06 金属切削机床原理与设计

第六讲金属切削机床原理与设计概述机械制造工程认识机床金属切削机床：是指用切削加工等方法加工金属工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。它是制造机器的机器，故又称为“工作母机”或“工具机”（Machine-tool）,习惯上简称为“机床”。在现代机械制造工业中，机器零件特别是精密零件的最终形状、尺寸及表面粗糙度，主要是借助金属切削机床加工来获得的。金属切削机床在国民经济建设中的地位非常重要，机床工业为全社会各行各业提供先进的制造设备。机床工业的技术水平决定着其它行业的发展水平，在很大程度上标志着一个国家的工业生产能力和科学技术水平。金属切削机床的分类金属切削机床的种类非常繁多，为了便于区别、使用和管理，有必要对机床进行分类。一、机床的分类传统的分类方法：按加工性质和所用的刀具进行分类。目前我国机床分为：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、其它机床、特种加工机床。卧式铣床立式铣床立式钻床摇臂钻床卧式镗床外形牛头刨床(HorizontalShaper)单柱立式机床双柱立式机床双头机床插齿(GearShaping)机特种加工机床种类用途车床用于加工各种回转表面和回转体的端面。如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面，车削端面及各种常用的螺纹。在车床上还能做钻孔、扩孔、铰孔、滚花等工作。铣床可以加工平面、沟槽(键槽、T形槽、燕尾槽等)、分齿零件(齿轮、花键轴、链轮)、螺旋形表面(螺旋槽)及各种曲面。由于是多刀断续切削，因而铣床的生产率较高。刨床插床主要用于加工各种平面(如水平面、垂直面和斜面及各种沟槽，如T形槽、燕尾槽、V形槽等)、直线成型表面。回程时不切削，故生产率较低，一般用于单件小批量生产。镗床适用于对单件或小批量生产的孔系加工，能精确镗削尺寸较大的孔和平面。磨床用砂轮等作为工具对工件表面进行加工的机床。磨床可加工内外圆柱面和圆锥面、平面、螺旋面及各种成型面等，主要应用于零件精加工，尤其是高硬度材料的精加工。钻床可对零件进行钻孔、扩孔、铰孔、锪平面和攻螺纹等加工。齿轮加工机床加工齿轮轮齿表面的机床称为齿轮加工机床。每一类机床又按工艺范围、布局型式和结构的不同等，分为10个组，每一组又细分为若干系（系列）。在上述基本分类方法的基础上，还可根据机床其它特征进一步区分。车床：卧式车床立式车床钻塔车床回轮车床落地车床液压仿行车床多刀自动和半自动车床专用：曲轴车床、凸轮车床、铲齿车床按应用范围（通用性程度）又可分为：1.通用机床用于加工多种零件的不同工序，加工范围较广，通用性较大，但结构比较复杂；主要适用于单件小批生产，例如：卧式车床、万能升降台铣床等。2.专门化机床工艺范围较窄；专门用于加工某一类或几类零件的某一道（或几道）特定工序，如曲轴车床、凸轮轴车床等。3.专用机床工艺范围最窄；只能用于加工某一种零件的某一道特定工序，适用于大批量生产，如机床主轴箱的专用镗床、车床导轨的专用磨床和各种组合机床等。同类型机床按工作精度又可分：普通精度机床、精密机床和高精度机床。按自动化程度分：手动、机动、半自动和自动的机床。按重量与尺寸分：仪表机床、中型机床（一般机床）、大型机床（重量达10t）、重型机床（大于30t）和超重型机床（大于100t）。