华南理工大学机械制造技术基础第三章-金属切削机床与刀具

第三章金属切削机床与刀具,本章提要本章着重介绍了金属切削机床型号的编制方法；CA6140型普通车床的的传动系统和主要机构，以及常用的车刀；M1432A型万能外圆磨床的的传动系统，无心外圆磨床和平面磨床的工作原理，以及砂轮的特性与选择；齿轮加工的的方法和Y3150E型滚齿机的传动系统，以及常用的齿轮加工刀具。同时，对孔加工机床与刀具、刨床与插齿、铣床与铣刀也作了简单介绍。,车床,下面首先通过几张图片使大家对金属切削机床与刀具有一个感性的认识。,铣床,磨床,钻床,铣削过程,插齿过程,滚齿过程,拉齿过程,3.1金属切削机床的分类、型号与主要技术参数,3.2工件表面成型方法与机床运动分析,3.3车床与车刀,3.4孔加工机床与刀具,3.6铣床与铣刀,3.8齿轮加工机床与齿轮刀具,内容提纲,3.1金属切削机床的分类、型号与主要技术参数,3.1.1机床的分类按加工方法和刀具分11大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨齿床、拉床、锯床和其他机床。按万能性程度：通用机床、专门化机床、专用机床。按精度：普通精度机床、精密机床、高精度机床。还有按照重量和尺寸、自动化程度等等分类方法。,3.1.2机床的型号编制（1）机床的类别代号用该类机床名称汉语拼音的第一个字母表示，如：,表3.1机床的类别代号,（2）机床的特性代号用汉语拼音字母表示，如：,表3.2通用特性代号,（3）机床的组别、系别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，每类机床划分为10个组，用数字09表示。每个组又可分为若干个系。（4）机床主参数、设计顺序号和第二主参数主参数和第二主参数用阿拉伯数字给出主参数的折算值（1/10或1/100）（5）机床的重大改进顺序号序号按A、B、C等字母的顺序选用,例如CA6140型卧式车床的代号意义为：CA6140,3.1.3机床的主要技术参数,3.1.3.1尺寸参数,机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸。多数机床的主参数也是尺寸参数，但尺寸参数除了主参数还包括一些其他尺寸。,3.1.3.2运动参数,(1)主运动参数,主轴最低(nmin)和最高(nmax)转速的确定,变速范围为nmax和nmin的比值，即,有级变速时主轴转速序列,主运动的有级变速的转速数列一般采用等比数列。各级之间满足等比数列关系，即,(2)进给运动参数,大部分机床(如车床、钻床等)的进给量用工件或刀具的位移(mm/r)表示。直线往复运动的机床，如刨床、插床，以每一往复的位移量表示。由于铣床和磨床使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移量(mm/min)表示。在其他条件不变的情况下，进给量的损失也反映了生产率的损失。,3.1.3.3动力参数,动力参数指驱动主运动、进给运动和空行程运动的电动机功率。机床的驱动功率原则上应根据切削用量和传动系统的效率来确定。,主要介绍主传动功率机床的主传动功率由三部分组成：式中Fz主切削力切削速度(m/min),3.2工件表面成形方法与机床运动分析,工件表面可以看成由一根母线沿着导线运动形成，母线和导线统称为发生线。其形成方法有：（1）轨迹法利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工，如图3.2a（2）成形法刀具的切削刃与所需要的形成的发生线完全重合，如图3.2b（3）相切法利用刀具边缘旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法，如图3.2c（4）范成法利用工件和刀具作范成切削运动进行加工的方法，如图3.2d,3.2.1工件表面形状与成形方法,图3.2零件的表面成形,1母线；2导线,3.2.2机床运动分析,简单成形运动由单独的旋转运动或直线运动构成复合成形运动由两个或两个以上旋转运动或（和）直线运动，按照某些确定的运动关系组合而成,3.2.2.1机床的运动,为了实现运动，机床必须具备以下三个基本部分：执行件、动力源和传动装置，由这些构成的传动关系称为传动链，分为外联系传动链和内联系传动链。a.外联系传动链联系动力源和执行件;b.内联系传动链联系复合运动之内的各个分解部分为方便研究传动关系，常用一些简明的符号把传动原理和传动路线表示，称为传动原理图。例如图3.5,3.2.2.2机床的运动联系,图3.5卧式车床的传动原理图,3.3车床与车刀,3.1.1车床车床的作用是加工各种回转表面(内外圆柱面、圆锥面及成型回转表面)和回转体的端面，有些车床还能加工螺纹面。车床的主运动通常由工件的旋转运动实现，进给运动由刀具的直线移动来完成。CA6140卧式车床是最典型的普通车床，下面以它为例介绍车床。