《机械制造装备设计》-第３ 章

３.１金属切削机床概述３.１.１金属切削机床分类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。根据国家制定的机床型号编制方法按加工性质和所用刀具进行分类，可将机床分为１２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、特种加工机床、锯床及其他机床。在每一类机床中，又可按工艺范围、布局形式和结构性能分为若干组，每一组又分为若干个系（系列）。除了上述基本的分类方法外，还有其他的分类方法：（１）按工艺范围划分下一页返回３.１金属切削机床概述１）通用机床：可加工多种零件的不同工序，加工范围较广，通用性强，但结构比较复杂，如卧式车床、万能磨床以及摇臂钻床等均属于通用机床。２）专门化机床：专门用于加工某一类或某几类零件的某一道（或几道）特定工序，工艺范围窄，如铲齿车床、丝杠铣床、丝杠车床、凸轮轴车床等均属于专门化机床。３）专用机床：一般用于加工某一零件的某一道特定工序，工艺范围最窄，适用于大批量生产，如加工机床主轴箱体孔的专用镗床，加工机床导轨的专用导轨磨床，汽车零件所用的各种钻、镗组合机床等均属于此类机床。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（２）按加工精度的不同划分按加工精度的不同可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床。（３）按自动化程度的不同划分按自动化程度的不同可分为手动、机动、半自动和全自动机床。自动机床具有完整的自动工作循环，包括自动装卸工件，能够连续地自动加工出工件。半自动机床也有完整的自动工作循环，但装卸工件还需人工完成，因此不能进行连续地加工。（４）按机床质量和尺寸划分按机床质量和尺寸可分为仪表机床、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以上）和超重型机床（质量在１００ｔ以上）。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（５）按机床主要工作部件的多少划分按机床主要工作部件的多少可分为单轴、多轴或单刀或多刀机床等。通常，机床根据加工性质进行分类，再根据其某些特点做进一步描述，如多刀半自动车床、多轴自动车床等。２．机床型号的编制方法机床的型号是机床产品的代号，用以表示机床的类型、通用性和结构性、主要技术参数等。我国现行的机床型号是按ＧＢ／Ｔ１５３７５—２００８《金属切削机床型号编制方法》进行编制的。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述此标准规定，机床的型号由汉语拼音字母和数字按一定规律组合而成，它适用于新设计的各类通用及专用金属切削机床、自动线，但不包括组合机床和特种加工机床。（１）通用机床的型号编制１）型号的表示方法。通用机床的型号由基本部分和辅助部分组成，中间用“／”隔开，其表示方法为：上一页下一页返回３.１金属切削机床概述２）机床的类别和分类代号。机床按其工作原理共分为１２类，用大写的汉语拼音字母表示。需要时，类以下还可以有若干分类，分类代号用阿拉伯数字表示并放在类代号之前，但第一分类不予表示。机床的类别和分类代号见表３.１。３）通用特性代号、结构特性代号。用大写的汉语拼音表示，放在类代号之后。①通用特性代号。通用特性代号有统一的固定含义，它在各类机床的型号中表示的意义相同。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述当某类型机床，除有普通型外，还有下列某种通用特性时，则在类代号之后加通用特性代号予以区分；如果某类型机床仅有某种通用性能，而无普通型的情况，则通用特性不予表示。机床的通用特性代号见表３.２。当在一个型号中需要同时使用２～３个通用特性代号时，一般按重要程度排列顺序。②结构特性代号。对主参数值相同而结构、性能不同的机床，在型号中加结构特性代号予以区分。根据各类机床的具体情况，对某些结构特性代号，可以赋予一定的含义。但结构特性代号与通用特性代号不同，它在型号中没有统一的含义，只在同类机床中起区分机床结构、性能的作用。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述当型号中有通用特性代号时，结构特性代号需排在通用特性代号之后。结构特性代号用汉语拼音字母（通用特性代号已用的字母和“Ｉ”“Ｏ”两个字母不能用）表示，当单个字母不够用时，可将两个字母组合使用。４）机床组、系的划分原则及其代号。①机床组、系的划分原则：将每类机床划分为１０个组，每个组划分为１０个系。在同一类机床中，主要布局或使用范围基本相同的机床，即为同一组。在同一组机床中，其主参数、主要结构及布局形式相同的机床，即为同一系。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述②机床的组、系代号：机床的组，用一位阿拉伯数字表示，位于类代号、通用特性代号和结构特性代号之后。机床的系，用一位阿拉伯数字表示，位于组代号之后。表３.３所示为通用机床类、组划分表。５）主参数代号和设计顺序号。主参数是机床最主要的一个技术参数，它直接反映机床的加工能力，并影响机床其他参数和基本结构的大小。对于通用机床和专门化机床，主参数通常用机床的最大加工尺寸（最大工件尺寸或最大加工面尺寸）或与此有关的机床部件尺寸来表示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述机床型号中主参数用折算值表示，位于系代号之后；当折算值大于１时，则取整数，前面不加“０”；当折算值小于１时，则取小数点后第一位数，并在前面加“０”。各类主要机床的主参数和折算系数见表３.４。６）通用机床的设计顺序号。某些通用机床，当无法用一个主参数表示时，则在型号中用设计顺序号表示。设计顺序号由１开始，当设计顺序号少于两位数时，则在设计顺序号前加“０”。７）主轴数和第二主参数的表示方法。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述①主轴数的表示方法：对于多轴车床、多轴钻床、排式钻床等机床，其主轴数以实际值列入型号，置于主参数之后，用“×”分开，读作“乘”。若为单轴则可省略，不予表示。②第二主参数的表示方法：为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围，有些机床还规定了第二主参数。第二主参数一般不予表示（多轴机床的主轴数除外），如有特殊情况需要在型号中表示，应按一定手续审批。在型号中的第二主参数也用折算值表示。８）机床的重大改进顺序号。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述当机床的结构、性能有更高的要求，并需按新产品进行重新设计、试制和鉴定时，才按改进的先后顺序选用Ａ、Ｂ、Ｃ等大写汉语拼音字母（字母“Ｉ”、“Ｏ”除外），加在型号基本部分的尾部，以区别原机床型号。凡属于局部的小改进，如增减某些附件、测量装置及改变装夹工件的方法等，对原机床结构、性能没有重大改变的，不属于重大改进，其型号不变。９）其他特性代号和企业代号及其表示方法。其他特性代号和企业代号是机床型号的辅助部分。其他特性代号主要用于反映各类机床的特性，其表示方法为：上一页下一页返回３.１金属切削机床概述①置于辅助部分之首；②可用汉语拼音字母表示。（２）专用机床的型号编制１）专用机床型号表示方法。专用机床的型号一般由设计单位代号和设计顺序号组成，其表示方法为２）设计单位代号。包括机床生产厂家和机床研究单位代号（位于型号之首），见《金属切削机床型号编制方法》（ＧＢ／Ｔ１５３７５—２００８）。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３）专用机床的设计顺序号。按该单位的设计顺序号（从“００１”起始）排列，位于设计单位代号之后，并用“—”隔开，读作“至”。（３）机床自动线的型号编制１）机床自动线代号及设计顺序号。