第二节机械制造装备

第二节机械制造装备机械制造系统包含有大量的硬件组成，从普通的机床到先进的加工中心，从简单的锤子到复杂的刀具、夹具等各种制造装备，即制造设备与制造工艺装备。它们是构成制造系统的基本要素，也是制造系统中的主要硬件。生产中亦常将由制造设备、制造工艺装备及加工工件构成的加工环境称为机械制造工艺系统。制造设备的种类很多，铸造、锻造、焊接设备等亦包括其中，由于生产中大部分制造设备用于金属切削，故这里主要介绍金属切削机床。一、金属切削机床金属切削机床是用动力使刀具和工件产生相对运动而在工件上形成预先确定的几何形状的机器，是制造机器零件的主要设备。它所负担的工作量，约占机器总制造工作量的40%～60%，所以又称为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称机床。机床是完成制造工艺的主要载体，为成功地将机床集成到制造系统中以完成特定的制造任务，机床应满足一系列的要求。现代制造中，最重要的要求是质量。机床质量一般指机床的制造精度及其在交变力和热负载状态下几何精度和可靠性。此外，机床在满足性能要求的基础上，其自动化程度、生产率高低、使用保养及维修的方便、成本的高低亦很关键，而安全性和环保性也逐步成为人们对机床的要求。1、机床分类由于制造技术的不断发展，金属切削机床的品种也在不断增加，其功用、规格、结构及精度各不相同，为便于机床的区别、使用和管理，必须对机床进行分类。机床分类主要按加工性质和所用刀具进行区分，据国家标准GB/T15375-94，机床可有十二大类：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、锯床及其它机床。在每类机床中，又按工艺范围、布局形式和结构等，分为若干组，每组又细分为若干系。除按上述方法分类外，还可按其他特征进行进一步分类。对同类机床按通用性程度又可分为：（1）通用机床加工范围广，可用于多种零件的不同工序，如卧式车床、铣床等。这类机床由于通用性强，结构较为复杂，主要使用于单件小批生产。（2）专门化机床加工范围较窄，专门用于某一类或几类零件的某一种或几种工序，如凸轮轴车床、螺纹磨床等。（3）专用机床加工范围最窄，只能用于加工某一种（或几种）零件的某一特定工序，一般据工艺要求专门设计。如机床主轴箱的专用镗床，车床导轨的专用磨床等。各种组合机床也属于专用机床。这类机床自动化程度、生产率都较高，主要用于成批、大量生产。同类机床中，按加工精度又可分为普通精度级、精密级和高精度级；按机床自动化程度的高低分为手动、机动、半自动和自动机床；还可按机床的尺寸、重量的不同，分为仪表机床、中型、大型和重型机床、超重型机床；按机床布局又有卧式、立式、台式、龙门等机床等；按机床主要工作部件的数目，还有单轴、多轴或单刀、多刀的机床等。2、机床型号的编制机床型号是机床代号，用以简明表达机床的种类、特性及主要技术参数等。目前，我国的机床型号是按1985年颁布的标准JB1838—85《金属切削机床型号编制方法》实行。普通机床型号由类－组－系及主要参数组成，用汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律排列组合。机床类别及特性代号均采用汉语拼音的大写字母。机床的类别代号及其读音见表1—1；机床的通用特性代号见表1—2。机床的组别、系别代号用两位数字表达。其类、组、系划分可参见标准JB1838—85。机床的主参数、第二主参数用折算值（主参数乘以折算系数）表达机床规格。机床的重大改进顺序号按A、B、C……字母的顺序选用。例如：X6132表示工作台台面宽度为320mm的卧式万能升降台铣床；MM7132A表示工作台台面宽度为320mm经第一次重大改进的精密卧轴矩台平面磨床。表1-1机床的类别代号类别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其他机床代号CZTM2M3MYSXBLDGQ读音车钻镗磨2磨3磨牙丝铣刨拉电割其表1-2机床通用特性代号通用特性高精度精密自动半自动数控加工中心(自动换刀)仿形轻型加重型简式代号6MZBKHFQCJ读音高密自半控换仿轻重简3、机床的组成金属切削机床一般由四个部分组成。