机械制造技术基础3

机械制造技术基础,第三章金属切削机床与刀具（约13学时）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型普通车床的传动系统和主要结构；Y3150E型滚齿机的传动系统及滚齿原理。同时，对M1432A型万能外圆磨床、孔加工机床、刨床、铣床和有关刀具等也作了简单的介绍。,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,机床主要是按加工方法和所用刀具进行分类车床、钻床、镗、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床和其它机床。按照万能性程度分类通用机床专门化机床专用机床,按照机床的工作精度分普通精度机床、精密机床和高精度机床等。按照重量和尺寸分仪表机床、中型机床(一般机床)、大型机床(质量大于10t)、重型机床(质量在30t)和超重型机床(质量在100t以上)按照机床主要器官的数目分单轴、多轴、单刀、多刀机床等。按照自动化程度不同分普通、半自动和自动机床。,3.1.2机床的型号编制3.1.2.1通用机床的型号编制,通用机床型号的表示方法为：,机床的类别代号用该类机床名称汉语拼音的第一个字母(大写)表示，如P56表3.1所示。机床的特性代号通用特性代号（见P56表3.2）结构特性代号例如，CA6140型普通车床型号的“A”，可理解为：CA6140型普通车床在结构上区别于C6140及CY6140型普通车床。机床的组别、系别代号（见P57表3.3）,机床主参数、设计顺序号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)各类主要机床的主参数及折算系数见P58表3.4。机床的重大改进顺序号在原机床型号的尾部，加重大改进顺序号。序号按A，B，C等字母的顺序选用。其他特性代号其它特性代号用汉语拼音字母或阿拉伯数字或二者的组合来表示。企业代号由机床厂所在城市名称的大写汉语拼音字母及该厂在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。生产单位为机床研究所时，由该所名称的大写汉语拼音字母表示。,【例题3.1】CA6140型卧式车床【例题3.2】MG1432A型高精度万能外圆磨床,3.1.2.2专用机床的型号编制,专用机床型号表示方法为：设计单位代号同通用机床型号中的企业代号。专用机床的设计顺序号，按各机床厂和机床研究所的设计顺序(“001”起始)排列。例如，北京第一机床厂设计的第15种专用铣床，其型号B1-015,3.1.3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。例如，对于卧式车床，主参数(床身上工件最大回转直径)和第二主参数(最大工件长度)外，有时还要确定在刀架上的工件最大回转直径和主轴孔内允许通过的最大棒料直径等,3.1.3.2运动参数,主运动参数主轴转速对于回转运动的机床:主轴最低和最高转速(nmin、nmax)的确定,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如某机床的分级变速机构共有级Z，其中n1=nmin、nZ=nmax，Z级转速分别为：n1,n2,nj,nj+1,nZ各级之间满足等比数列关系，即:nj+1=njnZ=n1Z-1标准公比国标规定标准公比值为1.06,1.12，1.26，1.41，1.58，1.78，2共七个。它们之间的关系见P60表3.5,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每转的位移(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。,3.1.3.3动力参数,主传动功率机床的主传功率P主由三部分组成，即：P主=P切+P空+P附式中P切：切削功率P空：空载功率P附：附加功率切削功率P切空载功率P空即空运转时所消耗的功率附加功率P附因负载而增加的机械摩擦消耗功率,进给传动功率如主运动和进给传动共用一台电动机，可忽略进给传动功率。只有当进给传动使用单独的电动机驱动时，才需确定进给传动功率。进给传动功率通常也采用类比与计算相结合的方法来确定。空行程功率机床移动部件空行程时快速移动所需的传动功率。设计时常和同类机床进行类比或通过试验测试等来确定。,3.2.工件表面成形方法与机床运动分析3.2.1.工件表面形状与成形方法,构成机械零件形状的基本表面：平面、圆柱面、圆锥面和各种成形表面，见右图3.1所示。这些表面都可以看成由一根母线沿着导线运动而形成的。,图3.2表示了零件表面的成形过程。