由通用机床或专用机床组成的机床自动线，其代号为：“ＺＸ”读作“自线”，它位于设计单位代号之后，并用“—”分开，读作“至”。机床自动线设计顺序号的排列与专用机床的设计顺序号相同，位于机床自动线代号之后。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述２）机床自动线的型号表示方法。（４）新标准ＧＢ／Ｔ１５３７５—2008与ＪＢ１８３８—１９８５（此标准已作废）比较，两个标准基本相同，主要差异有：１）新标准取消了企业代号。２）新标准增加了具有两类特性机床的说明。３）新标准增加了联动轴数和复合机床的说明。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述４）车、钻、磨、齿轮加工、螺纹加工、铣、锯、其他类共８类机床的个别组所属的系作了增减或修改更名。３.１.２机床的基本组成机床的种类各式各样，功能和布局也各不相同，但通常由下列几个基本部分组成：１）动力与驱动装置：为机床提供动力和运动的驱动部分，如各种交流电动机、直流电动机、伺服电动机和液压传动系统的液压泵、液压马达等。２）传动装置：是实现各种运动的部分，包括主传动、进给传动及辅助运动的传动系统，如变速箱、进给箱等部件。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述常见的有齿轮传动、齿轮齿条传动、螺母丝杠传动、蜗轮蜗杆传动以及各种带传动。３）支承与工作部件：安装和支承机床其他固定及运动部件的部分，主要包括：①承受重力和切削力，维持机床正常工作的基础部件，如床身、底座、立柱等部件。②最终实现切削加工主运动和进给运动有关的执行部件，例如，主轴及主轴箱、工作台机器溜板或滑座、刀架机器溜板等安装工件或道具的部件。③与工件和道具安装及其调整有关的部件或装置，如自动上下料、自动换刀、砂轮修整器等装置。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述④与上述部件或装置有关的分度、转位、定位机构和操纵机构。４）控制系统。用于控制各工作部件正常运行的部分，主要是采用电气控制系统，有些机床局部采用液压或气动控制系统，数控机床则是采用数控系统。５）冷却润滑系统。用于对加工工件、刀具及机床的某些发热部位进行冷却，以及对机床的运动副进行润滑，以减少摩擦、磨损和发热的装置。６）其他装置。如排屑装置、自动测量装置等。３.１.３金属车削机床上一页下一页返回３.１金属切削机床概述１．卧式车床卧式车床的应用比较广泛，其中ＣＡ６１４０型普通卧式车床是比较典型的普通卧式车床，下面以它为例进行介绍。（１）ＣＡ６１４０型卧式车床的工艺范围ＣＡ６１４０型卧式车床主要用来加工轴类零件和直径不大的盘类零件。图３.１所示为ＣＡ６１４０型卧式车床所能完成的典型加工。（２）ＣＡ６１４０型卧式车床的组成和主要技术性能１）ＣＡ６１４０型卧式车床的组成。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述ＣＡ６１４０型卧式车床的主要组成包括主轴箱、进给箱、溜板箱、左床腿、右床腿、床身、尾座刀架和滑板以及动力装置，其外形如图３.２所示。①主轴箱。主轴箱１由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构等组成，其功能是支撑主轴部件并把动力经主轴箱内的变速机构传给主轴，使主轴带动工件按规定的转速旋转，以实现主运动，包括实现车床的启动、停止和换向等。②刀架与滑板。刀架用于装夹刀具。滑板俗称拖板，由上、中、下三层组成。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述床鞍（即下滑板或称大拖板）用于实现纵向进给运动；中滑板（即中拖板）用于车外圆（或孔）时控制吃刀深度及车端平面时实现横向进给运动；上滑板（即小拖板）用来纵向调节刀具位置和实现手动纵向进给运动，上滑板还可相对中滑板偏转一定角度，用于手动加工圆锥面。刀架与滑板可实现刀具做纵向、横向或斜向运动。③进给箱。进给箱１０内装有进给运动的传动及操纵装置，用以改变机动进给的进给量或被加工螺纹的导程。④溜板箱。溜板箱８安装在刀架部件底部，它可以通过光杠或丝杠接受从进给箱传来的运动，并将运动传给刀架部件，从而使刀架实现纵、横向进给或车螺纹运动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述⑤尾座。尾座３安装于床身尾座导轨上，可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖用来支撑较长或较重的工件，也可安装各种刀具，如钻头、铰刀等。⑥床身。床身４固定在左床腿９和右床腿５上，用以支撑其他部件，如主轴箱、进给箱、溜板箱、滑板和尾座等，并使它们保持准确的相对位置。２）ＣＡ６１４０型卧式车床的技术参数。床身上最大工件回转直径：４００ｍｍ刀架上最大工件回转直径：２１０ｍｍ最大棒杆直径：４７ｍｍ上一页下一页返回３.１金属切削机床概述最大工件长度：７５０ｍｍ、１０００ｍｍ、１５００ｍｍ、２０００ｍｍ最大加工长度：６５０ｍｍ、９００ｍｍ、１４００ｍｍ、１９００ｍｍ主轴转速范围：正转１０～１４００ｒ／ｍｉｎ，２４级反转４.５～１５８０ｒ／ｍｉｎ，１２级进给量范围：纵向０.０２８～６.３３０ｍｍ／ｒ，共６４级横向０.０１４～３.１６０ｍｍ／ｒ，共６４级上一页下一页返回３.１金属切削机床概述螺纹加工范围：米制螺纹Ｐ＝１～１９２ｍｍ，４４种英制螺纹ａ＝２～２４牙／ｉｎ①，２０种模数制螺纹ｍ＝０.２５～４８牙／ｉｎ，３９种径节制螺纹Ｄｐ＝１～９６牙／ｉｎ，３７种主电动机：７.５ｋＷ，１４５０ｒ／ｍｉｎ机床外形尺寸（长×宽×高）对于最大工件长度１５００ｍｍ的机床为：３１６８ｍｍ×１０００ｍｍ×１２６７ｍｍ（３）ＣＡ６１４０型卧式车床的传动系统ＣＡ６１４０型车床的传动系统如图３.３所示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述整个传动系统由主运动传动链、车螺纹传动链、纵向进给传动链、横向进给传动链及快速移动传动链组成。这里只介绍主运动传动链。主运动传动链的两端件是主电动机与主轴，它的功能是把动力源（电动机）的运动及动力传给主轴，并满足卧式车床主轴变速和换向的要求。１）两端件即电动机———主轴。２）计算位移。所谓计算位移，是指传动链首末件之间相对运动量的对应关系。ＣＡ６１４０型卧式车床的主运动传动链是一条外联系传动链，电动机与主轴各自转动时运动量的关系为各自的转速，即１４５０ｒ／ｍｉｎ（主电动机）———ｎｒ/ｍｉｎ（主轴）上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３）传动路线表达式。主运动由主电动机（７.５ｋＷ，１４５０ｒ／ｍｉｎ）经Ｖ带副ϕ１３０ｍｍ／ϕ２３０ｍｍ传入主轴箱的轴Ⅰ。在轴Ⅰ上安装有双向多片式摩擦离合器Ｍ１，以控制主轴的启动、停转及旋转方向。Ｍ１左边摩擦片接合时，主轴正转；Ｍ１右边摩擦片接合时，主轴反转；左、右都不接合时，主轴停止转动。当Ｍ１左边摩擦片接合时，轴Ⅰ的运动经齿轮副５１／４３或５６／３８传动轴Ⅱ，使轴Ⅱ获得两种转速。当Ｍ１右边摩擦片接合时，轴Ⅰ经ｚ５０，轴Ⅶ的空套齿轮ｚ３４带动轴Ⅱ上的ｚ３０，使轴Ⅱ转向与经Ｍ１左部接合传动时反向。当两边摩擦片都脱开时，则轴Ⅰ空转，此时主轴静止不动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述轴Ⅱ的运动通过轴Ⅱ－Ⅲ之间的三对齿轮（３９／４１、３０／５０、２２／５８）中的任一对传至轴Ⅲ。轴Ⅲ的运动可由两种传动路线传至主轴，当主轴轴Ⅵ的滑移齿轮ｚ５０处于左边位置时，轴Ⅲ的运动直接经齿轮副６３／５０传至主轴，使主轴得到高转速；当主轴轴Ⅵ的滑移齿轮ｚ５０右移，离合器Ｍ２接合时，轴Ⅲ的运动经轴Ⅲ－Ⅳ间及轴Ⅳ－Ⅴ间两组双联滑移齿轮变速装置传至主轴（轴Ⅵ），使主轴获得中、低转速。其传动路线表达式为：上一页下一页返回３.１金属切削机床概述４）主轴转速级数。由传动系统图和传动路线表达式可以看出，主轴正转时，适用于各滑动齿轮轴向位置的各种不同组合，主轴共可得２×３×（１＋２×２）＝３０级转速，但由于轴Ⅲ－Ⅴ间的四种传动比为：上一页下一页返回３.