机械制造基础-金属切削机床

1、金属切削机床的基本知识金属切削机床是对金属工件进行切削加工的机器。金属切削机床是对金属工件进行切削加工的机器。由于它是用来制造机器的，也是唯一能制造机床自由于它是用来制造机器的，也是唯一能制造机床自身的机器，故又称为身的机器，故又称为“工作母机工作母机”，习惯上简称为，习惯上简称为机床。机床。本章的主要内容本章的主要内容一、机床的类型和基本构造一、机床的类型和基本构造二、机床的传动二、机床的传动三、自动机床和数控机床简介三、自动机床和数控机床简介四、柔性制造系统和计算机辅助制造系统四、柔性制造系统和计算机辅助制造系统机床的类型和基本构造n机床的类型机床的类型 非数控机床和数控机床非数控机床和数

2、控机床n按加工方式、加工对象或主要用途分：车床、钻床、按加工方式、加工对象或主要用途分：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床、其它机床。刨插床、拉床、特种加工机床、锯床、其它机床。n按加工工件大小和机床质量分：仪表机床、中小机床、按加工工件大小和机床质量分：仪表机床、中小机床、大型机床、重型机床、超重型机床。大型机床、重型机床、超重型机床。n按机床适用范围分：通用机床、专门化机床和专用机按机床适用范围分：通用机床、专门化机床和专用机床。床。n按加工精度分：普通精度级机床、精密级机床和高精按加工精

3、度分：普通精度级机床、精密级机床和高精度级机床。度级机床。机床的类型和基本构造n机床的基本构造机床的基本构造在各类机床中，车床、钻床、刨床、铣床和磨床是五种最基本的机床，图21至图25所示，尽管这些机床的外形、布局和构造各不相同，但归纳起来，它们都是由如下几个主要部分组成的。1.1.主传动部件主传动部件 用来实现机床的主运动，例如车床、钻床、铣床的主轴箱，刨床的变速箱和磨床的磨头等。2 2进给传动部件进给传动部件 主要用来实现机床的进给运动，也用来实现机床的调整、退刀及快速运动等，例如车床的进给箱、溜板箱，钻床、铣床的进给箱，刨床的进给机构，磨床的液压传动装置等。3 3工件安装装置工件安装装置

4、 用来安装工件，例如卧式车床的卡盘和尾架，钻床、刨床、铣床和平面磨床的工作台等。4 4刀具安装装置刀具安装装置 用来安装刀具，例如车床、刨床的刀架，钻床、立式铣床的主轴，卧式铣床的刀轴，磨床磨头的砂轮轴等。5 5支承件支承件 用来支承和连接机床的各零部件，是机床的基础构件，例如各类机床的床身、立柱、底座、横梁等。6 6动力源动力源 为机床运动提供动力，即电动机。机床的类型和基本构造机床的类型和基本构造机床的类型和基本构造机床的类型和基本构造机床的类型和基本构造机床的传动机床的传动: 有机械、液压、气动、电气等多种传动形式，其中最常见的是机械传动和液压传动。一、机床的机械传动一、机床的机械传动

5、1 1机床上常用的传动副及其传动关系机床上常用的传动副及其传动关系 用来传递运动和动力的装置称为传动副，机床上常用的传动副及其传动关系如下：(1)(1)带传动带传动 带传动是利用传动带与带轮之间的摩擦作用，将主动带轮的转动传到从动带轮（图26）。从图中可知，如果不考虑传动带与带轮之间的相对滑动，带轮的圆周速度v1、v2和传动带速度v带的大小是相同的，即因为因为所以所以机床的传动一、机床的机械传动一、机床的机械传动 （2 2）齿轮传动）齿轮传动 齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式。这种传动种类很多，如直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿等，其中最常用的是直齿圆柱齿轮传动，如图27所示。 设z1,

6、z2和n1, n2分别为主动、从动齿轮的齿数和转速，则 从上式可知，齿轮传动的传动比等于从上式可知，齿轮传动的传动比等于主动齿轮与从动齿轮齿数之比。或齿轮主动齿轮与从动齿轮齿数之比。或齿轮传动中，传动中，齿轮转速与其齿数成反比。齿轮转速与其齿数成反比。机床的传动一、机床的机械传动一、机床的机械传动 （3 3）蜗杆传动蜗杆传动 如图28所示。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。 若蜗杆的螺纹头数为k，转速为n1；蜗轮的齿数为z，转速为n2则其传动比为蜗杆传动的优点是可以获得较蜗杆传动的优点是可以获得较大的降速比大的降速比( (因为因为k k比比z z小