（1）机床框架结构联接机床上各部件，定位并支承刀具和工件，并使刀具与工件保持正确的静态位置关系。（2）运动部分为加工过程提供所需的刀具与工件的相对运动，保证形成合格加工表面应有的刀具与工件间正确的动态位置关系。（3）动力部分为加工过程及辅助过程提供必要的动力。（4）控制部分操纵和控制机床的各个动作。4、机床的技术性能机床的技术性能指机床的加工范围、使用质量和经济效益的技术参数，为正确选择、合理使用机床，必须了解机床的技术性能。（1）工艺范围指机床适应不同生产的能力，即可完成的工序种类，加工的零件类型，毛坯和材料种类，适应的生产规模等。（2）技术规格反映机床尺寸大小和工作性能的各种技术数据。一般有影响机床工作性能的尺寸参数、运动参数、动力参数等。（3）加工精度和表面粗糙度指机床在正常工作条件下所获得的加工精度及表面粗糙度。（4）生产率指机床在单位时间内能完成的零件数量。（5）自动化程度不仅影响机床生产率，还影响工人的劳动强度和工件的加工质量。（6）效率效率指机床消耗于切削的功率与电机输出功率之比。（7）其他机床的技术性能除上述方面外，还包括噪声大小、操作维修的方便、安全等方面。二、制造工艺装备机床为切削加工提供了必要的刀具、工件间静态及动态位置关系，而要完成切削加工，必须具备一定的工艺装备，工艺装备通常指刀具、夹具、量具及辅助工具等。1、金属切削刀具金属切削刀具是完成切削加工的重要工具，它从工件表面上切除多余的金属层，在切削过程中起主导作用。刀具切削性能的优劣将直接影响切削加工中的生产率、质量和成本。刀具由两大部分组成：切削部分（刀头）和夹持部分（刀柄）。切削部分直接参与切削工作，有些刀具除有用于切削的刀头外，还有导向部分（如麻花钻）。根据生产中不同的加工要求有不同的切削部分参数的设计。夹持部分用于刀具在机床上的安装，根据机床上所配不同的刀架或连接机构，刀柄亦有多种形式和结构。刀具的种类一般按用途和加工方法的不同进行区分：切刀类（含车刀、刨刀、插刀、成形车刀等），孔加工刀具（含麻花钻、扩孔钻、锪钻、深孔钻、铰刀等），拉刀类（含内表面及外表面拉刀），铣刀类，螺纹加工刀具（含螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切头、螺纹梳刀、滚丝轮、搓丝板等），齿轮刀具（含滚齿刀、插齿刀、剃齿刀、齿条刨刀、花键滚刀等）以及各类磨具（含各种砂轮、砂带、抛光轮等）与各种组合刀具、数控刀具。按刀具的刀片与刀杆结合方式不同，可将刀具分成整体式、焊接式及机械夹固式刀具，其中机夹式刀具又有机夹可重磨式和机夹不重磨式（可转位）刀具。与普通机床用刀具相比，除同样根据零件工艺要求合理选择刀具材料，正确设计刀具几何参数外，数控刀具有如下特点：一是刀具的制造精度很高，无论是刀柄、还是刀体上的刀槽或是刀片本身都有较高的制造精度，以便使刀具在机床上的安装能获得较高的定位精度及重复定位精度；二是刀柄的结构形式必须与机床所配置的刀架结构或换刀装置相适应，形状及尺寸均有严格的要求；三是较多采用可转位不重磨刀片，刀片的安装与调整须采用一定的工具或装置。因此，数控刀具应该是一个由刀片、刀体、刀柄、刀头等共同构成的刀具组件，其准备和调整较为复杂，往往成为加工中的关键。所以，对于数控刀具需从系统角度加以研究。由刀具准备子系统、刀具物流子系统、刀具工况监测子系统及刀具管理子系统组成的刀具系统将涉及到刀具在零件制造过程中的刀具管理、刀具设计与制造、刀具拆装、刀具尺寸预调、刀具的储存、交换和运送及刀具工况监测等多项工作内容，同时也成为机械制造系统中不可缺少的重要的子系统之一。2、机床夹具机床夹具是用以准确、迅速安装工件的工艺装置。安装工件包含定位和夹紧两个过程。使工件相对机床和刀具获得正确的位置为定位；而将工件定位以后的位置固定下来，且不受加工中切削力、离心力等力的影响是夹紧。制造过程中，采用夹具安装工件，能使工件相对刀具、机床的位置正确而稳定，保证工件较高的加工精度；能迅速安装工件，使生产率提高；安装过程简便、省力、安全，可改善劳动条件，保证生产安全；通过效率的提高，可使生产成本降低。