,图3.7卧式车床,（1）概述：工艺范围广、万能性较大，结构复杂而且自动化程度低，效率也低，主要是采用卧式布局。（2）传动系统主运动传动链两末端件是主电动机与主轴，带动工件旋转实现主运动，并满足主轴变速和换向的要求。主传动路线如下：,运动经v带轮传动副传至轴I，压紧轴I上的多片摩擦离合器M1左部经齿轮副运动传至轴II，如图3.8(a)压紧右部经中间轮可获得相反方向的运动,如图3.8(b)运动从轴II传往主轴有2条路线：a.高速路线主轴上的滑移齿轮50向左移，使之与轴III上右端的齿轮63啮合，运动传至主轴得高转速。b.主轴上的滑移齿轮50向右移，使之与齿式离合器M2啮合，轴III的运动经齿轮副传至轴IV，又经齿轮副传至轴V，再经齿轮副和齿式离合器传至主轴获得低转速,如图3.8(c),图3.8aCA6140型卧式车床传动系统图,图3.8bCA6140型卧式车床传动系统图,图3.8cCA6140型卧式车床传动系统图,主轴的各级转速可按下列运动平衡式计算：,式中D、D主动和从动皮带轮直径；V带传动的滑动系数，可取0.02；Z-、Z-轴和轴之间相啮合的主动齿轮和从动齿轮齿数。,进给运动传动链,进给运动传动链两末端件是主轴和刀架，其功用是使刀架实现纵向或横向移动及变速与换向。A.车削螺纹传动路线可以车削左旋和右旋的米制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹。a.车削米制螺纹运动平衡式为:化简后得：,b.车削英制螺纹,c.车削模数螺纹,d.车削径节螺纹,e.车削非标准螺纹和精密螺纹,B.纵向和横向进给传动链,a.纵向进给传动链，其运动平衡式为:b.横向进给传动链当横向机动进给与纵向进给的传动路线一致时，所得的横向进给量为纵向进给量的一半。c.刀架快速移动刀架快速向右移的速度为：,(3)CA6140型卧式车床的主要结构,主轴箱功能是支承主轴，并实现其开、停、换向、制动和变速，把进给运动从主轴传向进给系统。其包括的主要机构和零件包括有：卸荷带轮、双向多片摩擦离合器及其操纵机构、主轴组件、变速操纵机构。,溜板箱功用是将进给运动或快速移动由进给箱或快速移动电动机传给溜板和刀架，使刀架实现纵，横向和正、反向机动走刀或快速移动。其包括的主要机构有：开合螺母机构、纵向、横向机动进给及快速移动的操纵机构、互锁机构、安全离合器。,图3.11双向多片摩擦离合器及其操纵机构,离合器和制动器操纵机构,变速操纵机构,纵、横向机动进给操纵机构,图3.17安全离合器,3.3.2车刀,图3.20车刀主要类型,1-端面车刀；2-仿形车刀；3-车槽刀；4-外圆车刀；5-螺纹车刀,用以加工外圆、内孔、端面、螺纹以及车槽和车齿等，其主要类型如下图：,车刀按结构分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。焊接车刀优点是：结构简单、紧凑；刀具刚度好、抗振性性能强；制造方便，使用方便。缺点是：切削性能较低、刀杆不能重复使用、辅助时间长。可转位车刀优点：刀具使用寿命长、生产效率高、有利于推广新技术、新工艺有利于降低刀具成本。,车刀的分类及比较：,3.4孔加工机床与刀具,钻床和镗床都是孔加工机床。主要用于加工外形复杂，没有对称回转轴线工件上的孔。,3.4.1钻床,钻床通常用于加工尺寸较小，精度要求不高的孔。钻床的主要类型有台式、立式、摇臂、深孔钻床等。右图是典型的立式钻床,钻床的加工方法及所需的运动如图3.29所示,图3.29钻床的加工方法,钻孔扩孔铰孔攻螺纹钻埋头孔刮平面,3.4.2镗床,镗床通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体、汽车发动机缸体等零件上的孔。镗床的主要类型有卧式镗床、坐标镗床和金刚镗床等。,图3.32所示为卧式镗床的主要加工方法,图3.32卧式镗床的主要加工方法,3.4.3孔加工刀具,孔加工刀具按其用途可分为两大类。一类式从实体材料中加工出孔的刀具，如麻花钻、扁钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上的已有的孔进行再加工，如扩孔钻、锪钻、铰刀及镗刀等。,（1）麻花钻,图3.36标准高速钢麻花钻,生产中，为了提高钻孔的精度和效率，常将标准麻花钻按特定的方式刃磨成“群钻”,图3.37标准型群钻,（2）中心钻,中心钻用来加工各种轴类工件的中心孔。图3.38是两种中心钻的外形图。,图3.38中心钻,（3）深孔钻,（4）扩孔钻,（5）锪钻,（6）铰刀,图3.42铰刀的结构和几何参数,图3.43不同种类的铰刀,（7）镗刀,图3.44单刃镗刀,图3.45双刃镗刀,图3.46可拉削加工的各种内外表面举例,图3.47圆孔拉刀的结构及拉削过程,3.6铣床与铣刀,用于加工平面、沟槽、多齿零件上的齿槽、螺旋形表面及各种曲面。