7、很小很多），而且传动平稳，无噪声，多），而且传动平稳，无噪声，结构紧凑。但传动效率低，需结构紧凑。但传动效率低，需要有良好的润滑条件。要有良好的润滑条件。机床的传动一、机床的机械传动一、机床的机械传动(4) (4) 齿轮齿条：齿轮齿条：回转运动 直线运动(5) (5) 丝杠螺母：丝杠螺母：机床的传动n传动链传动链 若干个传动副组合起来，成为一个传动系统，称为传动链。若干个传动副组合起来，成为一个传动系统，称为传动链。传动比等于传动副各传动比的乘积。传动比等于传动副各传动比的乘积。 例: 如图所示，运动自轴I输入，转速为n1，经带轮d1、传动带和带轮d2。传至轴II。再经圆柱齿轮1、2传到轴II

8、I，经圆锥齿轮3、4传到轴IV，经圆柱齿轮5、6传到轴V，最后经蜗杆k及蜗轮7传至轴VI，并把运动输出。机床的传动3 3机床常用的变速机构机床常用的变速机构 获得加工时的各种切削速度。 变换机床转速的主要装置是机床的齿轮箱。齿轮箱中的变速机构是由一些基本的机构组成的。基本变速机构是多种多样的，其中最常应用的有以下两种（图212）：机床的传动3 3机床常用的变速机构机床常用的变速机构(1)(1)滑动齿轮变速机构（图滑动齿轮变速机构（图212a212a）带长键的从动轴II上，装有三联滑动齿轮（z2、z4和z6）。通过手柄可使它分别与固定在主动轴I上的齿轮z1、z3和z5相啮合，轴口可得到三种转速,

9、其传动比为 这种变速机构的传动路线可用传动链的形式表示如下：（2 2）离合器式齿轮变速机构（图）离合器式齿轮变速机构（图2 212b12b）可得到两种不同的转速，其传动比为 其传动链为其传动链为机床的传动4 4卧式车床传动简介卧式车床传动简介 图为C616型（相当于新编型号C6132）卧式车床的传动系统图,它用规定的简图符号表示出整个机床的传动链。图中各传动件按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式画出来。传动系统图只能表示传动关系，而不能代表各传动件的实际尺寸和空间位置。图中：罗马数字表示传动轴的编号，阿拉伯数字表示齿轮齿数或带轮直径，字母M表示离合器等。 （1 1）主运动传动链为；）主运动传

10、动链为； 主轴可获得主轴可获得2X3X22X3X21212级转速，其反转是通过电动机反转实现的。级转速，其反转是通过电动机反转实现的。机床的传动4 4卧式车床传动简介卧式车床传动简介 机床的传动4 4卧式车床传动简介卧式车床传动简介 进给运动传动链为：进给运动传动链为： 机床的传动5 5机床机械传动的组成机床机械传动的组成 机床机械传动主要由以下几部分组成： （1 1）定比传动机构）定比传动机构 具有固定传动比或固定传动关系的传动机构，如常用的传动副。（2 2）变速机构）变速机构 改变机床部件运动速度的机构。例如，图 213中变速箱的轴 lII一III间采用的为滑动齿轮变速机构, 主轴箱中轴I

11、V一V一VI间采用的为离合器式齿轮变速机构等。（3 3）换向机构）换向机构 变换机床部件运动方向的机构。为了满足加工的不同需要，机床的主传动部件和进给传动部件往往需要正、反向的运动。机床运动的换向，可以直接利用电动机反转，也可以利用齿轮换向机构（例如图213主轴箱中VI、VII 、VIII轴间的换向齿轮）等。（4 4）操纵机构）操纵机构 用来实现机床运动部件变速、换向、启动、停止、制动及调整的机构。机床上常见的操纵机构包括手柄、手轮、杠杆、凸轮、齿轮齿条、拨叉、滑块及按钮等。（5 5）箱体及其他装置）箱体及其他装置 相体用以支承和连接各机构并保证它们相互位置的精度。为了保证传动机构的正常工作，

12、还要设有开停装置、制动装置、润滑与密封装置等。 机床的传动6 6机械传动的优缺点机械传动的优缺点 机械传动与液压传动、电气传动相比机械传动与液压传动、电气传动相比 较，较，其主要优点如下：其主要优点如下： (1) (1) 传动比准确，适用于定比传动；传动比准确，适用于定比传动； （2 2）实现回转运动的结构简单，并能传递较大的扭矩）实现回转运动的结构简单，并能传递较大的扭矩； （3 3）故障容易发现，便于维修。）故障容易发现，便于维修。 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。