１金属切削机床概述５）运动平衡式。主运动的运动平衡式如下：主轴各级转速的数值，可根据主运动传动所经过的传动件的运动参数（如带轮直径、齿轮齿数等）列出运动平衡式来求出。２．立式车床立式车床适合用于加工直径大而长度短的重型盘类零件。立式车床结构布局上的主要特点是主轴垂直布置，并有一个直径很大的圆形工作台，其台面处于水平位置，供安装工件之用，因此，对于笨重工件的装夹和找正比较方便。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述由于工件及工作台的重量由床身和导轨或推力轴承承受，大大减轻了主轴及其轴承的载荷，因此较易保证加工精度。立式车床分为单柱立式和双柱立式两种。前者加工直径一般小于１６００ｍｍ，后者加工直径一般大于２０００ｍｍ。图３.４（ａ）所示为单柱立式车床，图３.４（ｂ）所示为双柱立式车床，它们与卧式车床的不同之处是主轴竖立，工件安装在由主轴带动旋转的工作台２上，横梁５上装有垂直刀架４，可做上下左右移动。３．转塔车床转塔车床除了有前刀架外，还有１个转塔刀架。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述转塔刀架有六个装刀位置，可以沿床身导轨做纵向进给，每一个刀位加工完毕后，转塔刀架快速返回，并转动６０°，更换到下一个刀位进行加工。转塔车床（如图３.５所示）有一个可旋转换位的六角刀架３，以替代卧式车床的尾座，在六角刀架上可同时安装钻头、铰刀、板牙等各种切削刀具，这些刀具通常是按工件的加工顺序安装的，因此，在一个零件的加工过程中，只要使六角刀架依次转位，便可迅速更换刀具。此外，六角刀架上的刀具与方刀架上的刀具可同时进行加工。４．专用车床上一页下一页返回３.１金属切削机床概述专用车床的种类繁多，包括螺纹车床、曲轴车床、凸轮车床和仿形车床等。５．自动车床自动机床是指那些在调整好后无须工人参与便能自动完成表面成形运动和辅助运动，并能自动地重复其工作循环的机床。若机床能自动完成预定的工作循环，但装卸工作仍由人工进行，这种机床称为半自动机床。相应的符合上述定义的车床就称为自动或半自动车床。机床实现自动化可以显著减少辅助时间，并为多刀多工位同时加工创造有利条件，因而可有效地提高劳动生产率，还可以大大地减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述自动车床种类繁多，按其自动化程度，可分为自动、半自动车床；按其主轴数目，可分为单轴、多轴车床；按其工艺特征，可分为纵切、横切车床等。下面以ＣＭ１１０７型精密单轴纵切自动车床为例进行介绍。图３.６所示为ＣＭ１１０７型单轴纵切自动车床的外形，它由底座１、床身２、天平刀架３、主轴箱４、送料装置５、上刀架６、钻铰附件７和分配轴８等部件组成。这种机床用于加工精度较高且必须一次加工成形的轴类零件，可以车削圆柱面、圆锥面、成形面、切槽、切断、钻孔和加工内外螺纹等。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述加工外圆柱面时，移动天平刀架３或上刀架６，使刀尖到达所需的半径位置后停止，然后由主轴箱４带着棒料做纵向进给。切端面、切槽或切断时，主轴箱和棒料不动，由刀架做径向进给。如果需要车削锥面或成形表面，应使刀架和主轴箱两者都做协调的移动。钻孔或加工内、外螺纹时，可使用钻铰附件７，它是一个可摆动的支架，支架上有３根刀具主轴及其传动机构。工作时，刀具主轴的轴线可摆动到与主轴轴线对准的位置。机床加工时在上一个工件被切断刀切断后，切断刀并不退离，而是留在原处作为下一个工件的挡料装置，用来控制加工工件的长度。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述车床采用了凸轮和挡块控制的自动控制系统，这种系统工作稳定可靠，但当加工工件改变时，要花费较多时间去设计和制造凸轮，而且停机调整的时间较长，因此，它只适用于大批量生产。３.１.４金属铣削机床铣床是利用铣刀在工件上加工各种表面的机床。铣床的工艺范围广泛，可以加工各种平面（水平面、垂直平面、斜面）、台阶、沟槽（直角沟槽、Ｖ形槽、燕尾槽、Ｔ形槽等）及各种特形面等。此外，利用分度装置还可加工需周向等分的花键、齿轮、螺旋槽等，在铣床上还可以进行钻孔、铰孔和铣孔等工作。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述铣削加工时，铣刀旋转做主运动，工件或铣刀的直线移动为进给运动。铣削加工的典型表面如图３.７所示。铣床的种类很多，有卧式或立式升降台铣床、龙门铣床、万能工具铣床、仿形铣床以及各种专门化铣床等，其中应用最普遍的为卧式或立式升降台铣床。１．升降台铣床（１）卧式升降台铣床Ｘ６２Ｗ型卧式万能铣床是目前应用最广泛的一种铣床，如图３.８所示。床身２安装在底座上，用来支撑和固定铣床的各个部分。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述在床身２内部装有主轴变速机构１及主轴部件３等。床身顶部的水平燕尾形导轨上装有横梁４，可沿水平方向调整其前后位置，横梁上装有刀杆支撑５，用于支撑刀杆的悬伸端，以提高刀杆的刚性。升降台９安装在床身前侧的垂直导轨上，可上下垂直移动。升降台内装有进给变速机构１０，用于工作台的进给运动和快速移动。在升降台的横向导轨上装有回转盘７，它可绕垂直轴在±４５°范围内调整一定角度。工作台６安装在回转盘７上的床鞍导轨内，可做纵向移动。横滑板８可带动工作台沿升降台横向导轨做横向移动。这样固定在工作台上的工件，可以在三个方向实现任一方向的调整或进给运动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（２）立式升降台铣床这类铣床与卧式升降台铣床的主要区别在于它的主轴是垂直安置的，可用各种面铣刀或立铣刀加工平面、斜面、沟槽、台阶、齿轮、凸轮以及封闭轮表面等。图３.９所示为立式升降台铣床的外形图，其工作台３、床鞍４及升降台５与卧式升降台铣床相同。立铣头１可根据加工要求在垂直平面内调整角度，主轴２可沿轴线方向进行调整。（３）万能升降台铣床Ｘ６１３２型卧式万能升降台铣床简称卧铣，是一种主轴水平布置的升降台铣床，其外形如图３.１０所示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述机床工作时，主轴５通过刀杆带动铣刀做旋转主运动。工件安装在工作台６上，随工作台分别做纵向、横向（主轴轴向）和垂直三个方向的进给运动或快速移动。升降台８的水平导轨上装有床鞍７，可沿主轴轴线方向做横向移动。床鞍７上装有回转盘９，回转盘上面的燕尾形导轨上安装有工作台６，因此，工作台除了可沿导轨做垂直于主轴轴线方向的纵向移动外，还可通过回转盘，绕垂直轴线在±４５°范围内调整角度，从而加工斜槽、螺旋槽等。２．龙门铣床龙门铣床的外形如图３.１１所示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述机床主体结构为龙门式框架，横梁５可以在立柱４上升降，以适应加工不同高度的工件。横梁上装有两个铣削主轴箱（即立铣头３和６）和两个立柱。工作台上分别装有两个卧铣头２和８，每个铣头是一个独立的运动部件，内装主运动变速机构、主轴及操纵机构。工件装在工作台９上，工作台可在床身上做水平的纵向运动，立铣头可在横梁上做水平的横向运动，卧铣头可在立柱上升降，这些运动可以是进给运动，也可以是调整铣头与工件间相对位置的快速调位运动，而主运动是铣刀的旋转运动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述龙门铣床刚度高，主要用来加工大型工件上的平面和沟槽，可多刀同时加工多个表面或多个工件，生产率较高，是一种大型高效通用铣床，适用于大批量生产。３．工具铣床工具铣床除了能完成卧式铣床和立式铣床的加工外，常配备有回转工作台、可倾斜工作台、平口钳、分度头、立铣头和插削头等多种附件，因而扩大了机床的万能性，能完成镗、铣、钻、插等切削加工，适用于工具、机修车间用来加工各种刀具、夹具、冲模、压模等中、小型模具及其他复杂零件。