下面是铣削过程视频：,3.6.1铣床,卧式升降台铣床,立式升降台铣床,铣床的主要类型有：卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床和各种专门化铣床。,3.6.2铣刀,铣刀是一种多刃回转刀具，按用途分为加工平面用铣刀，如圆柱平面铣刀（图a）、加工沟槽用铣刀，如立铣刀（图b）、加工成形面用铣刀，如凸半圆和凹半圆铣刀（图c）和加工其他复杂成形面用铣刀(图d)。,铣刀种类,3.8齿轮加工机床与齿轮刀具,（1）成形法用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削齿轮。图3.63(a)所示是用盘形齿轮铣刀加工直齿圆柱齿轮。形成齿廓渐开线的方法是成形法。加工模数较大的齿轮时，常用指状齿轮铣刀，如图3.63(b)所示。,3.8.1齿轮加工机床,用来加工齿轮的机床称为齿轮加工机床。,3.8.1.1齿轮加工方法,图3.63成形法加工齿轮,(a)用盘形齿轮铣刀铣齿轮,(b)用指状齿轮铣刀铣齿轮,(2)范成法,亦称为包络法或展成法，是利用齿轮的啮合原理进行的，即把齿轮的啮合副中的一个转化为刀具，另一个转化为工件，并强制刀具与工件严格地按照运动关系啮合，则刀具切削刃在各瞬时位置的包络线就形成了工件的齿廓线。采用范成原理加工齿轮的机床右滚齿机、插齿机、磨齿机等等。,3.8.1.2滚齿机,滚齿机主要用于滚切直齿和斜齿圆柱齿轮及蜗轮。（1）滚齿原理滚齿加工是由一对交错轴斜齿轮啮合传动原理演变而来的。当滚刀与工件按确定的关系强制相对运动时，滚刀的切削刃便在工件上滚切出齿槽，形成渐开线齿面。成形运动是滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合运动即为范成运动。图3.64描述了滚齿原理,图3.64滚齿原理,滚齿过程,(2)加工直齿圆柱齿轮的传动原理下图为滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图。其成形运动必须包括形成渐开线齿廓的范成运动和形成直线形齿线的运动。,图3.65滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图,范成运动传动链包括由点4至点5，点6至点7的固定传动比传动以及点5至点6传动比可变换的换置机构，属内联系传动链。主运动传动链由点1至点4，属外联系传动链。轴向进给运动传动链工件78910刀架升降丝杠刀架，是外联系传动链,(3)滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理,端面上齿廓是渐开线，沿齿轮的齿长方向是一条螺旋线，它与直齿圆柱齿轮的差别仅在于导线的形状不同。其传动原理图如下，滚切斜齿时为了形成螺旋齿线，在滚刀作轴向运动时工件还应作附加旋转运动。这条传动链是：刀架12131415合成6789工作台，属内联系传动链。,图3.66滚切斜齿圆柱齿轮传动原理图,(4)滚切蜗轮的传动原理柱齿轮的传动原理,齿廓的形成方法及成形运动与加工圆柱齿轮是相同的，但齿线是当滚刀切至全齿深时，在范成齿廓的同时形成的。,滚齿时，要求在切削部位滚刀的螺旋线方向与工件齿长方向一致，这是沿齿向进给切出全齿长的条件。因此加工前要调整滚刀的安装角。,(5)滚刀的安装,图3.68螺旋滚刀加工直齿圆柱齿轮安装角,（a)右旋滚刀滚切直齿轮；(b)左旋滚刀滚切直齿轮,图3.68为螺旋滚刀加工直齿圆柱齿轮的安装角，滚刀位于工件前面，从几何关系可知，滚刀安装角,图3.69螺旋滚刀加工斜齿圆柱齿轮安装角,用滚刀加工斜齿圆柱齿轮时，由于滚刀和工件的螺旋方向都有左、右方向之分，共有四种不同的组合。则有当被加工的斜齿轮的螺旋线方向相反时取“+”号，方向相同时取“-”号。,主要用于滚切直齿和斜齿圆柱齿轮。图3.71是它的传动系统图。传动系统图中每一条传动链的分析计算步骤是：找出末端件；确定计算位移；对照传动系统图，列出运动平衡式；计算换置式。,(6)Y3150E型滚齿机,3.8.1.3插齿机,插齿机的工作原理类似一对圆柱齿轮啮合，其中一个齿轮作为工件，另一个齿轮变为齿轮形的插齿刀具。其插齿过程见下页演示,插齿过程,图3.71Y3150E型滚齿机传动系统图,3.8.1.4剃齿机,剃齿机是利用剃齿刀对未淬火的直齿圆柱齿轮进行切削加工的机床。图7.34所示为剃齿机的工作原理,图3.74剃齿机工作原理,3.8.2齿轮刀具,齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。可将齿轮刀具分为成形法和范成法加工用齿轮刀具。,3.8.2.1成型法齿轮刀具,常用的成形法齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀，如下图所示,（a）盘形齿轮刀具,（b）指形齿轮刀具,3.8.2.2范成法齿轮刀具,（1）插齿刀,插齿刀用于加工直齿内、外齿轮和