车床机加工综述

机械加工工艺基础知识 1 机械加工生产线是由通用机床、专用机床（包括组合机床）组成的加工线，在机加工生产线上常见的加工方法有车削、铣削、磨削、钻镗等。 所谓：车削加工是在车床上由主轴带动工件旋转，工作台带动刀具与工件做相对运动所进行的切削加工。一般用于旋转面零件，车床加工包括钻中心孔、车外圆、车端面、钻孔、车孔铰孔、切槽、车螺纹、滚花、车锥面、车成形面、攻螺纹等 铣削加工是在铣床上由主轴带动铣刀旋转，工作台带动工件与铣刀做相对运动所进行的切削加工。一般用于加工零件的平面、轮廓面和沟槽等，铣床加工包括周铣和端铣平面、铣特形沟槽（如V形槽、T形槽、燕尾槽等）、铣直角沟槽（如键槽、窄槽等）、铣连接面（如台阶、扁榫、六角、棱柱、棱锥等）切断、铣成型面（如凸轮、链轮、刀具齿槽、齿轮齿条和蜗轮）等。 磨削加工是在磨床上由砂轮轴带动砂轮旋转，工件旋转或移动于砂轮做相对运动所进行的磨削加工。一般用于各种零件的精加工，磨削加工的内容如图1-1所示。 钻镗加工是由主轴带动刀具旋转，并与固定在工作台上的工件做相对进给运动所进行的切削加工。主要用于各种零件孔加工，钻床适用于钻削、扩削、铰削、锪削加工。镗床适用于精度较高的单孔和孔系加工，以及与孔相关面的切削加工，如图1-2所示，使用铣刀也可以进行铣削加工，主要用于箱体零件的孔系加工和平面加工。 2 获得表面形状的金属切削加工方法 主要有 1轨迹法、2成形法、3仿形法、4展成法。 轨迹法：是依靠刀尖运动轨迹来获得所要求的表面几何形状的，金属切削加工绝大部分是采用这种加工方法。例如用加工的回转和车刀的直线运动车削圆锥面如图1-3a所示；用工件回转和纵向移动以及砂轮回转加工圆柱面如图1-3b所示；用工件的回转和刀具案靠模作曲线运动加工特殊形状的回转表面如图1-3c所示；用刨刀的直线运动和工件垂直于刨刀运动方向作直线运动加工平面如图1-3d所示等等。用这种加工方法，得到的形状精度取决于成形运动的精度。 成形法：加工时机床的某些成形运动就被成形刀具的刀刃几何形状所代替。例如图1-4a用成形车刀或成形砂轮加工回转曲面；图1-4b用成形铣刀（成形刨刀）加工曲面；1-4c的车削（磨削）螺纹均属于此类。车（磨）螺纹时，螺纹面由工件的回转和车刀砂轮的直线运动产生，而螺纹的牙形则决定于刀具（砂轮）的形状。这种加工方法，形状精度既取决于成形运动的精度，也取决于刀刃的形状精度。 仿形法：是按照模样的轮廓形状加工出与其相似或相同的工件轮廓形状的方法图1-5所示为仿形加工的基本方法；图1-5a所示是在铣床用立式铣刀仿形加工波纹面；图1-5b所示是在车床上用仿形装置加工曲线手柄。仿形加工法实质上是属于轨迹法的一种，刀具的运动轨迹是依靠模样和仿形销来确定的。 展成法：各种齿形的加工，常采用这种方法。加工时，如图1-6a所示，刀具和工件作啮合运动，道具相当于齿条，工件是与齿条啮合的齿轮，被加工表面是刀刃在相对啮合运动中的包络面，如图1-6b所示。刀刃必须是被加工的共轭曲线，而作为成形运动的啮合运动，则必须保持确定的速比关系。又如在铣床上按照链条与链轮传动的关系加工链条，如图1-7所示，也是展成法加工的示例之一。 由上述可知，为了保证形状精度，必须首先保证各成形运动本身及其相互关系的准确性。各成形运动的相互关系，是指成形运动轨迹的相对位置关系（几何关系）和成形运动速度之间的相互关系（运动关系），对于大多数简单几何形状。如圆柱面、圆锥面、平面等，只需保证前一个关系就可以了；而对于一些复杂表面，如螺旋面及各种用展成法加工的表面（如齿轮等）则需同时保证两个关系。机器零件的种类虽然很多，但从其表面形状来看，大多是由一些圆柱面、圆锥面、平面、螺旋面等简单几何表面组成的。获得这些表面，都离不开回转运动和直线运动这两种最基本的成形运动。 3 金属切削过程主要运动有 1主运动：刀具与工件之间使刀具逼近材料以进行切削加工的相对运动。2进给运动：由机床或手动传给刀具或工件把切削层投入切削的运动，它配合主运动连续不断地或依次地切成切屑，以形成所需几何状态的工作已加工表面。