３.１.５金属钻削机床上一页下一页返回３.１金属切削机床概述钻床是孔加工机床，主要用来加工外形复杂、没有对称回转轴线的工件上的孔。钻床加工时，工件不动，刀具做旋转主运动，同时沿轴向移动，做进给运动。钻床所能完成的工作有钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、锪端面等。钻床按结构型式可分为立式钻床、台式钻床、摇臂钻床等。钻孔是孔的粗加工方法，也是在实心材料上进行孔加工的唯一切削加工方法。钻孔一般可在钻床、车床、镗床和铣床上进行。钻孔可达ＩＴ１０～ＩＴ１３级精度，表面粗糙度可达Ｒａ５.０～６.３μｍ。钻孔之所以是粗加工方法，主要是由于钻孔有以下几方面的质量问题：上一页下一页返回３.１金属切削机床概述１）孔轴心线偏移；２）孔轴心线歪曲；３）孔径扩大；４）表面粗糙度值高或呈多角形。造成上述问题的原因固然和机床精度、钻削方式、切削用量等因素有关，但主要还是由麻花钻头本身的缺点决定的。麻花钻头存在的主要问题有：１）麻花钻头刚度较低，切削受力后很容易变形；２）在切削过程中，定心作用差；３）钻头与工件摩擦较严重，易引起发热和磨损；上一页下一页返回３.１金属切削机床概述４）不利于排屑，冷却不充分。（１）立式钻床在立式钻床上可进行如图３.１２所示的加工工作。加工时，工件固定不动，刀具旋转实现主运动，同时沿轴向移动做进给运动。加工前须调整工件的位置，使被加工孔中心线对准刀具的旋转中心线。立式钻床如图３.１３所示。加工时，工件直接或通过夹具安装在工作台４上。主轴３的旋转运动是由电动机经变速箱１传动的。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述在加工过程中，主轴既做旋转运动，又做轴向进给运动，由进给箱传来的运动通过小齿轮和主轴套筒上的齿条，使主轴随着轴套筒做直线进给运动。进给箱和工作台可沿立柱上的导轨调整其上下位置，以适应加工不同高度的工件。在立式钻床上，加工完一个孔后再钻另一个孔时，需要移动工件，使刀具与另一个孔对准。这种方式对于大而重的工件来说操作很不方便。因此，立式钻床仅适用于加工中、小型工件。此外，立式钻床的自动化程度往往不高，所以在大批量生产中通常被组合钻床所代替。（２）摇臂钻床上一页下一页返回３.１金属切削机床概述一些大而重的工件在立式钻床上加工很不方便，这种情况就需要工件固定不动，只移动主轴，使主轴中心对准被加工孔的中心，因此就产生了摇臂钻床，如图３.１４所示。摇臂钻床的主轴箱５可沿摇臂４的导轨横向调整位置，摇臂４可沿外立柱３的圆柱面上下调整位置，此外，摇臂４及外立柱又可绕内立柱２转动至不同的位置。由于摇臂结构的上述特点，可以很方便地调整主轴６的位置，且工作时工件不动。为了使主轴在加工时保持准确的位置，摇臂钻床上具有立柱、摇臂及主轴箱的夹紧机构，当主轴的位置调整妥当后，就可快速地将它们夹紧。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述由于摇臂钻床在加工时需经常改变切削用量，因此，摇臂钻床通常具有操作方便且节省时间的操纵机构，可快速地改变主轴转速和进给量。摇臂钻床广泛应用于单件和中、小批量的生产中，用来加工大、中型零件。３.１.６金属磨削机床磨床用于磨削各种表面，如内外圆柱面和圆锥面、平面、螺旋面、齿轮的轮齿表面以及各种成形面等，还可以刃磨刀具，应用范围非常广泛。磨床通常以磨具（砂轮、砂带、石油或研磨料等）旋转为主运动，以工件的旋转与移动或磨具的移动为进给运动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述磨床的种类很多，其主要类型有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和各种专门化磨床，如曲轴磨床、凸轮轴磨床、花键轴磨床、齿轮磨床、螺纹磨床等。１．外圆磨床外圆磨床主要用于磨削内、外圆柱和圆锥表面，也能磨削阶梯轴的轴肩和端面，可获得ＩＴ６～ＩＴ７级精度、表面粗糙度Ｒａ值为０.０８～１.２５μｍ。外圆磨床主要有万能外圆磨床、普通外圆磨床、无心外圆磨床、宽砂轮外圆磨床和端面外圆磨床等，其主要参数是最大磨削直径。（１）万能外圆磨床上一页下一页返回３.１金属切削机床概述万能外圆磨床是应用最为普遍的一种外圆磨床，其工艺范围较宽，除了能磨削外圆柱面和圆锥面外，还可磨削内孔和台阶面等。图３.１５所示为Ｍ１４３２Ａ型万能外圆磨床的外形，它由６个主要部件组成。床身１是磨床的基础支撑件，在它的上面装有砂轮架、工作台、头架、尾座及横向滑鞍等部件，使它们在工作时保持准确的相对位置，床身内部用作液压油的油池。头架２用于安装及夹持工件，并带动工件旋转；在水平面内可逆时针方向转９０°。工作台３由上下两层组成。上工作台可绕下工作台在水平面内回转一个角度（±１０°），用以磨削锥度不大的长圆锥面。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述上工作台的上面装有头架和尾座，它们随着工作台一起，沿床身导轨做纵向往复运动。内圆磨具４用于支承磨内孔的砂轮主轴。内圆磨具主轴由单独的电动机驱动。砂轮架５用于支承并传动高速旋转的砂轮主轴。砂轮架装在滑鞍上，当需磨削短圆锥面时，砂轮架可以在水平面内调整至一定角度（±３０°）。尾座６和头架的前顶尖一起支撑工件。Ｍ１４３２Ａ型机床属于普通精度级万能外圆磨床，主要用于磨削ＩＴ６～ＩＴ７级精度的圆柱形或圆锥形的外圆和内孔，表面粗糙度Ｒａ值为０.０８～１.２５μｍ。这种机床的通用性较好，但生产率较低，适用于单件和小批生产车间、工具车间和机修车间。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（２）普通外圆磨床普通外圆磨床的结构与万能外圆磨床的结构基本相同，其主要区别如下：１）头架和砂轮架不能绕轴心在水平面内调整角度位置；２）头架主轴直接固定在箱体上不能转动，工件只能用顶尖支撑进行磨削；３）不配备内圆磨具。２．其他类型磨床（１）平面磨床上一页下一页返回３.１金属切削机床概述平面磨床主要用于磨削各种平面，其磨削方法如图３.１６所示。根据砂轮的工作面不同，平面磨床可以分为用砂轮周边（即圆周）进行磨削和用砂轮端面进行磨削两类。用砂轮周边磨削的平面磨床，砂轮主轴为水平布置（卧式）；而用砂轮端面磨削的平面磨床，砂轮主轴为竖直布置。根据工作台的形状不同，平面磨床又分为矩形工作台和圆形工作台两类。按上述方法分类，常把普通平面磨床分为四类：１）卧轴矩台式平面磨床（如图３.１６（ａ）所示）；２）卧轴圆台式平面磨床（如图３.１６（ｂ）所示）；３）立轴矩台式平面磨床（如图３.１６（ｃ）所示）；上一页下一页返回３.１金属切削机床概述４）立轴圆台式平面磨床（如图３.１６（ｄ）所示）。端面磨削的砂轮一般比较大，磨削面积较大，能同时磨出工件的全宽，所以生产率较高。但是端面磨削时，由于砂轮和工件表面的接触面积大，发热量大，因而冷却和排屑条件差，所以加工精度较低且表面粗糙度值较大。采用周边磨削时，由于砂轮和工件接触面积小，发热量少，冷却和排屑条件较好，可获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值。圆台式平面磨床由于采用端面磨削，且为连续磨削，没有工作台的换向时间损失，故生产率较高。但是圆台式只适用于磨削小零件和大直径的环形零件端面，不能磨削长零件。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述而矩台式平面磨床可方便地磨削各种零件，工艺范围较宽。卧轴矩台平面磨床除了用砂轮的周边磨削水平面外，还可用砂轮端面磨削沟槽、台阶等。目前我国生产的卧轴矩台平面磨床能达到的加工质量为：普通精度级：试件精磨后，加工面对基准面的平行度为０.０１５ｍｍ／１０００ｍｍ，表面粗糙度Ｒａ为０.３２～０.６３μｍ；高精度级：试件精磨后，加工面对基准面的平行度为０.００５ｍｍ／１０００ｍｍ，表面粗糙度Ｒａ为０.０１～０.０４μｍ。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（２）无心外圆磨床无心磨床通常指无心外圆磨床，无心外圆磨削是外圆磨削的一种特殊形式。