母线和导线统称为发生线,切削加工中发生线是由刀具的切削刃和工件间的相对运动得到的，形成发生线的方法有以下四种：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，图3.3(a)所示。轨迹法形成发生线时，需要一个独立的成形运动。成形法刀具的切削刃与所需要形成的发生线完全吻合，图3.3(b)所示。成形法形成发生线，不需要成形运动。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3.3(c)所示。采用相切法生成发生线时，需要两个相互独立的成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中收按一定规律的运动。范成法它是利用工件和刀具作范成切削运动加工的方法，图3.3(d、e)。用范成法形成发生线需要一个独立的成形运动(复合运动)。,轨迹法,成形法,相切法,范成法,3.2.2.机床运动分析3.2.2.1机床的运动,表面成形运动表面成形运动分为简单成形运动和复合成形运动。单独的旋转运动或直线运动构成的成形运动称为简单成形运动。【如，用外圆车刀车削外圆，见图3.4(a)】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，则称此成形运动的复合成形运动。【如，车削螺纹时，图3.4(b),形成螺旋形发生线所需的刀具和工件之间的相对运动。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，刀具就均匀地移动一个螺旋线导程。】,辅助运动包括：切入运动、分度运动、调位(整)运动以及其它各种空行程运动.,图3.4成形运动的组成,3.2.2.2.机床的运动联系,（1）机床传动联系的组成为了实现各种运动，机床必备以下三个基本部分：执行件动力源传动装置（2）传动链由动力源传动装置执行件或执行件传动装置执行件构成的联系，称为传动链。按传动链的性质不同可分为外联系传动链和内联系传动链。外联系传动链联系动力源和执行件的传动链。内联系传动链联系复合运动之间各个分解部分的传动链。,（3）机床传动原理图研究机床传动联系时用的把传动原理和传动路线表示出来的图，称之。,丝杠车床,例图3.5：从电动机到主轴为外联系传动链；主轴到刀具为内联系传动链。,3.2.2.3.机床的传动系统,传动系统图是表示机床全部运动传动关系的示意图(见P67图3.8、P105图3.71等),3.3.车床与车刀3.3.1.车床3.3.1.1.CA6140型卧式车床,工艺范围,机床的布局及主要技术性能,1,2,3,机床的主要技术性能：床身上最大工件回转直径400mm最大工件长度750、1000、1500、2000mm刀架上最大工件回转直径210mm主轴转速：正转24级101400r/min反转12级141580r/min进给量：纵向64级0.0286.33mm/r横向64级0.0143.16mm/r车削螺纹范围：米制螺纹44种P=1192mm英制螺纹20种=224牙/in模数螺纹39种m=02548mm径节螺纹37种DP=196牙/in主电动机功率：7.5kW,CA6140卧式车床传动系统图,CA6140卧式车床的传动系统,主运动传动链(主电动机车床主轴),A.传动路线(主轴转速级数：正转24级、反转12级)a.高速传动路线获得正转4501400r/min的6级(反转3级)。b.低速传动路线获得正转10500r/min的18级(反转9级)。上述的传动路线可用传动路线表达式表示如下：,M1,主运动传动路线M1前部分,M1后正转高速传动路线,M1左,M1后正转低速传动路线,M1左,M1至轴II反转传动路线,M1右,主运动传动路线,*结合传动路线表达式讲解,B.主轴转速级数和转速a主轴转速级数主轴正转时：高速分支路线可得23=6级转速；低速分支路线可得2322=24级(理论)转速。但实际上有效低转速路线只有18级转速，轴III到轴V间的两个双联滑移齿轮变速组得到的四种传动比中，有两种重复，即：其中u2u3，实际低转速是23(221)=18级转速。因此主轴正转共可获得6+18=24级转速。(同理主轴反转:有31+(22-1)=12级转速),B.主轴转速主轴的各级转可按下列运动平衡式计算：例如：P67图3.8中所表示的齿轮啮合情况时，主轴的转速为：同理，可以得出主轴正转的24级转速为101400r/min；反转时的12级转速为141580r/min。,进给运动传动链A车削螺纹传动路线CA6140型卧式车床能车削米制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹，此外，还可以车削大导程、非标准和较精密的螺纹。