进给运动可以是间歇的也可以是连续的；可能是与主动运动同时连续进行的也可能是与主运动交替间歇进行的，有些切削加工的进给运动可以有数个，如磨外圆等；还有些切削加工，如攻螺纹、拉削等，进给运动是由事先的切削刃布置来完成的。3合成切削加工运动：由主运动和进给运动合成的运动。 4 金属切削用量是指切削速度、进给量和吃刀量等要素 切削速度：指切削刃的选定点相对工件的主运动的瞬时速度，通常用vc表示，单位m/min或m/s,在计算切削速度时，一般都选择切削刃工作部分上速度最高的点作为选定点。切削速度的计算方法如下：当主运动为回转运动时 Vc =Dn/1000 (m/min) Vc =Dn/601000 (m/s)式中 n 工件或刀具的转速（r/min） D 工件或刀具的直径（mm）。式中 n 工件或刀具的每分钟往复行程的次数（双行程、min）； 行程长度（mm）。 m 工作行程平均速度与空行程平均速度比值。对一 般机械传动的牛头刨床可粗略地取m=2/3。 进给量：指在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时间内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。通常用f表示，单位为mm/r或mm/行程。铣削加工时，为便于调整机床进给量，需要计算单位时间内刀具相对工件在进给运动方向的相对位移，即进给速度，用Vf表示，单位为mm/min。对多刀刃刀具（如麻花钻、铰刀、铣刀等），为了衡量每个刀齿的切削负荷，需计算每齿进给量，即刀具和工件之间在每转过一个齿间角的期间沿进给运动方向的位移。通常用fz表示，单位mm/z。Vf、f、fz三者之间计算关系如下： Vf=fn=fxzn式中 n 刀具或工件的转速（r/min）； z 刀具齿数。 背吃刀量：指通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量ap,也就是工件待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，通常用ap表示，单位为mm。车削外圆时 ap=D-d/2（mm）式中 D 工件待加工表面的直径（mm） d 工件以加工表面的直径（mm） 铣削加工时吃刀量对于工件而言可以分为铣削深度ap和铣削宽度ae，铣削深度ap是沿铣刀轴线方向测量的铣刀切入工件的深度；铣削宽度ae沿垂直与铣刀轴线方向工件被切削部分的尺寸。几种典型铣削加工铣削宽度和铣削深度的测量位置如图1-9所示。 5 改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程成为工艺过程。由工序、工位、工步和装夹等组成。 工序指一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。一个零件的制造需要经过若干个工序才能完成。在大批量生产中，工序一般都比较简单，例如轴类零件两端打中心孔，最为一道工序，可采用专用的打中心孔机床，同时加工两端中心孔。 工位指为了完成一定的工序部分，工件一次装夹后，在机床上所占据的每一个位置，一般每一个位置都有一个相应的加工表面。例如在生产线组合机床上常采用多工位加工箱体零件，在不同的工位上分别加工箱体的各个平面和孔系，如图1-10所示。多工位加工是生产线加工的常见加工方式，采用多工位加工可以减少装夹次数和辅助时间。一些回转盘式多工位加工单元设置工件的装卸工位，使工件的装卸与加工的机动时间重合，有效提高了生产效率。 工步是指在加工表面和加工工具不变的前提下所连续完成的那一部分工序。用一把刀加工一个表面属于单一工步，在生产线上常采用多刀加工，在多刀车床上用多刀同时加工一个或数个表面，这样的工步称为复合工步，如图1-11所示。 装夹是指工件的定位与夹紧的过程。在生产线上，通常采用自动和半自动装夹方式。 