各类机床夹具虽按不同工艺要求有不同的结构，但按其具备的主要功能分析，夹具一般由定位元件、夹紧装置、夹具体及其他装置或元件组成。夹具的定位元件通过其表面与工件上定位表面的接触、配合或对准来确定工件在夹具中的正确位置；夹紧装置则保证工件在夹具中的位置不受外力的影响而发生变化；夹具体将夹具上各元件、装置连接在一起，是夹具的基础构件；以上三部分为夹具的基本组成要素。按不同工艺要求，为完成导向、分度、对刀等其他特殊任务，夹具上还设置有其他装置或元件及各种连接件等。夹具种类较多，分类方法亦不统一。一般按夹具的应用范围及特点将夹具分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具及随行夹具等几类；或者按所使用的机床分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具等。（１）通用夹具夹具的结构、尺寸已规格化，具有一定的通用性，在一定范围内可用于加工不同工件。如三爪卡盘、四爪卡盘、分度头、平口钳、回转工作台等。一般由专业厂家生产，主要用于单件或小批量生产。（２）专用夹具指针对某工件的某一工序而专门设计、制造的夹具。这类夹具的结构紧凑，操作简单，生产率高，但设计、制造周期长，费用高，针对性强，没有通用性，主要用于加工对象固定的大批量生产。（３）可调夹具通过调整或更换个别夹具元件就可适应形状、尺寸相近的工件加工。通用可调夹具是在通用夹具的基础上发展起来的，通用范围较大，如可更换钳口的虎钳等，适用于多品种、小批量生产；成组夹具为加工成组工艺中某一族零件而专门设计的可调夹具，加工对象明确，调整范围亦仅限于本族零件，针对性强，应用于成组加工时可使多品种、小批量生产获得类似大批量生产的经济效益。（４）组合夹具由一套专门设计、制造的完全标准化的元件按某工件工序要求拼装而成的专用夹具。这类夹具灵活多变，万能性强、制造周期短、元件能重复使用，初期投入较大，但长期经济性好，特别适合小批量生产和新产品试制。（５）随行夹具一种在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。随行夹具除完成对工件的安装外，还载着工件由运输装置送往各机床，在各机床上被定位和夹紧。数控机床夹具除与普通机床一样，满足夹具的定位、夹紧基本功能及引导等特殊功能要求外，还应注意如下几点：一是选择尽量与设计、工艺基准及编程原点统一的定位基准，以减少误差及编程计算量；二是尽量使一次装夹能加工多个工件表面，以提高位置精度和加工效率。因此，夹具应尽量敞开，同时也可避免加工中刀具与刀具或其他部位的碰撞；尽量避免夹具占机人工调整式方案，以提高加工效率。数控加工零件多为单件、小批量生产，所以数控夹具多选择柔性好的通用可调夹具、组合夹具、拼装夹具和带有上、下料机构的自动夹具。在自动生产线上，除对夹具的常规要求外，加工系统还要求夹具有统一的基准，以保证工件在各工序间的传递精度。同样，对数控夹具的研究亦应从系统角度出发，而夹具系统也是机械制造系统组成中重要的子系统之一。3、量具量具是用于测量工件加工后的尺寸及形位公差是否符合图纸要求的工具。量具一般按其特点和用途分为如下四类：（１）标准量具指具体复制测量单位的物体，如量块、角度量块等。主要用于保证测量单位的统一。（２）通用量具具有刻度，可以测量一定范围内各种尺寸的零件。按结构的不同又有游标量具（如游标卡尺）、螺旋测微量具（如外径千分尺）、机械量仪（如百分表）、光学量仪（如立式光学仪）和电动量仪（如电动轮廓仪）。（３）量规指一种无刻度的专用量仪，如光滑极限量规、螺纹量规等。它主要用于检验零件是否合格，而不能测出零件的具体尺寸。（４）检验夹具指一种检验零件位置尺寸的组合量具，为专用的检验工具。用于大量生产中保证零、部件的互换性。数控加工中的零件一般具有精度高、形状复杂等特点，在量具使用上，除注意精度的适应性外，还会应用到一些高精、高柔的量具。三坐标测量机便以其特有的测量方面的万能性及测量对象的多样性而成为数控加工中应用较多的量具，其主要功能有：实现空间坐标点的测量，方便地测