第二章 第三节 金属切削机床

第二章金属切削加工基本知识CONTENTS目录1234【切削运动与切削要素】【金属切削刀具】【金属切削机床】【金属切削规律及应用】03【金属切削机床】金属切削机床一二三机床概述机床的传动系统机床传动原理

一、机床概述1.机床的作用和特点金属切削机床是用切削加工的方法将金属毛坯加工成机器零件的工艺装备。它提供刀具和工件之间的相对运动，提供加工过程中所需的动力，完成机械加工工艺过程。机床的质量和性能直接影响机械产品的加工质量和加工的适应范围，随着新型刀具的出现，电气、液压等技术的发展以及计算机的应用，机床的生产率、加工精度和自动化程度也不断提高。金属切削机床

2.机床的构成及布局（1）机床的构成现代金属切削机床依靠大量的机械、电气、电子、液压和气动装置来实现运动和循环。机床由传动装置、动力装置、执行机构、辅助机构和控制系统组合在一起，形成统一的工艺综合体。它包括以下几个部分：

1）支承及定位部分

2）运动部分

3）动力部分

4）控制部分图2-17所示为万能升降台铣床XA6132的外形图金属切削机床（2）机床布局机床布局是指合理安排机床组成部件的位置以及相对于被加工零件的位置。几种布局的形式：1）刀具布置在被加工零件的前面或后面如车床、外圆磨床等，床身是水平布置的。2）刀具布置在工件的侧面如滚齿机、卧式镗床、刨齿机和卧式拉床等，所有主要部件都沿转向布局，宜制成框架结构。3）刀具布置在工件的上方如卧式和立式铣床、平面磨床、钻床、插床、插齿机等，为立式布局，便于观察工件和加工过程。4）刀具相对于工件扇形布置几把刀从不同的方向同时加工一个零件，如立式车床、龙门刨床和龙门铣床等。此类机床都是刚性框架，在框架上安装刀具（刀架和铣头等）。金属切削机床

3.机床的分类根据国家制定的机床型号编制方法（GB/T15375-2008），机床共分为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、刨插床、拉床、锯床及其它机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局形式和结构，分为若干组，每-组又分为若干个系。在上述基本分类方法的基础上，还可根据机床的其它特征进一步区分。同类型机床按通用性程度分为通用机床（或称万能机床）、专门化机床和专用机床三类。还可以按自动化程度分为：手动、机动、半自动和自动机床。金属切削机床

4.机床型号编制机床型号是机床产品的代号，用以简明地表示机床的类型、主要技术参数、性能和结构特点等，GB/T15375-2008规定:机床的型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律排列组成，适用于各类通用机床和专用机床(组合机床除外)。通用机床的型号用下列方式表示，如图2-18所示：金属切削机床注：∆表示阿拉伯数字;○表示大写汉语拼音字母。○△表示大写汉语拼音字母或阿拉伯数字或两者兼有之。括号中表示可选项，无内容时不表示，有内容时不带括号。

（1）机床的类别代号机床的类别代号用大写汉语拼音表示。例如:“车床”的汉语拼音是“chechuang”,所以用“C”表示，读作“车”。当需要时，每类可分为若干个分类，其表示方法是在类别代号前用阿拉伯数字表示，但当分类是“1”时不予表示，例如，磨床分为M、2M和3M三个分类。机床的类代号如表2-3所示。金属切削机床

（2）机床的特征代号机床的特征代号表示机床具有的特殊性能，它包括通用特征和结构特征。

1）通用特征代号。当某种机床除普通形式外，还有某种特征时应在类代号后用字母表示，表2-4所示为常用的通用特征代号。

2）结构特征代号无统一规定，也用字母表示，在不同机床中含义也不相同，用于区别主参数相同而结构不同的机床。金属切削机床

（3）机床组别代号和类别代号机床组别和类别代号用两位数字表示，前位表示组别，后位表示系列。每类机床分为十个组，每组又分若干个系，分别用0~9表示。表2-5所示为机床的类、组别划分。金属切削机床

