用斜齿圆柱齿轮传动的变速组 端面齿离合器 以及自动和半自动机床 摩擦片式离合器 中 29 3 挂轮基本变速机构结构和原理挂轮变速组常采用一对挂轮 图l 4 d 或两对挂轮 图l 4 c 等两种形式 一对挂轮变速组的结构简单 只要在固定中心距的轴I和轴 上装上传动比不同但 齿数和 相同的齿轮副A B 则可由轴 的一种转速 使轴 得到不同的转速 两对挂轮的变速组需要有一个可以绕轴 摆动的挂轮架 中间轴在挂轮架上可作径向调整移动 并用螺栓紧固在任何径向位置上 挂轮a用键与主动轴I相连 挂轮d用键与从动轴 相连 而b c挂轮通过一个套筒空套在中间轴上 30 当调整中间轴的径向位置使c d挂轮正确啮合之后 则可摆动挂轮架使b轮与c轮也处于正确的啮合位置 因此 改变不同齿数的挂轮 则能起到变速的作用 挂轮变速组可使变速机构简单 紧凑 但变速调整费时 一对挂轮的变速组刚度好 多用于主运动中 两对挂轮的变速组由于装在挂轮架上的中间轴刚度较差 一般只用于进给运动以及要求保持准确运动关系的齿轮加工机床 自动和半自动车床的传动中 31 4 基本换向机构结构和原理滑移齿轮变向机构如图1 5 a 所示 轴I上装有一齿数相同的 z1 z1 双联齿轮 轴 上装有一花键连接的单联滑移齿轮z2 中间轴上装有一空套齿轮z0 当滑移齿轮z2处于图示位置时 轴I的运动经z0传给齿轮z2 使轴 的转动方向与轴I相同 当滑移齿轮z2向左移动与轴I上的齿轮z1 直接啮合时 则轴I的运动经z2齿轮传给轴 使轴 的转动方向与轴 相反 这种变向机构刚度好 多用于主运动中 32 圆锥齿轮和端面齿离合器组成的变向机构如图1 5 b 所示 主动轴I上的固定圆锥齿轮z1直接传动空套在轴 上的两个圆锥齿轮z2和z3朝相反的方向旋转 如将花键联接的离合器M依次与z2及z3圆锥齿轮的端面齿相啮合 则轴 可得到不同的两个方向的运动 这种变向机构刚度较差 但可以在机构运动中进行 灵活方便 多用于进给运动或者辅助运动 图1 5机械分级变速组 33 1 3机床传动联系和传动原理图 1 3 1传动链的概念在机床的传动系统中 通常用一些传动零件 轴 带轮 带 齿轮副 蜗杆副 丝杠螺母机构和齿轮齿条机构等 把动力源 电动机 和执行机构 主轴 工作台和刀架等 或把两个执行机构连接起来 用以传递动力或运动 这种传动联系称为传动链 34 1 3 2机床传动联系的类型在机床上 为了得到需要的运动 通常用一系列的传动件 轴 带 齿轮副 蜗轮蜗杆副和丝杠螺母副等 把动力源和执行件或把两个有关的执行件连接起来 用以传递运动和动力 这种传动联系称为传动链 用一些简明的符号表示具体的传动链 把传动原理和传动路线表示出来的图形就是传动原理图 传动链中的传动机构可分为定比传动机构和换置机构两种 定比传动机构的传动比不变 如带传动 定比齿轮副和丝杠螺母副等 换置机构可根据需要改变传动比或传动方向 如滑移齿轮变速机构 挂轮机构及各种换向机构等 35 根据传动联系的性质 传动链可以分为两类 外联系传动链和内联系传动链 外联系传动链联系的是动力源和机床执行件 并使执行件得到预定速度的运动且传递一定的动力 此外 外联系传动链不要求动力源和执行件间有严格的传动比关系 而是仅仅把运动和动力从动力源传到执行件上 例如 用圆柱铣刀铣削平面需要铣刀旋转和工件直线移动两个独立的简单运动 实现这两个成形运动的传动原理如图1 6 a 所示 36 图1 6传动原理图 37 图中虚线代表所有的定比传动机构 菱形块代表所有的换置机构 如交换齿轮和进给箱中的滑移齿轮变速机构等 通过外联系传动链 1 2 uv 3 4 