课程安排机床原理与设计概述（不含机械结构设计）机床进给传动分析与机床精度常见机床加工认识金属切削机床原理与设计概述表面成形运动与机床运动机床传动链原理机床设计概述机床总体方案设计方法引言实现金属切削的三个条件：工件与刀具之间要有相对运动——切削运动刀具必须有适当的几何形状——刀具几何形状与角度刀具材料必须具有一定的切削性能——刀具材料金属切削机床用来产生切削运动需要什么运动加工表面的形成问题如何产生运动机床传动链问题对运动有什么要求机床传动设计问题如何保证运动精度机床精度问题表面成形运动分析零件表面由若干表面元素组成，包括：平面、圆柱面、圆锥面、球面等典型表面可看成一条母线沿着一条导线运动形成表面成形运动可分为简单成形运动和复杂成形运动简单成形运动：车外圆柱面圆母线：由机床的回转运动形成直线导线：由刀具的直线移动形成复杂成形运动：车螺纹螺旋导线：通过机床主轴等速旋转运动和刀架等速直线移动复合而成形成表面的母线和导线统称为发生线发生线的形成方法及其所需要的运动发生线由刀具和工件的相对运动得到，它的形成方法可归纳为四种：轨迹法：如右图成形法：成形刀具相切法：铣范成法：刀具与工件作范成运动，如刀刃1通过范成法包络形成渐开线齿形2，如下图机床的运动机床的运动可分为表面成形运动和辅助运动表面成形运动：为获得所需的表面，需形成发生线，即刀具和工件作相对运动。表面成形运动可分为：简单运动：刀具运动与工件运动互为独立，而无需运动联系，如车圆柱面、铣平面等。复合运动：各成形运动之间必须有相互联系，如车螺纹，由于螺纹的螺距是标准值，要求工件每转一转，刀具直线移动一个螺纹导程。成形运动按切削加工中所起的作用，可分为主运动和进给运动。辅助运动：空行程（快进、快退）、切入运动、分度运动、操纵和控制运动、调位运动机床传动链原理卧式机床变速箱主轴进给丝杠卧式机床传动的实现电机变速箱工作台转动立式机床传动的实现机床传动链示例电机：动力源主轴：执行件电机：动力源丝杠：执行件变速箱：传动装置变速箱：传动装置变速箱：传动装置机床传动原理-传动的实现机床传动的三个基本部分：动力源、执行部件（执行运动的部件）、传动装置（传递动力和运动的装置）传动链：从动力源将动力和运动通过传动装置传递到执行部件的联系外联系传动链：动力源—传动装置—执行部件，不影响发生线的性质内联系传动链：执行部件—传动装置—执行部件，联系复合运动之内的各个运动分量。传动链所联系的执行部件之间的相对速度（及相对位移量）有严格的要求，以保证正确的运动轨迹内联系传动链有严格的传动比的要求一般为：主轴——传动装置——丝杠用于机床运动的调整计算机床的传动链和传动原理图运动分析：传动链分析：1.工件/主轴的回转运动(简单)电机-1-2-3-4-主轴（外联系传动链）2.刀具/刀架的进给运动(复合)主轴-4-5-6-7-丝杠（内联系传动链）直齿圆柱滚齿原理与滚齿机的传动原理运动分析：传动链分析：1.滚刀和工件的啮合运动(复合)滚刀-4-5-6-7-工件（内联系传动链）2.滚刀的回转运动(简单)电机-1-2-3-4-滚刀（外联系传动链）3.滚刀的垂直进给运动(简单)工件-7-8-9-10-丝杠（外联系传动链）插齿机的传动原理图（P152）作业：请找出插齿机传动原理图中的外联系和内联系传动链机床设计基本要求工艺范围：加工零件、尺寸、毛坯形式和工序均有一定的范围。工艺范围窄，结构简单，易实现自动化；过宽，结构复杂，不能充分发挥性能，成本提高精度：长期使用中保证零件的精度和表面粗糙度零件的精度是由机床、刀具、夹具、切削条件和操作者等因素有关，从机床的角度，要求机床必须具有一定的几何精度、运动精度、传动精度和动态精度几何精度：机床不运转时部件间的位置精度和形位精度运动精度：运转时的几何位置精度传动精度：传动链中各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。尤其是内联系传链动态精度：在重力、夹紧力、切削力、激振力、温升等作用下机床的形位精度生产率和自动化程度：通过缩短切削时间、辅助时间、准备时间等来提高生产率，通过提高自动化程度来提高生产率。