机电产品学第一章资料

第一章金属切削机床产品一、基本知识1.概述金属切削机床（简称机床）是用切削方法对金属工件进行加工，用来制造机器零件的机器。因此它是制造机器的机器，在机械制造业中起着“工作母机”的作用。据统计，无论哪一类机器制造部门，机床在其拥有的技术装备中一般占有40%～60%。显而易见，机床的先进程度直接影响着制造业的水平、产品质量和劳动生产率。如果我们没有强大、先进的以机床产品为基础的现代化机械制造业，就不可能建立中国社会主义经济发展所需的雄厚基础，就难以提高我们的综合国力。2020年2月11日1）机床的发展概况近代意义的金属切削机床是在18世纪工业革命推动下发展起来的，而经过改进的机床为蒸汽机的实际使用提供了基本的加工手段。到迄今200多年的发展历史中，金属切削机床一方面随着产品生产加工的需要而发展，同时又是建立在科学技术发展的基础之上。1775年，英国人J.威尔金森发明了较精密的炮筒镗床。1797年英国人H.莫兹利研制的车床第一次采用了丝杠传动刀架，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的重大变革。1817年英国人R.罗伯茨创制出龙门刨床；1818年美国人E.惠特尼制成卧式铣床；1876年美国制成万能外圆磨床。1835年和1897年先后发明滚齿机和插齿机。在200多年的发展过程中，金属切削机床在品种系列型谱上都得到了充分的发展和完善，为机械制造业的飞速发展提供了基本物质条件。因此，过去一直把普通机床的拥有量看成是衡量一个国家工业水平的标准。自从1945年出现第一台计算机后，计算机技术迅速被引入机床工业。1953年美国麻省理工学院研制出第一台数控机床，从此机床的发展进入了崭新的时期。随着计算机技术、微电子技术的迅猛发展，机床的数控化已成为世界机床工业发展的潮流。1958年出现第一台可以自动换刀以进行多工序加工的加工中心；1964年在英国研制成功第一台柔性制造系统。随着CAD/CAM/CAPP技术的发展和完善，为最终实现计算机集成制造CIMS奠定了基础。CIMS是机械制造业发展的战略目标，是21世纪机械制造业的基本技术。现在工业国家不再公布机床的拥有量，而是公布机床年产量中数控机床的比例。2）我国机床工业发展的概况我国早在公元前就已经有了自己的原始钻床和木工车床。但历史上长期的封建统治严重地束缚了科学技术的发展。到1949年，我国能生产的机床品种不到10种，年产量仅1580台，全国机床拥有量仅6万台左右，其中大多数还是进口的。我国的机床制造业是新中国建立后从无到有，从小到大，自力更生发展起来的。在三年经济恢复时期，我国除把一批机器修配厂扩建为机床厂外，并建了一批新厂。第一个五年计划（1953～1957年）期间，我国有计划地建立北京机床研究所和一批较现代的新厂，规定各厂产品的专业方向，逐步由仿制向自行设计过渡，并开始生产大型机床、精密机床、自动和半自动机床，品种达200余种，年产量3.7万台。到建国30周年，我国已制定了完整的机床系列型谱，具备了较高的提供大型成套现代化装备的能力，机床品种也日趋齐全，并有少量机床出口。基本形成布局较为合理、较为完整的机床工业体系。改革开放以来，我国把引进与自我开发相结合，高起点跟踪国际先进水平，奋力发展我国的机床工业。“863”计划就把自动化加工技术列为15个主题之一。经过艰苦努力，我国在掌握和开发现代制造技术能力方面已取得长足进展。继清华大学CIMS实验室在1994年获得了SME颁发的“世界大学领先奖”后，1995年北京第一机床厂又获得SME颁发的“世界工业领先奖”。它标志着我国机械制造业不仅在基础研究方面而且在实际应用中都已取得重大突破，为本世纪机械制造业的发展打下了良好的基础。2.机床的技术经济指标机床的技术经济指标概括的说就是满足机床制造和使用上在技术和经济两个方面的主要要求。具体地说，就是一要用户物美价廉的要求，物美即质量好，工作效率高，使用性能稳定，能耗少，操作方便可靠，外形美观大方；价廉即投资少，收效大。