将主轴和动力源 电机 联系起来 可使铣刀获得一定转速和转向的旋转运动 再通过外联系传动链 5 6 uf 7 8 将动力源和工作台联系起来 可使工件获得一定进给速度和方向的直线运动 利用换置机构uv和uf 可以改变铣刀的转速 转向和工件的进给速度 方向 以适应不同加工条件的需要 显然 机床上有几个简单运动 就需要有几条外传动链 他们可以有各自独立的运动源 如本例 也可以几条传动链共用一个运动源 38 内联系传动链联系的是复合运动中的多个分量 也就是说它所联系的是有严格运动关系的两个执行件 以获得准确的加工表面形状及较高的加工精度 有了内联系传动链 机床工作时 由其所联系的两个执行件就按照规定的运动关系作相对运动 但是内联系传动链本身并不能提供运动 为使执行件得到运动 还需要外联系传动链将运动传到内联系传动上来 39 以卧式车床车削螺纹为例 如图1 6 b 所示 车圆柱螺纹需要工件旋转和车刀直线移动组成的复合运动 这两个运动必须保持严格的传动比关系 即工件旋转一周 车刀直线移动工件螺纹一个导程的距离 为保证这一运动关系 用 4 5 ux 6 7 这条传动链将主轴和刀架联系起来 ux表示该传动链的换置机构 利用换置机构可以改变工件和刀具之间的相对运动速度 适应车削不同导程螺纹的需要 如前所述 内联系传动链本身并不能提供运动 在本例中 还需要外传动链 1 2 uv 3 4 将运动源的运动传到内联系传动链上来 40 如果在卧式车床上车削外圆柱面 如图1 6 c 所示 由表面成形原理可以知道 主轴的旋转和刀具的移动是两个独立的简单运动 这时车床应有两条外联系传动链 其中一条为 电动机 1 2 uv 3 4 主轴 另一条为 电动机 1 2 uv 3 4 5 us 6 7 刀架 可以看出其中 电动机 1 2 uv 3 4 是两条传动链的公共部分 us为刀架移动速度换置机构 它实际上与车螺纹的ux是同一变换机构 这样 虽然车削螺纹和车削外圆时运动的数量和性质不同 但可共用一个传动原理图 其差别在于当车削螺纹时 us必须计算和调整精确 车削外圆时 ux不需要准确 此外 车削外圆柱面的两条传动链虽也使刀具和工件的运动保持联系 但与车削螺纹时传动链不同 前者是外联系传动链 后者是内联系传动链 41 1 3 3传动原理图用规定的简单符号表示机床传动工作原理的示意图成为传动原理图 一般规定虚线表示传动链中所有的定比传动机构 菱形表示换置机构等 车床上用螺纹车刀车螺纹为例 来说明机床传动原理图的画法 1 画出工件 刀具示意图及其运动 2 画出主轴 刀架和丝杆螺母 3 画出运动源 电动机 4 画出该机床上的特殊机构符号 如uv和ux等 5 再用虚线代表传动比不变的传动链 把它们之间关联的部分联接起来 其他的中间传动件则一概不画 这样就可以得到一幅简洁明了的图形 这种图形表示了机床传动最基本的特征 42 1 4机床传动系统及调整计算 1 4 1机床传动系统实现机床加工过程中全部成形运动和辅助运动的各传动链 组成一台机床的传动系统 根据执行件所完成运动的作用不同 传动系统中各传动链分为主运动传动链 进给运动传动链 范成运动传动链和分度运动传动链等 43 为了便于了解和分析机床的传动结构及运动传递情况 把传动原理图所表示的传动关系采用一种简单的示意图形式 即传动系统图体现出来 它是表示实现机床全部运动的一种示意图 每一条传动链的具体传动机构用简单的规定符号表示 规定符号详见国家标准GB T4460 1984机械制图机构运动简图符号 同时标明齿轮和蜗轮的齿数 蜗杆头数 丝杠导程 带轮直径 电动机功率和转速等 并按照运动传