它可以车削右旋螺纹，也可以车削左旋螺纹。车削螺纹时传动的运动平衡式为：式中u：从主轴到丝杠之间的总传动比L丝：机床丝杠的导程，CA6140型车床的L丝=12mmL工：被加工螺纹的导程(mm),a车削米制螺纹*车削米制螺纹的运动平衡式为：简化后得：基本变速组u基(8种):,u基,u倍,车削米制螺纹传动路线,右表3.6是CA6140型卧式车床的米制螺纹表,增倍变速组u倍(4种):,如果需车削导程大于12mm的米制螺纹，采用扩大导程传动路线:正常螺纹导程时使用扩大螺纹导程机构时：当主轴转速为1032r/min时当主轴转速为40125r/min时CA6140型车床车削最大的米制螺纹导程为192mm,扩大导程传动路线,b车削英制螺纹英制螺纹是英、美等少数英寸制国家所采用的螺纹标准。我国部分管螺纹也采用英制螺纹。英制螺纹以每英寸长度上的螺纹扣数(扣/in)表示。英制螺纹的导程：L=1/（in）=25.4/(mm)车削英制螺纹时，对车削米制螺纹传动路线作如下变动:首先，改变传动链中部分传动副的传动比，使其包含特殊因子25.4；其次，将基本组两轴的主、被动关系对调，以便使分母为等差级数。具体操作见后图：,车削英制螺纹运动平衡式为：将L=25.4/代入上式并化简后得：变换u基和u倍，就可加工各种标准的英制螺纹。,课堂讨论,车削英制螺纹的传动路线表达式？,c车削模数螺纹模数螺纹主要用在米制蜗杆，用模数m表示螺距的大小。螺距与模数的关系为:Pm=mmm所以模数螺纹的导程为:Lm=kPm=kmmm式中k：螺纹的头数车削时的传动路线与车削米制螺纹的传动路线基本相同。由于模数螺纹的螺距中含有因子，需用挂轮来替换以引入因子。,车削模数螺纹运动平衡式为：注：上式中将Lm=km代入运动平衡式并化简后得：,d车削径节螺纹径节螺纹主要用于英制蜗杆，其螺距大小以径节DP表示。径节代表齿轮或蜗轮折算到每英寸分度圆直径上的齿数，故英制蜗杆的轴向齿距为(in)(mm)标准径节的数列也是分段等差数列。径节螺纹的导程排列的规律与英制螺纹相同，只是含有特殊因子。车削径节螺纹时，可采用英制螺纹的传动路线，但挂轮需换为，。,车削径节螺纹运动平衡式为：注：上式中将代入运动平衡式并化简后得：,e车削非标准螺纹和较精密螺纹齿式离合器M3、M4和M5全部啮合，其运动平衡式为：mm挂轮的换置公式为：,B.纵向和横向进给传动链a.纵向进给传动链通过米制螺纹传动路线，其运动平衡式为：化简后可得：变换u基和u倍可得到从0.081.22mm/r的32种正常进给量。其余32种进给量通过英制螺纹等其它传动路线得到。,b横向进给传动链由传动系统分析可知，当横向机动进给与纵向机动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(讨论：？)，横向与纵向进给量的种数相同。,c刀架快速移动刀架的纵向和横向快速移动是由快速移动电动机（0.25kW,2800r/min）传动，刀架快速纵向右移的速度(向左和横向可用类似方法计算)为:,CA6140型卧式车床的主要结构主轴箱A.卸荷带轮B.双向多片磨擦离合器及其操纵机构*,1,2,3,4,5,卸荷带轮,磨擦片被压紧,I,I,I,I,双向多片磨擦离合器,双向多片磨擦离合器操纵过程,制动器松开操纵过程,制动器松开(同时M1左合主轴正转),制动器松开操纵过程,C.主轴组件a.CA6140型车床主轴组件的前支承是精度为P5的NN3021K型双列圆柱滚子轴承，用于承受径向力改变其内环(具有1：12的锥孔)的轴向位置，内环产生径向弹性膨胀，就能调整轴承的径向间隙(或预紧程度)；前支承中还装有一个精度为P5的234400系列的双向推力角接触轴承，用于承受两个方向的轴向力。后支承是一个精度为P6的NN3015K型双列圆柱滚子轴承。中间支承用精度为P6的NU216E型单列圆术滚子轴承，作为辅助支承，其配合较松，且间隙不能调整。b.主轴是一空心的阶梯轴。c.主轴上装有三个齿轮。,D.变速操纵机构主轴正转的24级转速是由4个滑移齿轮变速组和离合器M2组合实现的。,举例：右图是轴II和轴III上滑移齿轮的操纵机构。凸轮上有16个变速手柄位置，使两个滑移齿轮的位置实现六种组合，使轴III得到6种转速,溜板箱A.开合螺母机构,B.纵向、横向机动进给及快速移动的操纵机构,C.机动进给与加工螺纹间的互锁机构*,D.安全离合器*,F,F轴,F切,3.3.1.2.其它车床(简介),立式车床立式车床可分为单柱式(图a)和双柱式(图b)两类,转塔车床,3.3.2.车刀(自阅),3.4.孔加工机床与刀具3.4.1.钻床,钻床的加工方法及所需的运动如下图所示：,3.4.1.1.立式钻床,3.4.1.2.摇臂钻床,3.4.2.