磨削时，工件不用顶尖来定心和支撑，而是直接将工件放在砂轮与导轮之间并用托板进行定位再进行磨削，如图３.１７（ａ）所示。１）工作原理。从图３.１７（ａ）中可以看出，砂轮和导轮的旋转方向相同，磨削砂轮的圆周速度很大，通过切向磨削力带动工件旋转，但导轮是用摩擦系数较大的树脂或橡胶作黏结剂制成的刚玉砂轮；它依靠摩擦力限制工件旋转，使工件的圆周线速度基本上等于导轮的线速度，从而在磨削轮和工件间形成很大的速度差，产生磨削作用。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述改变导轮的转速，从而调节工件的圆周进给速度。为了提高工件圆度，工件的中心必须高于磨削轮和导轮的中心连线，如图３.１７（ａ）所示，但高出的距离不能太大，否则导轮对工件的向上垂直分力有可能引起工件跳动，影响加工表面的质量。一般ｈ＝（０.１５～０.２５）ｄ，ｄ为工件直径。这样便能使工件在假想的Ｖ形槽中转动，工件和导轮、工件与磨削砂轮间的接触点不可能对称，于是工件上的某些凸起表面（即棱圆部分）在多次转动中能逐渐磨圆。２）磨削方式。无心外圆磨床有两种磨削方式，即贯穿磨削法和切入磨削法。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述贯穿磨削时，将工件从机床前面放到托板上，推入磨削区域后，工件旋转，同时又轴向向前移动，从机床另一端出去，磨削完毕。而另一个工件可相继进入磨削区，这样就可以一件接一件地连续加工。工件的轴向进给是由于导轮的中心线在竖直平面内向前倾斜α角所引起的，如图３.１７（ｃ）所示。为了保证导轮与工件间的接触线成直线形状，需将导轮的形状修正成回转双曲面形。切入磨削时，先将工件放在托板和导轮之间，然后使磨削砂轮横向切入进给，来磨削工件表面。这时导轮的轴心线仅倾斜很少的角度，对工件有微小的轴向推力，使它靠住挡块（如图３.１７（ｂ）所示），从而得到可靠的轴向定位。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３）特点与应用。在无心磨床上加工工件时，工件无须打中心孔，且装夹工件省时省力，可连续磨削，所以生产效率较高。由于工件定位基准是被磨削的外圆表面，而不是中心孔，所以就消除了工件中心孔误差、外圆磨床工作台运动方向与前后顶尖连线的不平行以及顶尖的径向跳动等几项误差的影响。所以磨削出来的工件尺寸精度和几何精度均比较高，表面粗糙度也比较好。如果配备适当的自动装卸料机构，则易于实现自动化生产。无心磨床在成批、大量生产中应用较普遍，并且随着无心磨床结构的进一步改进，以及加工精度和自动化程度的逐步提高，其应用范围有日益扩大的趋势。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述但是，由于无心磨床调整费时，所以加工批量较小时，不宜采用。不宜采用无心磨床加工的工件是表面周向不连续（例如有长键槽）或与其他表面的同轴度要求较高的轴类零件。（３）内圆磨床内圆磨床主要用于磨削各种圆柱孔（包括通孔、盲孔、阶梯孔和断续表面的孔等）和圆锥孔。内圆磨床的主要类型有普通内圆磨床、无心内圆磨床、行星式内圆磨床和坐标磨床等。１）普通内圆磨床。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述普通内圆磨床是生产中应用最广泛的一种内圆磨床，其磨削方法如图３.１８所示。磨削时，根据工件形状和尺寸的不同，可采用纵磨法或切入法磨削内孔，如图３.１８（ｂ）所示。某些普通内圆磨床上装备有专门的端磨装置，采用这种端磨装置，可在工件一次装夹中完成内孔和端面的磨削，如图３.１８（ｃ）和图３.１８（ｄ）所示。这样既容易保证孔和端面的垂直度，又可提高生产效率。２）无心内圆磨床。无心内圆磨床的工作原理如图３.１９所示。这种磨床主要适用于大批量生产中，加工那些外圆表面已经精加工且又不宜用卡盘装夹的薄壁状工件以及内、外圆同轴度要求较高的工件，如轴承环之类的零件。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３）行星式内圆磨床。行星式内圆磨床的工作原理如图３.２０所示。磨削时，工件固定不转，砂轮除了绕自身轴线高速旋转实现主运动ｎｔ外，同时还要绕被磨削孔的轴线以缓慢的速度做公转，实现圆周进给运动（ｎｗ），此外，砂轮还做周期性的横向进给运动（ｆｒ）及纵向进给运动（ｆａ）（纵向进给也可由工件的移动来实现）。３.１.７金属刨削机床刨削运动是由刀具或工件做往复直线运动，由工件和刀具做垂直于主运动的间歇进给运动，如图３.２１所示。由于刨削速度不可能太高，故而生产率较低。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述刨削比铣削平稳，其加工精度一般可达ＩＴ７～ＩＴ８，表面粗糙度Ｒａ为１.６～６.３μｍ；精刨平面度可达０.０２／１０００，表面粗糙度Ｒａ为０.４～０.８μｍ。刨床有很多种，如牛头刨床、龙门刨床和单臂刨床等。单臂刨床具有单立柱和悬臂，工作台沿床身导轨做纵向往复运动，多用于加工宽度较大而又不需要在整个宽度上加工的工件。１．牛头刨床如图３.２２所示，滑枕３可沿床身４的导轨做往复运动，刀架２随滑枕做往复运动，可手动垂直进给，并可绕水平轴摆动调整刀位。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述横梁可沿床身４的竖直导轨上下移动。滑枕行程调节柄６可调节往复运动的行程。工作台１沿横梁８的导轨横向进给，并随横梁８升降。变速手柄５可改变主运动速度。在牛头刨上不仅可以加工平面，还可以加工各种斜面和沟槽，如图３.２３所示。２．龙门刨床图３.２４所示为龙门刨床。在龙门刨床上，工件一般用螺栓压板直接安装在工作台上或用专用夹具安装，刀具安装在横梁上的垂直刀架或工作台两侧的侧刀架上。工作台带动工件的往复直线运动为主切削运动，刀具沿垂直于主运动方向的间歇运动为进给运动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述各刀架也可以绕水平轴线旋转一定的角度，同样可以加工平面、斜面及沟槽。３.１.８镗床镗床类机床的主要工作是用镗刀进行镗孔，此外，还可进行一定的铣平面、车凸缘、车螺纹等工作。镗床按其结构形式可分为卧式镗床、立式镗床、落地镗床、金刚镗床和坐标镗床等类型。镗床加工时，刀具做旋转主体运动，进给运动则根据机床的不同类型和所加工工序的不同，由刀具或工件来实现。镗床的主参数根据机床类型不同，用最大镗孔直径、镗轴直径或工作台宽度来表示。镗削加工的主要工艺特点如下：上一页下一页返回３.１金属切削机床概述１）可加工孔的范围广，对于大尺寸的孔和孔内环槽，镗削加工几乎是唯一的加工方法；２）所加工的孔在尺寸、形状和位置精度上均较高。其尺寸精度可达ＩＴ５～ＩＴ６级，粗糙度Ｒａ可达０.８～３.２μｍ，特别适宜完成孔距精度要求较高的孔系加工；３）镗孔精度主要决定于机床主轴回转精度和刀具的调整精度。镗孔能修整前道工序所造成的孔的轴线偏斜和不直的情况；４）与扩孔、铰孔相比，加工经济性好，但操作水平要求较高，生产率较低；５）刀具的准备较简单，费用较低。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述１．卧式镗床在一些箱体零件（如机床主轴箱和变速箱等）中，需要加工多个不同尺寸的孔，通常这些孔的尺寸较大、精度要求较高，特别是孔的轴心线之间的同轴度、垂直度、平行度及孔间距精度等方面有严格的要求。此外，这些孔的中心线往往与箱体的基准面平行。这种零件在一般立式钻床或摇臂钻床上加工，必须应用一定的工艺装备，否则加工起来就比较困难。这时，可根据工件的精度要求，在选定的镗床上加工，其中卧式镗床用得较多。在卧式镗床上可以进行孔加工、车端面、车凸缘的外圆、车螺纹和铣平面等加工工作，如图３.２５所示，这种机床工作的万能性较大，所以习惯上又称为万能镗床。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述装在镗轴上的镗刀还可随镗轴做轴向运动，以实现轴向进给或调整刀具的轴向位置。