（4）机床主参数机床的主参数、第二主参数都是用数字表示的。主参数表示机床的规格，是机床最主要的技术参数，反映机床的加工能力，影响机床的其他参数和结构大小，通常以最大加工尺寸或机床工作台尺寸作为主参数。当无法用主参数表示时，采用设计序号表示。第二主参数是为了更完善地表示机床的工作能力和加工范围。第二主参数均用折算系数表示，见表2-6。金属切削机床

5.机床精度的概念机床本身的精度直接影响到零件的加工精度。因此，机床的精度必须满足加工的要求（1）机床精度包括几何精度、传动精度和位置精度几何精度包括床身导轨的直线度、工作台台面的平面度、主轴的旋转精度、刀架和工作台等移动的直线度、车床刀架移动方向与主轴轴线的平行度、主轴的旋转精度、刀架和工作台等移动的直线度、车床刀架移动方向与主轴轴线的平行度等。这都决定刀具和工件之间的相对运动轨迹的准确性，从而也就决定了被加工零件表面形状精度以及表面之间的相对位置精度。传动精度是指机床内联系传动链两端件之间运动关系的准确性，它决定着复合运动轨迹的精度，直接影响被加工表面的形状精度（如螺纹的螺距误差）。位置精度是机床运动部件，如工作台、刀架和主轴箱，从某一起始位置运动到预期的另一位置时到达的实际位置的准确程度。（2）机床精度分静态精度和动态精度静态精度是在无切削载荷、机床不运动或运动速度很低的情况下检测的。静态精度包括精度检验项目、检验方法和允许的误差范围。动态精度是机床在载荷、温升和振动等作用下的精度。动态精度除了与静态精度密切有关外，还取决于机床的刚度、抗振性和热稳定性等。金属切削机床

二、机床传动原理机械加工中的各种运动都是由机床实现的，机床的功能决定了所需的运动，反过来一台机床所具有的运动决定了它的功能范围。运动部分是一台机床的核心部分。1.机床传动的基本组成部分机床的传动必须具备以下的三个基本部分：（1）运动源为执行件提供动力和运动的装置，通常为电动机，如交流异步电动机、直流电动机、直流和交流伺服电动机、步进电动机、交流变频调速电动机等。（2）传动件传递动力和运动的零件，如齿轮、链轮、带轮、丝杠、螺母等，除机械传动外，还有液压传动和电气传动元件等。（3）执行件夹持刀具或工件执行运动的部件，常用执行件有主轴、刀架、工作台等，是传递运动的末端件。金属切削机床2.机床的传动链

为了在机床上得到所需要的运动，必须通过一系列的传动件把运动源和执行件，或把执行件与执行件联系起来，以构成传动联系。构成一个传动联系的一系列传动件，称之传动链。根据传动链的性质，传动链可分为两类。（1）外联系传动链联系运动源与执行件的传动链称为外联系传动链。它的作用是使执行件得到预定速度的运动，并传递一定的动力。此外，还起执行件变速、换向等作用。（2）内联系传动链联系两个执行件，以形成复合成形运动的传动链称为内联系传动链。它的作用是保证两个末端件之间的相对速度或相对位移保持严格的比例关系，以保证被加工表面的性质。为了便于研究机床传动系统的联系，常用图2-19所示的简明符号把传动原理和传动路线表示出来，这就是传动原理图，如图2-20所示。图2-20所示为铣平面，成形运动由简单的回转运动和直线运动构成，为简单成形运动。金属切削机床