噪声：环保，一般机床噪声不允许超过85分贝，精密机床不允许超过75分贝可靠性：衡量指标有可靠度（规定的运行时间内，执行所规定的功能无故障运行的概率）、平均故障间隔、故障率、维修费用等三化程度：指机床品种的系列化、零部件通用化和零部件标准化系列化：机床品种系列模块化：产品按功能模块划分，通过模块组装不同产品标准化：零部件标准化参数化：零部件参数化通用化：零部件通用性强成本造型与色彩机床设计的大致过程调查研究拟定方案（总体设计）结构设计各部件装配图传动系统图液压图电器系统图零件图设计试制鉴定机床总体方案设计调查研究工件范围、使用要求和制造条件、同类机床的有关情况工艺分析工艺方法和运动、专用夹具方案、加工示意图机床总体布局分配运动、传动形式、支承形式、操作部位的安排确定机床主要技术参数计算和选择尺寸参数、运动参数、动力参数、液压控制方案、电气控制方案等调查研究调查研究工件工件特点和加工要求，如尺寸精度、位置精度、表面粗糙度及生产率要求工件的形状、尺寸、重量、材料，用于确定工件定位、装夹、输送的方法，选择刀具材料，确定切削用量对于通用机床，选择典型工件或多个典型工件调查使用要求使用部门对机床的要求，如加工精度、生产率、自动化程度、工作可靠性、操作方便性、造型等的要求操作人员的技术水平、维修能力、车间情况等调查制造条件了解制造部门的制造条件和技术水平，材料供应情况，可利用的元件和通用部件等同类机床及新技术成果工艺分析工艺方法的确定工艺方法对机床结构和性能的影响很大工艺方法的改变常导致机床的运动、传动、布局、结构、性能等方面的一系列变化以加工圆柱齿轮为例，工艺方法有：推（拉）削、刨削、铣削、滚削等用成型刀具推削：生产率高；机床只需一个运动，结构简单；刀具复杂，成本高，同时针对不同的模数，需有多种刀具用成型刀具刨削：机床两个运动，机床和刀具的结构简单，生产率低，也必须具备多种刀具用成型刀具铣削：与刨削相比，生产率有所提高，机床和刀具略为复杂用滚刀铣削：生产率高，刀具种数少；机床必须有内联系传链，机床和刀具的结构较复杂机床运动的确定指确定机床运动的数目、运动的类型以及运动的执行件机床运动一般由工艺方案决定；对于通用机床，根据若干典型工艺来定机床各种运动的特点和要求：表面成形运动直接影响被加工表面的形成和质量，要求较高主运动的速度高、功率大，对其传动的支承有较高的要求辅助运动中，快速移动的速度高，精度要求不高调整运动和分度运动的速度低复合运动中，要求内联系传动链有较高的传动精度简单运动，传动精度要求不高应在满足工作要求的前提下，尽可能减少要求高的运动数目。为简化结构，应尽可能减少运动执行件的数目夹具方案的拟定对于专用机床，夹具是针对某特定工件而设计的，是专用机床的一个重要部件加工示意图的绘制表明机床所采用的工艺方法和刀具，规定工件、刀具以及机床执行部件的运动速度、行程以及主要联系尺寸用加工示意图可检查工件、刀具、机床部件之间在工作时是否会发生干涉是设计专用机床的执行部件和刀具、绘制机床总联系尺寸图的重要依据机床总体布局机床总体布局是指确定组成部件，以及各个部件和操纵、控制机构在整台机床中的配置合理的总体布局的基本要求保证工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗振性使用方便；便于操作、调整、修理机床；便于输送、装卸工件、排除切屑经济效果好，如节省材料、减小机床占地面积等造型美观一般步骤根据工艺分配机床部件的运动，选择传动形式和支承形式；安排操作部位，拟定在布局上改善机床性能和技术经济指标的措施机床运动分配工艺方法确定刀具和工件在切削加工时的相对运动确定运动分配运动分配的方式：工件、刀具、工件和刀具（共同）运动分配考虑的因素：简化机床的传动和结构：运动部件（包括工件或刀具）的重量越小，所需电机的功率和传动件尺寸也越小：应把运动分配给重量小的执行件；对于重量较大的工件，可令工件不动，把运动都分配给刀具，俗称“蚂蚁啃骨头”提高加工精度：如钻孔时，主运动和进给运动均由刀具完成，比较方便；但在深孔钻时，为提高孔中心线的直线度，须将回转运动分配给工件缩小机床占地面积：如外圆磨床机床传动形式的选择机床的传动有机械的、液压的、气动的、电气的及其综合的等多种形式选择机床传动