机械制造技术基础(第三版)第三章

西安交通大学CIMS中心第三章金属切削机床西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述机床不同于一般的机械，它是用来生产其它机械的工作母机，因此在刚度、精度及运动特性方面有其特殊要求。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述一.机床的基本组成1.动力源：为机床提供动力(功率)和运动的驱动部分。2.传动系统：包括主传动系统、进给传动系统和其他运动的传动系统。3.支承件：用于安装和支承其他固定的或运动的部件，承受其重力和切削力。4.工作部件：(1)与最终实现切削加工的主运动和进给运动有关的执行部件；⑵与工件和刀具安装及调整有关的部件或装置；⑶与上述部件或装置有关的分度、转位、定位机构和操纵机构等。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述5.控制系统：用于控制各工作部件的正常工作。6.冷却系统：用于对加工工件、刀具及机床的某些发热部位进行冷却。7.润滑系统：用于对机床的运动副进行润滑，以减小摩擦、磨损和发热。8.其它装置：如排屑装置、自动测量装置等。各部件将在第二节作详述西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述二.机床的运动机床的运动分为表面形成运动和辅助运动。1.表面形成运动：表面形成运动是机床最基本的运动，亦称工作运动。表面形成运动包括主运动和进给运动，主运动只有一个，进给运动可以有一个或几个。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述a)主运动：机床主运动是形成切削速度并从工件上切除多余材料起主要作用的工作运动，机床功率主要消耗于主运动。b)进给运动：进给运动是使工件上的多余材料不断被去除的工作运动，是维持切削得以继续的运动。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述I为主运动，II为进给运动西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述主运动的形式：1)工件（如车床）或刀具（如钻床）作旋转运动，其表示方式为转速；2)工件（如龙门刨床）或刀具（如插床）作直线运动，其表示方式为工作行程运动速度或每分钟往复行程(冲程)次数；3)复合运动，如卧式车床车螺纹时的螺旋运动，它是由主轴带动工件的旋转运动和刀架溜板的直线运动合成的。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述进给运动的形式：进给运动可以有一个或几个：钻床、刨床等机床有一个进给运动；外圆磨床的进给运动有工件主轴的旋转运动和工作台的直线运动；车床有刀架溜板的纵向进给运动和横向进给运动。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述进给运动也可以是复合运动，如在数控车床车削圆锥或回转曲面工件时，进给运动就是复合运动，它可视为径向(X轴)进给与纵向(Z轴)进给的合成，由数控系统保证这两个进给运动的准确。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述2.辅助运动：机床在加工过程中加工工具与工件除工作运动以外的其他运动称为辅助运动，用以实现机床的各种辅助动作。a)切入运动：用于保证工件被加工表面获得所需要的尺寸，使工具切入工件表面一定深度；b)各种空行程运动：空行程运动主要是指进给前后的快速运动；c)其它辅助运动：包括分度运动、操纵和控制运动等。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述三.机床技术性能指标1.机床的工艺范围：机床的工艺范围是指在机床上加工的工件类型和尺寸，能够加工完成何种工序，使用什么刀具等等。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述a)通用机床具有较宽的工艺范围，在同一台机床上可以满足较多的加工需要，适用于单件小批生产。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述b)专用机床是为特定零件的特定工序而设计的，自动化程度和生产率都较高，但它的加工范围很窄。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述c)数控机床则既有较宽的工艺范围，又能满足零件较高精度的要求，并可实现自动化加工。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述2.机床的技术参数：机床的主要技术参数包括：尺寸参数、运动参数与动力参数。尺寸参数——具体反映机床的加工范围，包括主参数、第2主参数和与加工零件有关的其他尺寸参数。如下表：机床名称主参数第2主参数普通车床车身上工件最大回转直径工件最大长度摇臂钻床最大钻孔直径最大跨距坐标镗床工作台工作面宽度工作台工作面长度外圆磨床最大磨削直径最大磨削长度西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述运动参数——指机床执行件的运动速度，例如主轴的最高转速与最低转速、刀架的最大进给量与最小进给量(或进给速度)。动力参数——指机床电动机的功率，有些机床还给出主轴允许承受的最大转矩等其他内容。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述四、机床精度与刚度加工中保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度，并能在机床长期使用中保持这些要求，机床本身必须具备的精度称为机床精度。包括：几何精度、传动精度、运动精度、定位精度及精度保持性等几个方面。各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和高精度级。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述1.几何精度几何精度是指机床空载条件下，在不运动(机床主轴不转或工作台不移动等情况下)或运动速度较低时各主要部件的形状，相互位置和相对运动的精确程度。几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。它主要决定于结构设计、制造和装配质量。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述2.运动精度运动精度是指机床空载并以工作速度运动时，主要零部件的几何位置精度。如高速回转主轴的回转精度。对于高速精密机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。它与结构设计及制造等因素有关。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述3.传动精度传动精度是指机床传动系各末端执行件之间运动的协调性和均匀性。影响传动精度的主要因素是传动系统的设计，传动元件的制造和装配精度。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述4.