二要满足生产制造部门耗材少，生产周期短，易于制造，成本低，适合用户需要等要求。其指标如下：1）工艺的可能性工艺的可能性是指机床适应不同的生产要求的能力。即是在机床加工工序种类，使用刀具的种类和材料，加工工件的种类和材料，加工精度和表面质量，生产批量等方面适应不同生产情况的能力。工艺可能性过窄，会使机床的适用性受到限制；过宽，会使机床的结构变得复杂。2）加工的精度和表面质量机床的加工精度好坏决定于机床本身的几何精度、传动精度、静态刚度和动态刚度等。机床加工工件表面质量的高低是机床主要性能指标之一，对于精加工机床尤为重要。影响加工质量的主要因素有：机床运动的平稳性，传动系统的精度等。3）生产率生产率的高低是衡量机床产品性能的重要指标之一。在保证工件质量和其他（如刀具等）的消耗不增加的前提下，机床的生产率越高，经济效益越好。生产率一般用单位时间内生产零件的个数来表示：Q=1/T总=1/T切削+T辅助+T准结/h其中Q表示：单位时间内机床生产零件的个数；T总表示：加工每一个零件的平均总时间；4）系列化、通用化、标准化（简称”三化”）机床产品三化水平越高，质量高，成本低，周期短。5）机床寿命一般是指机床开始使用到第一次精度丧失的时间，是机床产品的重要指标之一。6）其他方面操作方便、省力、安全、美观；维修方便等。3.机床的运动与传动机构(1）零件表面的形成及切削运动机器零件的形状虽然多种多样，但都是由圆柱面、圆锥面、平面等组成。从几何学观点分析：圆柱面—可看成是以直线为母线，以圆为轨迹，且母线垂直于轨迹所在的平面做旋转运动所形成的表面，如图所示。圆锥面—可看成是以直线为母线，以圆为轨迹，且母线与轨迹回转轴线相交成一定角度做旋转运动所形成的表面。平面—可看成是以直线为母线，以另一直线为轨迹作平移运动所形成的表面。尽管不同的表面，加工方法不同，但都要求刀具与工件之间必须有一定的相对运动，这就是切削运动，图为切削运动简图。切削运动包括主运动和进给运动。1）主运动主运动是由机床提供的主要运动，是使刀具和工件之间产生相对运动，从而切下切屑所需要的最基本的运动。也就是切削过程中速度最高，消耗功率最多的运动。2）进给运动由机床和人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断地或断续地切除切屑，并得到具有所需几何特性的已加工表面。一般情况下，进给运动的速度比较低，消耗的功率比较小。切削过程的主运动只有一个，而进给运动则可能是一个或几个。主运动和进给运动可由刀具和工件分别完成，也可由刀具单独完成（如钻削）。主运动和进给运动可以是旋转运动，也可以是直线运动；有连续的，也有间歇的。几种典型机床的切削运动如表所示。（2）机床的传动机构机床上常见的传动机构有：1）带传动由主动带轮（d1)、从动带轮(d2)、胶带组成。它是依靠胶带与带轮之间的摩擦来传递运动和动力的。V1=V2。V1＝πd1n1/1000V2＝πd2n2/1000n2／n1＝d1／d2＝i2）齿轮机构传动通过主动轮与从动轮的轮齿来传递运动和动力的。i＝n2／n1＝z1/z2齿轮机构传动的方式有多种：圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、齿轮齿条传动等。3）蜗轮蜗杆传动通过蜗杆与蜗轮的轮齿来传递运动和动力的。传动特点：传动比大，改变传动空间方向，如图所示。4）丝杠螺母机构传动通过丝杠与螺母的螺纹来传递运动和动力的。将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动。如图所示。综合传动如图。二、机床的分类和型号编制规则（GB/T15375—94）由于机床品种和规格繁多，为了便于区别、使用和管理，需对其进行分类和编制型号。（1）机床的分类常规机床可按下列分类方法划分为各种类型：1）按加工方式、加工对象或主要用途，划分为车床、铣床、刨床、磨床、钻床、镗床、拉床、齿轮加工机床等。