图2-20所示为铣平面，成形运动由简单的回转运动和直线运动构成，为简单成形运动。有两条外联系传动链：传动链“1-2-uv-3-4”将运动源（电动机）和执行件（主轴）联系起来，可使铣刀获得旋转运动B1；传动链“5-6-uf-7-8”将运动源（另一台电动机）和执行件（工作台）联系起来，可使工件获得沿直线移动的进给速度A2。根据加工要求，需要改变铣刀的转动速度及工件的进给速度时，可通过换置机构uv和uf来实现。金属切削机床2.机床的传动链图2-21所示为车螺纹，成形运动由工件的回转运动和刀具的直线运动，按照一定的运动关系（即工件每转1转，车刀准确地移动工件螺纹的一个导程的距离）复合而成，是复合成形运动。有两条传动链：外联系传动链“1-2-uv-3-4”将运动源和主轴联系起来，内联系传动链“4-5-ux-6-7”将主轴和刀架联系起来，使工件和车刀保持严格的运动关系。当需要改变工件转速及螺纹导程时，可通过换置机构uv和ux来实现。金属切削机床

从上述分析可知，内联系传动链的两端件具有严格的传动比要求，不能采用传动比不确定或瞬时传动比变化的传动机构（如带传动、链传动和摩擦传动等），在调整换置机构时其传动比必须有足够的精度。外联系传动链无上述要求。利用传动原理图，可分析机床有哪些传动链及其传动联系情况，一方面由工件的运动参数要求，正确地计算换置机构的传动比，对机床进行运动调整；另一方面，可根据已知的机床运动路线的传动比，计算加工过程的运动参数。金属切削机床

三、机床传动系统机床传动系统由成形运动和辅助运动的各传动链组成。通常由传动系统图体现，图2-22所示为万能升降台铣床XA6132的传动系统图，它表示的是机床全部运动关系的示意图。图中各传动元件用简单的规定符号表示（符号见国家标准GB4460-2013，机械制图-机构运动简图用图形符号），并标注齿轮和蜗轮的齿数、蜗杆头数、丝杠导程、带轮直径、电动机功率和转速等。图中各传动元件按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式画在能反映主要部件相互位置的机床外形轮廓中。金属切削机床利用传动系统图。可分析各传动链，进行机床运动计算。图2-22所示的传动链有：1.主运动传动链主运动传动链的两端是电动机（运动源）和主轴Ⅴ（执行件），其传动路线为：电动机经弹性联轴器传给轴Ⅰ，经轴Ⅰ—Ⅱ之间的定比齿轮副以及轴Ⅱ—Ⅲ、Ⅲ—Ⅳ和Ⅳ—Ⅴ之间的三个滑动齿轮变速机构，使传动轴Ⅴ转动，并获得3×3×2=18级不同的转速。主轴旋转运动的开停及转向的改变由电动机的开停和正反转实现。轴Ⅰ右端有多片式制动器，用于主轴停车时进行制动，使主轴迅速而平稳地停止转动。2.进给传动链进给传动链有三条：纵向、横向和垂直进给传动链，三条传动链的一端是进给电动机（运动源），另一端（执行件）分别是工作台、床鞍和升降台。3.快速空行程传动链这是辅助运动传动链，其两端件与进给传动链相同。由图2-19可以看出，接合电磁离合器，而脱开进给离合器，进给电动机的运动便由定比齿轮副和电磁离合器传给轴Ⅹ，以后再沿着与进给运动相同的传动路线传给工作台、床鞍和升降台。金属切削机床2.进给传动链进给传动链有三条：纵向、横向和垂直进给传动链，三条传动链的一端是进给电动机（运动源），另一端（执行件）分别是工作台、床鞍和升降台。运动由进给电动机经定比齿轮副传至轴Ⅶ，经轴Ⅶ—Ⅷ、Ⅷ—Ⅸ之间的滑动齿轮变速机构传至轴Ⅸ；运动由轴Ⅸ经过两条不同的线路传至轴Ⅹ，当轴Ⅸ上可滑动齿轮副空套齿轮z40处于右端位置（图示位置）与离合器接合时，运动由轴经齿轮副和电磁离合器传至轴Ⅹ，当空套齿轮z40处于左端与空套在轴Ⅶ上的齿轮z18啮合时，轴Ⅸ的运动则经齿轮副和离合器传至轴Ⅹ。轴Ⅹ的运动由定比齿轮副和齿轮z18传至轴Ⅺ上的空套齿轮z33，然后由这个齿轮将运动分别传给纵向、横向和垂直进给丝杠，工作台实现纵向、横向、垂直3个方向上的直线进给运动。三个方向进给运动的开停分别由纵向进给离合器、横向进给离合器和垂直进给离合器控制。利用轴Ⅶ—Ⅷ，Ⅷ—Ⅸ之间的滑动齿轮变速机构和轴Ⅸ—Ⅷ—Ⅹ之间的变速机构，可使工作台变换3×3×2=18级不同的进给速度，转向改变由电动机的开停和正反转实现。金属切削机床3.快速空行程传动链这是辅助运动传动链，其两端件与进给传动链相同。由图2-19可以看出，接合电磁离合器，而脱开进给离合器，进给电动机的运动便由定比齿轮副和电磁离合器传给轴Ⅹ，以后再沿着与进给运动相同的传动路线传给工作台、床鞍和升降台。由于这一路线的传动比大于进给路线的传动比，因而获得快速运动。快速运动方向的变换同样由电动机改变旋转方向来实现。金属切削机床