13、因此，机械传动主要用声较大；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高的有级变速传动中。于速度不太高的有级变速传动中。机床的传动二、机床的液压传动二、机床的液压传动 1 1外圆磨床液压传动简介外圆磨床液压传动简介 工作台的往复换向动作，是由挡块5使换向阀6的活塞自动转换实现的。如图所示，工作台向左移动，挡块5固定在工作台2侧面槽内，按照要求的工作台行程长度，调整两挡块之间的距离。当工作台向左行程终了时，挡块5先推动杠杆8到垂直位置；然后借助作用在杠杆8滚柱上的弹簧帽15使杠杆8及活塞继续向左移动，从而完成换向动作。此时，换向阀6的活塞位置如图215所示，工作台开始向右移

14、动。换向阀6的活塞转换快慢，由油阀16调节，它将决定工作台换向的快慢及平稳性。机床的传动二、机床的液压传动二、机床的液压传动 2 2机床液压传动的组成机床液压传动的组成 机床液压传动主要由以下几部分组成：机床液压传动主要由以下几部分组成：（1 1）动力元件）动力元件油泵。其作用是将电动机输入的机械能转换为液体的压力能，是能量转换装置（能源）。 （2 2）执行机构）执行机构油缸或油马达。其作用是把油泵输入的液体压力能转变为工作部件的机械能，它也是一种能量转换装置（液动机）。 （3 3）控制元件）控制元件各种阀。其作用是控制和调节油液的压力、流量（速度）及流动方向。 （4 4）辅助装置）辅助装置油

15、箱、油管、滤油器、压力表等。其作用是创造必要的条件，以保证液压系统正常工作。 （5 5）工作介质）工作介质矿物油。它是传递能量的介质。机床的传动二、机床的液压传动二、机床的液压传动 3 3液压传动的忧缺点液压传动的忧缺点 液压传动与机械传动、电气传动相比较，其主液压传动与机械传动、电气传动相比较，其主要优点如下要优点如下 （1 1）易于在较大范围内实现无级变速；）易于在较大范围内实现无级变速； （2 2）传动平稳，便于实现频繁的换向和自动防止过载；）传动平稳，便于实现频繁的换向和自动防止过载； （3 3）便于采用电液联合控制，实现自动化；）便于采用电液联合控制，实现自动化； （4 4）机件在油

16、中工作，润滑好，寿命长。）机件在油中工作，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。压缩性，并有泄漏现象，所以液压传动不适于作定比传动。自动机床与数控机床简介n自动和半自动机床自动和半自动机床 n经调整后，不需人工操作便能完成自动循环经调整后，不需人工操作便能完成自动循环的机床，称自动机床。的机床，称自动机床。n除装卸工件由人工操作外，能完成半自动循除装卸工件由人工操作外，能完成半自动循环的机床，称半自动机床。环的机床，称半自动机床。n适于大批、大

17、量地生产形状不太复杂的小型适于大批、大量地生产形状不太复杂的小型零件，加工精度较低，生产率高。产品变更，零件，加工精度较低，生产率高。产品变更，需重新设计、调整机床，不适应多品种、中需重新设计、调整机床，不适应多品种、中小批量生产。小批量生产。自动机床与数控机床简介n数控机床数控机床 按照加工要求预先编制的程序，由按照加工要求预先编制的程序，由控制系统发出数字信息指令进行工作的机床。控制系统发出数字信息指令进行工作的机床。n工作过程工作过程n编制程序单；制造穿孔带；信息输入；信息运算和编制程序单；制造穿孔带；信息输入；信息运算和处理，转换为指令信号；伺服机构控制机床。处理，转换为指令信号；伺服

18、机构控制机床。自动机床与数控机床简介n数控机床种类（按运动轨迹）数控机床种类（按运动轨迹）n点位控制点位控制 控制刀具或机床工作台从一点移动到另一点的准确定位，如钻床、镗床和冲床。n直线控制直线控制 除控制点定位，保证两坐标点间移动轨迹为一条直线，如车床、铣床、磨床。n轮廓控制轮廓控制 对两个或两个以上坐标方向的同时运动不间断控制，并进行切削，如铣床、车床、磨床、齿轮加工机床。自动机床与数控机床简介n数控机床的种类（按伺服机构控制方式）数控机床的种类（按伺服机构控制方式）n开环控制开环控制 （图中的实线）（图中的实线） 没有位置测量装置，不反馈实际值并与指令值比较。控制简单、成本低，精度受限。

19、n闭环控制闭环控制 （图中的虚线）（图中的虚线） 有测量装置，将实际值反馈并与指令值比较，再用比较差值控制，直到差值消除。定位精度高、速度快、但控制系统复杂，成本高。 自动机床与数控机床简介n数控机床的优点和应用数控机床的优点和应用n优点：优点：n柔性大柔性大 加工对象灵活可变，适于多品种生产。加工对象灵活可变，适于多品种生产。n利用率高利用率高 设备调整和生产准备时间短，长时间稳定加工。设备调整和生产准备时间短，长时间稳定加工。n加工质量稳定加工质量稳定 按程序自动加工，有补偿功能。按程序自动加工，有补偿功能。n生产率高生产率高 n应用应用n适合产量小、品种多、产品更新频繁、要求生产周期短。