6 一般零件表面主要由圆柱面、圆锥面、平面、连接面和斜面、沟槽等构成。轴类零件一般由两端平面、台阶环形面和外圆柱面构成。轴类零件一般由两端平面、台阶环形面和外圆柱面构成，倒角和圆锥部分由圆锥面构成，一般采用车削、磨削等加工方法。箱体零件一般由平面和孔构成，不加工的平面由铸造成形，加工的平面一般采用铣、镗、刨、磨的方法进行加工，孔口平面也可以采用锪削的方法进行加工。孔的加工采用钻、扩、铰和镗削加工方法。 套类零件一般由两端平面、台阶环形面和内外圆柱面构成，倒角和圆锥部分由圆锥面构成。一般都采用车削、磨削等加工方法。在大批量生产线上，旋转面的轴、套类零件加工一般在用自动半自动车床进行加工，如多刀车床、多轴车床、曲轴车床等进行加工，精度较高的采用通用通用和专用的内、外圆磨床进行加工。箱体零件的加工采用专用、组合机床加工，主要加工方式是铣削、钻削（包括钻、扩、锪及其攻螺纹）和镗削。 7 生产线平面加工工艺常用 车、铣、刨、磨、拉、和研磨，加工工艺及适用范围见表1-1。孔加工工艺主要有钻、扩、铰、镗、磨、拉和珩磨、研磨，加工工艺及适用范围见表1-2。外圆表面主要有车、磨、滚压（抛光）、研磨等，加工工艺及适用范围见表1-3。 8 成形表面通常指有规律的加工表面，这些表面由母线按已定形状的导线（轨迹线）运动形成的，例如圆柱面的母线是直线，圆柱面实质上是直母线按形状是圆的导线运动而行成的旋转表面。如果母线是直线，导线是一定规律的曲线，如圆弧线、圆弧和直线的连接线、平面螺旋线、渐开线等，则形成的表面称为直线成形面。当母线是圆弧和直线连接等有规律的曲线，而导线是郑源的一般称为旋转成形面。 直线成形面及其加工工艺 1在机器零件中，有许多零件的内表面或外形轮廓是曲线、圆弧和直线构成的。当这些成形面的母线是直线时，便称为直线成形面。直线成形面。直线成形面的零件实例如图1-12所示。其中，直线成形面零件呈盘式或板状时，形面母线比较短，如图1-12a所示。直线成形面零件呈柱状时，形面母线比较长，如图1-12b所示。根据以上的几何特征和基本概念，直齿条和直齿圆柱齿轮的齿槽、外花键的齿槽等，都比较典型的直线成形面。2直线成形面一般采用铣削、刨削和磨削的方法加工，也可以采用拉削、推削的方法加工。主要的加工工艺是仿形加工和成形刀具加工。仿形加工需要有模样和仿形装置，精度要求比较高的可以采用仿形机床加工，如仿形铣床、数控仿形机床、数控铣床和加工中心进行加工。旋转成形面及其加工工艺旋转成形面一般采用仿形车床和仿形磨床加工，精度较高的采用数控车床和数控磨床加工。外形复合的成形面，如有旋转成形面又有直线成形面的可以采用车削复合加工中心加工，以便提高生产效率，简化程序编制。 9 加工圆柱变速齿轮等盘套类零件工艺过程 以典型零件圆柱齿轮为例，一般的工艺路线为：下料锻造正火粗车调质精车键槽加工齿形加工齿形表面淬火磨齿。加工变速圆柱齿轮的工艺见表1-4。当进行大批量生产时，可采用工艺为：加工锻件或铸件毛坯粗车端面外圆多轴钻孔、扩张拉孔、键槽多刀半自动车床车外圆、端面多件滚齿淬火剃齿。 自动车加工盘类零件工艺路线为：备料（管材切割或锻件）车削自动线热处理自动线磨削自动线。自动车是生产线加工盘套类零件的主要设备，自动线加工向心球轴承外环的工艺过程见表1-5。 10 加工轴类零件工艺过程 1实心阶梯轴，对于毛坯为轧制棒料或锻件的实心阶梯轴，典型工艺路线为：预备加工粗车外圆热处理（正火或调质）精车外圆其他表面加工（如螺纹、键槽等）热处理（耐磨部位进行表面处理）磨削。加工减速器轴工艺实例见表1-6.大批量生产时，中心孔在双头专用机床上加工，外圆面的各项加工由液压仿形车床或多刀半自动车床加工，有设备条件的可采用数控车床编程加工。 2花键轴大批量生产加工工艺示例，花键轴是典型的轴类零件，车削加工花键轴自动线工艺过程实例见表1-7。在进入车削加工自动线前，工件已完成铣端面和打中心孔工序，自动线由三台专用液压仿形车床组成，可用于加工三种规格（长度相同、直径不同、形状相似）的花键轴。 