四、数控机床概述

1.数控机床的定义数控机床是指采用数字形式信息控制的机床。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有数控系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。数控机床是近代发展起来的、具有广阔发展空间的、新型自动化机床，是高度机电一体化的产品，是现代机床制造水平的重要标志。数控机床解决了形状复杂、精度高、生产批量不大、生产周期长及产品更换频繁的多品种、小批产品的制造问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，是构成柔性制造系统、计算机集成制造系统的基础单元。常见的数控机床有数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心等。数控机床，首先要将被加工零件图样上的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序，然后把加工程序输入机床数控装置，数控系统把程序进行译码、运算后向机床的各个坐标的伺服装置和辅助控制装置发出指令，驱动机床运动部件并控制所需要的辅助动作，完成零件的加工。金属切削机床

2.数控机床的组成及分类（1）数控机床的组成数控机床包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服电动机、辅助控制装置、反馈装置和机床本体。1）数控系统机床数字控制由数控系统完成，数控系统包括数控装置、可编程控制器和检测装置。2）伺服驱动系统是以机床移动部件的位置和转速作为控制量的自动控制系统，能快速响应数控装置发出的指令。3）程序编制是实现数控加工的主要环节，已从脱机编程发展到在线编程，可同时进行特殊工艺信息和几何信息的程序编制。4）机床本体采用刚性强、热变形小、高精度的新型机床，其外部造型、传动系统及刀具系统等有很大的改进，机电一体化的布局，机床主机和伺服系统实现了机电匹配。金属切削机床

（2）数控机床的分类1）按工艺用途分为普通数控机床和数控加工中心。①普通数控机床，加工工艺过程的工序上实现数字控制的自动化机床，自动化程度还不够完善，工艺范围和通用机床相似，刀具更换、零件装夹需人工完成。②数控加工中心，数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，又称多工序数控机床，简称加工中心。一次装夹后，可进行多种工序加工，有效避免由于多次安装造成的定位误差，并提高了加工生产率。2）按运动轨迹分为点位控制、点位直线控制、轮廓控制数控机床。①点位控制数控机床。机床的数控装置只能控制行程终点的坐标值，在移动过程中不能进行切削加工。②点位直线控制数控机床。机床不仅要求有准确的定位功能，还要求当机床的位移部件移动时，可沿平行于坐标轴的直线及与坐标轴成45°的斜线进行加工。③轮廓控制数控机床。机床的控制装置能准确定位，能够控制加工过程中每点的速度和位置，获得形状复杂的零件轮廓。金属切削机床

3）按伺服系统的控制方式分为开环、闭环和半闭环控制数控机床①开环控制数控机床如图2-23a所示，机床没有检测反馈装置，机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。金属切削机床②闭环控制数控机床如图2-23b所示，在闭环控制系统的数控机床中增加了检测反馈装置，加工过程中可随时检测机床位移部件的位置，加工精度高。金属切削机床

③半闭环控制数控机床如图2-23