卧式镗床（如图３.２６所示）由床身８、主轴箱１、前立柱２、带后支承９、后立柱１０、下滑座７、上滑座６和工件台５等部件组成。加工时，刀具装在主轴箱１的镗轴３或平旋盘４上，由主轴箱１可获得各种转速和进给量。主轴箱１可沿前立柱２的导轨上下移动。工件安装在工作台５上，可与工作台一起随下滑座７或上滑座６做纵向或横向移动。此外，工作台５还可绕上滑座的圆导轨在水平平面内调整至一定的角度位置，以便加工互相成一定角度的孔或平面。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述当镗轴及刀杆伸出较长时，可用带后支承９来支承它的左端，以增加镗轴和刀杆的刚度。当刀具装在平旋盘４的径向刀架上时，径向刀架可带着刀具做径向进给，以车削端面。２．落地镗床在重型机械制造厂中，某些工件笨重而庞大，加工时移动很困难，这时就希望工件在加工过程中固定不动，运动由机床部件来实现。因为机床部件的重量比工件轻，由较轻的部分来实现运动，往往可使机床结构更简单。因此，在卧式镗床的基础上，又产生了落地镗床。落地镗床如图３.２７所示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述落地镗床没有工作台，工件直接固定在地面的平板上。镗轴３的位置，是由立柱１沿床身５的导轨做横向移动及主轴箱２沿立柱导轨做上下方向移动来进行调整的。落地镗床比卧式镗床大，它的镗轴直径往往在１２５ｍｍ以上。落地镗床是用于加工大型零件的重型机床，因此它具有下列特点：１）万能性大。２）集中操纵。３）能提高移动部件的灵敏度。４）操作方便。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３.１.９数控机床数字控制机床（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ）简称数控机床，它是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。１．数控机床的工作原理上一页下一页返回３.１金属切削机床概述数控机床加工工件时，应预先将加工过程中所需要的全部信息利用数字或代码化的数字量表示出来，编制出控制程序作为数控机床的工作指令，输入专用的或通用的数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停，进给运动的方向、速度和位移量，以及其他加工刀具的选择交换、工件的夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合技术要求的零件。２．数控机床的概念及组成数控技术是２０世纪中期发展起来的机床控制技术。数字控制（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ，ＮＣ）是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述数控机床（ＮＣＭａｃｈｉｎｅ）就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。国家信息处理联盟（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｅｄｅｒａｔｉｏｎｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＩＦＩＰ）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述数控机床的种类很多，但任何一种数控机床都是由控制介质、数控系统、伺服系统、辅助控制系统和机床本体等若干基本部分组成，如图３.２８所示。（１）控制介质数控系统工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。因此，控制介质就是将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘和ＵＳＢ接口介质等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器和ＵＳＢ接口等。除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接输入程序和数据。另外，随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展，有些数控设备利用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信（如局域网），将程序和数据直接传送给数控装置。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（２）数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件。数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置四部分组成，如图３.２９所示。输入装置接受由穿孔带、阅读机输出的代码，经识别与译码之后分别输入到各个相应的寄存器，这些指令与数据将作为控制和运算的原始数据。控制器接受输入装置的指令，根据指令控制运算器与输入装置，以实现对机床的各种操作（如控制工作台沿某一坐标轴的运动、主轴变速和冷却液的开关等）以及控制整机的工作循环（如控制阅读机的启动或停止、控制运算器的运算和控制输出信号等）。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述运算器接受控制器的指令，将输入装置送来的数据进行某种运算，并不断向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。对于加工复杂零件的轮廓控制系统，运算器的重要功能是进行插补运算。所谓插补运算就是将每个程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据送入运算器，经过运算之后在起点和终点之间进行“数据密化”，并按控制器的指令向输出装置送出计算结果。输出装置根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率放大，驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。目前，厂家均采用微型计算机作为数控装置。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述微型计算机的中央处理单元（ＣＰＵ）又称微处理器，是一种大规模集成电路。它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路采用大规模集成电路，即所谓的Ｉ／Ｏ接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。存储器可分为只读存储器（ＲＯＭ）和随机存取存储器（ＲＡＭ）两种类型，前者用于存放系统的控制程序，后者存放系统运行时的工作参数或用户的零件加工程序。微型计算机数控装置的工作原理与上述硬件数控装置的工作原理相同，只是前者采用通用的硬件，不同的功能通过改变软件来实现，因此更为灵活与经济。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（３）伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床本体的移动部件运动或执行部分动作，以加工出符合要求的工件。指令信息是脉冲信息的体现，每个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫作脉冲当量。机械加工中，一般常用的脉冲当量为０.０１ｍｍ/脉冲、０.００５ｍｍ／脉冲及０.００１ｍｍ／脉冲,目前所使用的数控系统脉冲当量一般为０.００１ｍｍ／脉冲。伺服系统是数控机床的关键部件，它的好坏直接影响着数控加工的速度、位置、精度等。