11 加工箱体零件、分体式箱体加工工艺 箱体零件结构一般比较爱复杂，加工内容主要是平面和孔系，精度要求比较高。一般的工艺路线为：制造毛坯去应力退火划线加工平面加工螺栓孔等次要孔镗轴承孔，对精度要求高的箱体，粗加工以后再进行一次去应力退火。箱体结构有整体结构和剖分结构，剖分结构的箱体工艺分为两个阶段，第一阶段分别对箱盖和箱座进行加工，第二阶段在装配后的箱体上加工轴承孔及其端面。 分体式箱体工艺实例见表1-8，在大批量生产时，箱座剖分面C的加工采用专用夹具，粗加工用端铣方式，精加工采用端面磨削方式，如图1-13所示；箱体轴承孔两端面用双头组合铣床同时加工，如图1-14所示；轴承孔及其内环槽采用专用镗模加工，如图1-15所示，精度要求较高时，可采用坐标镗床加工。 12 生产线圆柱齿轮加工工艺及齿轮加工定位基准 圆柱齿轮分为淬火齿轮和非淬火齿轮两种，不同类型和不同等级精度圆柱齿轮的加工工艺过程可参见表1-9，其中齿坯加工可参见盘套类零件加工工艺；淬火、渗碳、氮化和定性处理参见有关热处理资料；精整基准实在精加工齿轮之前修复基准精度的工序；剃齿、挤齿和珩（或研）齿都是加工精度高于齿轮和插齿的齿轮加工方法。 圆柱齿轮加工的定位基准，根据圆柱齿轮不同结果，加工中一般的定位基准由定位孔、定位轴颈和中心孔三种形式。不同精度等级的齿轮定位基准有相应的精度要求，在加工中应特别注意定位基准的精度，齿坯定位基准的要求见表1-10。 生产线加工连杆等叉架类零件，如图1-16所示为剖分式连杆，加工时通常是将连杆体和连杆盖分别加工，然后合件加工。连杆的加工工艺参见表1-11。 13 成组工艺技术的概念：各类机械零件尽管功能、结构各不相同，但是都可以分为复杂件、相似件、标准件三大类，根据三类零件的出现规律，相似件约占70%左右，零件的相似性主要表现为结构相似、材料相似和工艺相似。成组技术就是基于这一客观基础的一门生产技术科学。成组技术应用在生产加工方面，就是将企业生产的多种产品，按其组成零件的相似性准则分类成组，然后按零件组进行工艺准备和加工。目前成组技术已成为集成制造信息系统的核心。成组技术作为一种先进的工艺方法，在机械加工中的具体应用成为成组加工工艺。它是通过一定的分类方法把不同的加工零件，按形状、尺寸、材料和工艺要求的相似性分类归组，根据同一组零件共同的工艺路线，配备工艺装备，采用适当的布置形式，按零件组组织加工的一种技术。其基本原理是一组零件的总批量代替一种零件的批量，从而扩大了批量，使得中小批量也能够采用大批量生产的先进工艺和制造技术。成组加工可以应用于某一单工序，也可用于有共同工序的全部加工过程。 工艺确定方法 对于形状比较简单的零件，如图1-17所示，可采用复合零件法编制确定主体工艺（图1-18）；而对于结构比较复杂的零件，如图1-19所示，可采用复合工艺路线法，即在零件分类组中选出具有最长工艺路线的零件为代表，形成能完成全组零件加工的成组工艺。 14 金属切削加工工艺系统一般指机床、刀具、夹具和工件组成的统一体。对于机加工生产线的工艺系统还包括一些辅助的设施，如自动检测装置，自动换刀装置，工件的自动输送装置等。 1生产线的机床 包括通用机床、专用机床和组合机床。 在机加工产线常见的通用机床有车床、铣床、磨床和钻床。常见的车床有卧式车床和立式车床；铣床有升降台立式和卧式铣床、固定台座式铣床和龙门铣床；磨床有万能磨床、外圆磨床和内圆磨床、平面磨床等；钻床主要是台钻、立式钻床和摇臂钻床。加工箱体类零件的生产线还常使用卧式车床。 生产线的专用机床泛指专用机床和专门化机床，一些通用机床经改进纳入生产线后，由于适用于某一工序的特定加工，因此也演变为专用专用机床。 组合机床是一种按工件加工要求和加工过程设计和制造的典型专用机床。组合机床是由通用部件和专用不见组合而成的。 数控机床是一种柔性化的自动加工机床，改变数控加工程序，可加工不同的零件。 2生产线的刀具有标准刀具、专用刀具和复合特种刀具等，标准刀具如标准标