镗床,下图所示为卧式镗床的主要加工方法,3.4.2.1.卧式镗床,3.4.2.2.坐标镗床和金刚镗床,.坐标镗床它是一种高精度机床。其主要特点是具有坐标位置的精密测量装置。它主要用来镗削精密孔(IT5级或更高)和位置精度要求很高的孔系(定位精度达0.0020.01)。卧式坐标镗床如右图：,.金刚镗床它是一种高速精密镗床，它因以前采用金刚石镗刀而得名。现在已广泛使用硬质合金刀具。机床的特点是切削速度很高，而切削深度和进给量极小，加工精度可达IT5IT6，表面粗糙度值达：0.630.08um,3.4.3.孔加工刀具(自阅),3.5.刨床与插床3.5.1.刨床3.5.1.1.牛头刨床,3.5.1.2.龙门刨床,3.5.2.插床,3.6.铣床与铣刀3.6.1.铣床,下图为铣床加工的典型表面,3.6.1.1.卧式升降台铣床,3.6.1.2.立式升降台铣床,3.6.1.3.龙门铣床,3.6.2.铣刀,圆柱平面铣刀a端铣刀b立铣刀c两面或三面刃铣刀d、e锯片铣刀fT形槽铣刀g角度铣刀h成形铣刀i、j、k、l、m、n,3.7.磨床与砂轮3.7.1.磨床3.7.1.1.外圆磨床*,M1432A型万能外园磨床各部件的相对位置关系和所需要的各种运动(见图3.56):磨外圆砂轮的旋转运动n砂；（磨内孔砂轮的旋转运动n内;）工件旋转运动f周；工件纵向往复运动f纵；砂轮横向进给运动f横(往复纵磨时是周期的间歇运动；切入磨削时是连续进给运动)。,下图是M1432A型万能外圆磨床典型加工示意图,图3.57M1432A型万能外圆磨床,3.7.1.2.无心外圆磨床,图3.58无心外圆磨削加工示意图,3.7.1.3.内圆磨床,3.7.1.4.平面磨床,平面磨床的加工示意图,3.7.2.砂轮(自阅),3.8.齿轮加工机床与齿轮刀具3.8.1.齿轮加工机床3.8.1.1.齿轮的加工方法*,成形法成形法是用与被加工齿轮槽形状相同的成形刀具切削轮齿。图3.63所示,范成法范成法亦称包络法或展成法。范成法加工齿轮是利用齿轮的啮合原理进行的，即把齿轮的啮合副（齿条齿轮，齿轮齿轮）中的一个转化为刀具，另一个为工件，并强制刀具与工件严格地按照运动关系啮合（作范成运动），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。,3.8.1.2.滚齿机,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，见图3.64所示。,加工直齿圆柱齿轮的传动原理,范成运动传动链主运动传动链轴向进给传动链,滚刀斜齿圆齿轮的传动原理在滚切斜齿圆柱齿轮时，除了与滚切直齿一样，需有范成运动，主运动和轴向进给运动外，为了形成螺旋线齿线，增加了一条附加运动链：刀架（滚刀移动）12131415合成6789工件台。,滚刀蜗轮的传动原理（自阅）滚刀的安装*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。图3.68为螺旋滚刀加工直齿圆柱齿轮的安装角,=,用滚刀加工斜齿圆柱齿轮时，安装角如下图：,=,=被加工的斜齿轮与滚刀的螺旋线方向相反时取“”，方向相同时取“”号。滚切斜轮时，应尽量采用与工件螺旋方向相同的滚刀，使滚刀安装角较小，有利提高机床运动平稳性及加工精度。,Y3150E型滚齿机,机床的主要技术性能参数如下：工件最大直径500mm工件最大加工宽度250mm工件最大模数8mm工件最小齿数Zmin=5K滚刀头数滚刀主轴转速40、50、63、80、100、125、160、200、250r/mm进给量0.4、0.56、0.63、0.87、1、1.16、1.41、1.6、1.8、2.5、2.9、4mm/r,图3.71Y3150E型滚齿机传动系统图,传动系统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。,滚切直齿圆柱齿轮的传动及换置计算A.主运动传动链*a.找末端件：电动机滚刀b.确定计算位移：n电r/minn刀r/minc.列出运动平衡式根据计算位移关系及传动路线，可得运动平衡d.计算换置式只要确定了n刀，就可计算出nv的值，并由此确定出变速箱中啮合的齿轮对和挂轮的齿数。Y3150E型滚齿机提供的主变速挂轮A/B分别为22/44、33/33和44/22。,主运动传动链,B.范成运动传动链*a.找末端件滚刀工件b.确定计算位移1/Kr(滚刀)1/Z工r(工件)c.列出运动平衡式式中u合成表示通过合成机构的传动比。当加工直齿圆柱齿轮时，u合成1。d.计算换置式式中e、f：结构挂轮当5Z工/K20时，取e48、f24;当21Z工/K142时，取e36、f36;当Z工/K143时，取e24、f48。,范成运动传动链,C.进给运动传动链a.找末端件