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述伺服机构中常用的驱动装置，随数控系统的不同而不同。开环系统的伺服机构常用步进式电动机和电液脉冲马达等；闭环系统的伺服机构常用宽调速直流电动机和电液伺服驱动装置等。（４）辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。它接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成各种规定的动作。此外，有些开关信号经过辅助控制系统传输给数控装置进行处理。（５）机床本体上一页下一页返回３.１金属切削机床概述机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各种运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。它是完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上改进而成的。其具有以下几方面的特点：１）数控机床采用了高性能的主轴与伺服传动系统、机械传动装置。２）数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度和耐磨性。３）更多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨。３．数控机床的种类与应用上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（１）按机床运动轨迹进行分类按机床运动轨迹不同，数控机床可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。１）点位控制数控机床。点位控制（ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌ）又称为点到点控制（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔＣｏｎｔｒｏｌ）。刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置，就称为点位控制。点位控制机床的特点是只控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们运动过程中的轨迹没有严格要求，在移动和定位过程中不进行任何加工。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述因此，为了尽可能地减少移动部件的运动时间和定位时间，两相关点之间的移动先以快速移动到接近新点位的位置，然后进行连续降速或分级降速，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。点位控制加工示意图如图３.３０所示。这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。２）直线控制数控机床。直线控制（ＳｔｒａｉｇｈｔＣｕｔＣｏｎｔｒｏｌ）又称平行切削控制（ＰａｒａｌｌｅｔＣｕｔＣｏｎｔｒｏｌ）。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述这类控制除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也有控制，因为这一类机床在两点之间移动时要进行切削加工。直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要控制两相关点的准确位置（距离），还要控制两相关点之间移动的速度和轨迹，其轨迹一般由与各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于当机床的移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多。直线控制加工示意图如图３.３１所示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述这类机床主要包括数控坐标车床、数控磨床和数控镗铣床等，其相应的数控装置称为直线控制数控装置。３）轮廓控制数控机床。轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。轮廓控制数控机床的特点是能同时控制两个以上的轴联动，具有插补功能。它不仅要控制加工过程中的每一点的位置和刀具移动速度，还要加工出任意形状的曲线或曲面。轮廓控制加工示意图如图３.３２所示。属于轮廓控制机床的有数控坐标车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓控制装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能也齐全得多。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（２）按伺服系统类型进行分类按伺服系统类型不同，数控机床可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。１）开环控制数控机床。开环控制（ＯｐｅｎＬｏｏｐＣｏｎｔｒｏｌ）数控机床通常不带位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。数控装置每发出一个进给脉冲后，脉冲便经过放大，并驱动步进电动机转动一个固定角度，再通过机械传动驱动工作台运动，开环伺服系统如图３.３３所示。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述这种系统没有被控对象的反馈值，系统的精度完全取决于步进电动机的步距精度和机械传动的精度，其控制线路简单，调节方便，精度较低（一般可达±０.０２ｍｍ），通常应用于小型或经济型数控机床。２）闭环控制数控机床。闭环控制（ＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＣｏｎｔｒｏｌ）数控机床通常带位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较后，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零。这类机床一般采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述位置检测元件常包含直线光栅、磁栅、同步感应器等。闭环伺服系统如图３.３４所示。由闭环伺服系统的工作原理可以看出，系统精度主要取决于位置检测装置的精度，从理论上来讲，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种系统可以得到很高的加工精度。闭环伺服系统的设计和调整都有很大的难度，直线位移检测元件的价格也比较昂贵，主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。３）半闭环控制数控机床。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述半闭环控制（Ｓｅｍｉ－ＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＣｏｎｔｒｏｌ）数控机床通常将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服系统的转角，并将此信号反馈给数控装置进行指令比较，用差值控制伺服电动机。半闭环伺服系统如图３.３５所示。由于半闭环伺服系统的反馈信号取自电动机轴的回转，因此系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度、间歇等非线性因素对系统稳定性没有影响且调试方便。