2）按工件大小和机床质量，分为仪表机床、中小型机床、大型机床(10t～30t)、重型机床(30t～100t)和超重型机床(100t以上)。3）按加工精度划分，可分为相对精度级和绝对精度级两种。大部分车床、磨床和齿轮加工机床有3种精度产品，即3个相对精度级。相对精度级在机床型号中分别用汉语拼音字母P(普通精度级，在型号中P省略)、M(精密级)、G(高精度级)表示。4）按自动化程度，可分为手动操作机床、半自动和自动机床三种。半自动和自动机床在机床型号中分别用汉语拼音字母B和Z表示。5）按机床的自动控制方式，可分为仿形机床、数控机床和加工中心等，在机床型号中分别用汉语拼音字母F、K、H表示。6）按机床适用范围，可分为通用机床、专门化机床和专用机床三种。7）按机床的结构布局型式，可分为立式、卧式、龙门式等。（2）机床型号的编制规则按GB/T15375—94《金属切削机床型号编制方法》规定，机床型号由基本部分和辅助部分组成，中间用“／”隔开，读做“之”。前者需统一管理，后者纳入型号于否由企业自定。型号构成如图所示。（◎）○（○）◎◎（◎）（○）（/◎）分类代号类代号通用特性和结构特性代号组别、系别代号主参数或设计顺序号第二主参数重大改进顺序号其他特征代号机床型号含义如下：1）机床的类代号类代号用大写的汉语拼音字母表示。分类代号用阿拉伯数字表示（其中第一分类代号的“1”省略），如表所示。2)机床的通用特性、结构特性代号通用特性代号用大写的拼音字母表示，如表2所示。对于主参数相同，而结构、性能不同的机床，用结构特性代号加以区别，该代号也用汉语拼音字母表示。3）机床的组代号、系代号每类机床划分为10组，每组又划分为10系。均用阿拉伯数字“0～9”表示。部分机床的类、组、系代号及其对应的机床名称见表3。4）机床的主参数主参数大多数情况下用折算值表示。其折算值等于主参数乘以折算系数。如CA6140型卧式车床，其折算系数为1／10，则主参数为床身上最大回转直径400mm，其折算值为40。常用机床主参数名称及折算系数如表3所示。机床通用特性代号（GB/T15375-1994）表3：车床类C钻床类Z铣床类X磨床类M5）机床的重大改进序号当机床的结构、性能有重大改进，并按新产品重新设计、试制、鉴定时，在原机床型号基本部分的尾部加上A、B、C…汉语拼音字母。如CA6140，在经第一次重大改进后的型号应写为：CA6140A。6）其他特性代号主要用以反映各类机床的特性，如:对于数控机床，可用来反映不同的控制系统等。对于加工中心，可用以反映控制系统、自动交换主轴头、自动交换工作台等;对于柔性加工单元，可用以反映自动交换主轴箱;对于一机多能机床，可用以补充表示某些功能。对于一般机床，可以反映同一型号机床的变型等。（3）机床型号示例1）CA6140表示主轴回转直径为400mm的结构特征为A的普通卧式车床。C─类代号(车床类机床)A─结构特性代号6─组代号(落地及卧式车床组)1─系代号(卧式车床系)40─主参数(最大工件回转直径的1／10)2）XJK5030表示工作台面宽度为300mm的数控立式升降台铣床。X─类代号(铣床类机床)K─通用特性代号(数控)5─组代号(立式升降台铣床组)0─系代号(立式铣床系)30─主参数(工作台面宽度的1／10)3）MG1432表示最大磨削直径为320mm的高精度万能外圆磨床。M─类代号(磨床类机床)G─通用特性代号(高精度)1─组代号(外圆磨床组)4─系代号(万能磨床系)32─主参数(最大磨削直径的1／10)4）Z3040×16C表示经第三次重大改进的最大钻削直径为40mm，最大跨度为1600mm的摇臂钻床。Z—类代号（钻床类机床）3－组代号（摇臂钻床组）0－系代号（摇臂钻床系）40－主参数(最大钻削实际直径)16－第二参数（最大钻削跨度为1600mm）C－重大改正序号（第三次改正）三、车床类产品1.概述车床是机械制造中使用最广泛的一类机床，主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面、圆锥面、环槽、回转体成型面等）和回转体的