20、适合产量小、品种多、产品更新频繁、要求生产周期短。n适合复杂型面的零件，用非数控机床难以完成的加工。适合复杂型面的零件，用非数控机床难以完成的加工。n多品种、中小批量生产的重要途径之一。多品种、中小批量生产的重要途径之一。柔性制造系统和计算机辅助制造概述 长期以来，人们对于机械制造领域所涉及的各种问题，往往是孤立地看待，对于机械制造中所用的机床、工具和制造过程机床、工具和制造过程，仅限于分别地、个别地加以研究。因此，在很长的时期内，尽管有许多研究工作取得了卓越的成就，然而在大幅度地提高小批量的生产率方面，并未发生重要的突破。直到20世纪60年代后期，人们才逐渐认识到，只有把机械制造的各个组成部

21、分看成是一个有机的整体，以控制论和系统工程学为工具，用系统的观点进行分析和研究，才能对机械制造过程实行最有效的控制，才能有效地提高生产率、扩大品种、保证质量，并达到最大的经济效益。基于这种认识，人们进行了许多研究和实践，于是出现了机械制造系统的概念。柔性制造系统和计算机辅助制造概述一、机械制造系统一、机械制造系统 机械制造系统机械制造系统是由经营管理、生产过程、机床设备、控制装置及工作人员所组成的有机整体。它和其他生产系统一样，是由输入，制造过程和输出组成的（图223）。 系统的输入系统的输入，是指向系统输入具有一定几何参数（如形状、尺寸、精度、表面粗糙度等）和物理参数（如材料性质、表面状态等

22、）的原材料、毛坯、刀具等。系统将工件输入参数与机床调整参数(vc, f, ap)相综合，从而决定制造过程中的加工条件及顺序。 制造过程制造过程就是对输入的原材料（或毛坯）以及其他信息进行加工、转变的过程。 系统的输出系统的输出是指经过制造过程的加工和转变，最后输出具有所要求形状、尺寸、精度和表面质量的零件，以及材料的切除量和刀具的磨损等。 输出的零件信息可以输入制造过程，以实现加工连续不断地进行。 根据系统拥有的机床台数，可以把系统分为单级机械制造系统和多级机械制造系统。单级系统只拥有一台机床；多级系统则拥有多台机床。柔性制造系统和计算机辅助制造概述二、二、 柔性制造系统柔性制造系统 1.FM

23、S1.FMS的概念的概念 FMS是在DNC(计算机群控)基础上发展起来的一种集成机械制造系统，也叫做可变制造（或加工）系统。 FMSFMS是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。它可按任意顺序加工一组有不同工序与加工节拍的工件，能适时地自由调度管理，因而这种系统可以在设备的技术规范的范围内自动地适应加工工件和生产批量的变化。整个加工过程中，系统按生产程序软件调度工作，每个加工工位满负荷工作，可实现无人化加工。柔性制造系统和计算机辅助制造概述二二 柔性制造系统柔性制造系统 2 2FMSFMS的基本类型及应用的基本类型及应用 根据FMS所完成加工

24、工序的多少、拥有机床的数量、运储系统和控制系统的完善程度等，可以将FMS分为三种基本类型，图224为它们的示意图。柔性制造系统和计算机辅助制造概述二、二、 柔性制造系统柔性制造系统 2 2FMSFMS的基本类型及应用的基本类型及应用（1 1）柔性制造单元（）柔性制造单元（FMCFMC） 它是由一台或少数几台配有一定容量的工件自动更换装置的加工中心组成的生产设备，按工件储存量的多少能独立持续地自动进行加工一组不同工序与加工节拍的工件。它可以作为组成FMS的模块单元，特别适于多品种小批量的生产。（2 2）柔性制造系统（）柔性制造系统（FMSFMS） 它与FMC基本相同，只不过采用几台加工中心构成。它的规模比FMC大，自动化程度和生产率比FMC高，能完成更复杂的加工。在FMS中，每台机床既可用来完成一种或多种零件的全部加工，也可以与系统中的其他机床配合，按程序对工件进行顺序加工。所以，FMS特别适于多品种、小批或中批复杂零件的加工。（3 3）柔性自动生产线（）柔性自动生产线（FTLFTL） 它是由更多的数控机床、输送和存储系统等所组成的柔性制造系统。每24台机床间设置一个自动仓库，工件和随行夹具按直线式输送。整个生产线可以分成几段，完成不同的加工任务，以便减少因停机所带来的损