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述同样，机床的定位精度主要取决于机械传动装置的精度，但是现在的数控装置均有螺距误差补偿和间歇补偿功能，因此，不需要将传动装置各种零件的精度提得很高，而是通过补偿就能将精度提高到绝大多数用户都能接受的程度。再加上直线位移检测装置比角位移检测装置昂贵得多，因此，除了对定位精度要求特别高或行程特别长，不能采用滚珠丝杠的大型机床外，绝大多数数控机床均采用半闭环伺服系统。（３）按工艺用途进行分类按工艺用途不同，数控机床可分为金属切削类数控机床、金属成形类数控机床、数控特种加工机床和其他类型的数控机床。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述１）金属切削类数控机床。金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。切削类机床发展最早，目前种类繁多，功能差异也较大，其中的加工中心能实现自动换刀，这类机床都有一个刀库，可容纳１０～１００把刀具。其特点是工件一次装夹可完成多道工序。为了进一步提高生产效率，有的加工中心使用双工作台，一面加工，一面装卸，工作台可以自动交换。２）金属成形类数控机床。金属成形类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展迅速。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３）数控特种加工机床。数控特种加工机床有线切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光机切割机床等。４）其他类型的数控机床。其他类型的数控机床包括数控三坐标测量机床等。（４）按数控系统功能水平进行分类按数控系统的主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平不同，数控机床可分为低、中、高３个档次。国内据此将数控机床分为全功能数控机床、普及型数控机床和经济型数控机床三种。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述这些分类方法划分的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同，划分标准大体依据以下几个方面。１）控制系统ＣＰＵ的档次。２）分辨率和进给速度。分辨率为位移检测装置所能检测到的最小位移单位，分辨率越小，则检测精度越高。它取决于检测装置的类型和制造精度。一般认为，分辨率为１０μｍ，进给速度为８～１０ｍ／ｍｉｎ属于低档数控机床；分辨率为１μｍ，进给速度为１０～２０ｍ／ｍｉｎ属于中档数控机床；分辨率为０.１μｍ，进给速度为１５～２０ｍ／ｍｉｎ属于高档数控机床。通常分辨率应比机床所要求的加工精度高一个数量级。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述３）伺服系统类型。一般采用开环、步进电动机进给系统的属于低档数控机床；中、高档数控机床则采用半闭环或闭环的直流伺服或交流伺服系统。４）坐标联动轴数。５）通信功能。６）显示功能。低档数控系统一般只有简单的数码管显示或单色ＣＲＴ字符显示功能；中档数控系统则有较齐全的ＣＲＴ显示，不仅有字符，而且有二维图形、人机对话、状态和自诊断等功能；高档数控系统还可以有三维图形显示、图形编辑等功能。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述（５）按所用数控装置的构成方式进行分类按所用数控装置的构成方式不同，数控系统可分为硬线数控系统和软线数控系统。１）硬线数控系统。硬线数控系统使用硬线数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。改变或增减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路。因此，该系统的通用性和灵活性差、制造周期长、成本高。２０世纪７０年代初期以前的数控机床基本均属于这种类型。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述２）软线数控系统。软线数控系统也称计算机数控系统，它使用软线数控装置。这种数控装置的硬件电路由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能几乎全部由系统软件来实现，所以不同功能的数控机床其系统软件也就不同，而修改或增减系统功能时，也不需要改动硬件电路，只需要改变系统软件。因此，该系统具有较高的灵活性，同时由于硬件电路基本是通用的，这就有利于大量生产、提高质量和可靠性、缩短制造周期和降低成本。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述２０世纪７０年代中期以后，随着微电子技术的发展和微型计算机的出现，以及集成电路的集成度不断提高，计算机数控系统才得到不断发展和提高。目前，几乎所有的数控机床都采用软线数控系统。４．数控机床的特点（１）数控机床的性能特点数控机床与普通机床相比，在性能上大致有以下几个特点：１）具有较强的适应性和通用性。２）能获得更高的加工精度和稳定的加工质量。３）具有较高的生产效率，能获得良好的经济效益。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述４）能实现复杂的运动。５）能改善劳动条件，提高劳动生产率。６）便于实现现代化的生产管理。（２）数控机床的使用特点１）数控机床对操作维修人员的要求。数控机床采用计算机控制，驱动系统具有较高的技术复杂性，机械部分的精度要求也比较高。因此，要求数控机床的操作、维修及管理人员有较高的文化水平和综合技术素质。正确的维护和有效的维修也是使用数控机床的一个重要问题。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述数控机床的维修人员应有较高的理论知识和维修技术，要了解数控机床的机械结构，懂得数控机床的电气原理及电子电路，还应有比较宽泛的机、电、气、液专业知识，这样才能综合分析、判断故障的根源，正确地进行维修，保证数控机床的良好运行。因此，数控机床维修人员和操作人员一样，必须进行专门的培训。２）数控机床对夹具和刀具的要求。数控机床对夹具的要求比较简单，单件生产时一般采用通用夹具；而批量生产时，为了节省加工工时，应使用专用夹具。数控机床的夹具应定位准确、可靠，可自动夹紧或松开工件。夹具还应具有良好的排屑、冷却性能。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述由于数控机床的加工过程是自动进行的，因此，要求刀具切削性能稳定可靠、卷屑和断屑可靠、具有高的精度，能精确而迅速地调整，能快速或自动更换，应能实现“三化”；同时为了方便刀具的存储、安装和自动换刀，应具有一套刀具柄部标准系统。数控机床的刀具应该具有以下特点：①具有较高的精度、耐用度，几何尺寸稳定、变化小；②刀具能实现机外预调和快速换刀，加工高精度孔时要经过试切削来确定其尺寸；③刀具的柄部应满足柄部标准的规定；④很好地控制切屑的折断和排出；上一页下一页返回３.１金属切削机床概述⑤具有很好的导热性能。在数控加工中，产品质量和劳动生产率在相当大的程度上受到刀具的制约。３.１.１０组合机床组合机床是以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的高效自动化专用机床，它既有一般专用机床结构简单、生产效率高、易保证精度的特点，又能适应工件的变化，易于重新调整和重新组合。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍甚至几十倍。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具做进给运动，也可实现某些回转体类零件（如飞轮、汽车后桥半轴等）的外圆和端面加工。图３.３６所示为一立卧复合式三面钻孔组合机床。上一页下一页返回３.１金属切削机床概述组合