定位精度定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。机床构件和进给控制系统的精度、刚度以及其动态特性，机床测量系统的精度都将影响机床定位精度。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述5.工作精度加工规定的试件，用试件的加工精度表示机床的工作精度。工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、工件的刚度及热变形等。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述6.精度保持性在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度，称之为精度保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损。磨损的影响因素十分复杂，如结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护、使用条件等。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述机床刚度指机床系统抵抗变形的能力。按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷，即不随时间变化或变化极为缓慢的力称静载荷，如重力、切削力的静力部分等。凡随时间变化的力如冲击振动力及切削力的交变部分等称动态力。故机床刚度相应地分为静刚度及动刚度，后者是抗振性的一部分。习惯所说刚度一般指静刚度。西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述五.机床的型号编制1.通用机床的型号编制西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述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GMZBKHFQCJ读音高密自半控换仿轻重简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它机床代号CZTM2M3MYSXBLDGQ参考读音车钻镗磨磨磨牙丝铣刨拉电割其西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述例：CA6140型卧式车床西安交通大学先进制造技术研究所第一节概述2.专用机床的型号编制例：北京第一机床厂设计制造的第一百种专用机床为专用铣床，属于第三组其编号为：B1-3100西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件一.传动系统传动系统一般由动力源、变速装置及执行件，以及开停、换向和制动机构等部分组成。1.动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；2.变速装置传递动力以及变换运动速度；3.执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。由柴油发动机、变矩器、变速箱组成的传动系统西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件1.主传动系统主传动系统可按不同的特征来分类：⑴按驱动主传动的电动机类型可分为两大类：交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机和调速交流电动机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。⑵按传动装置类型可分为：机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件⑶按变速的连续性可分为：分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动在一定的变速范围内只能得到某些转速，变速级数一般不超过20～30级。12级主传动系统转速图西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。右图为机械无级变速的一些基本形式。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件2.进给传动系统根据加工对象、成形运动、进给精度、运动平稳性及生产率等因素的要求，主要有机械进给传动、液压进给传动、电伺服进给传动等。机械进给传动系虽然结构较复杂，制造及装配工作量较大，但由于工作可靠，便于检查和维修，仍有很多机床采用。电伺服进给传动系统广泛应用于数控机床。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件电气伺服系统是数控装置和机床之间的联系环节，是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，其作用是接受来自数控装置发出的进给脉冲，经变换和放大后驱动工作台按规定的速度和距离移动。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件⑴电伺服进给传动系统的控制类型a)开环系统：这类系统的定位精度较低，但系统简单，调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中；b)闭环系统：可以消除整个系统的误差、间隙和失动，其定位精度取决于检测装置的精度，其控制精度、动态性能等较开环系统好；但系统比较复杂，安装、调整和测试比较麻烦，成本高，用于精密型数控机床上；西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件c)半闭环系统：稳定性较好。与闭环相比，半闭环系统结构简单，调整容易，价格低，所以应用较多。西安交通大学先进制造技术研究所半闭环系统图c)是将检测元件和伺服电动机一起安装在丝杠的端部。半闭环系统只能补偿环路内部传动链的误差，不能纠正环路之外的误差。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件对伺服系统的基本要求：1)稳定性要好，精度要高。2)快速响应性好，定位精度高。机床伺服系统性能的影响因素主要有：1)进给传动件的间隙；2)扭转、挠曲；机床运动部件的振动、摩擦；3)机床的刚度和抗振性；4)系统的质量和惯量；5)低速下运动平稳性，有无爬行现象等等。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件⑵电气伺服进给系统驱动部件电气伺服进给系统由伺服驱动部件和机械传动部件组成。伺服驱动部件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件1)步进电动机优点：•转速可以在很宽的范围内调节；•可以控制电动机的正转或反转；•没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，制造成本低。缺点：效率较低，发热大，有时会“失步”。用途：适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件2)直流伺服电动机优点：•转子直径较小、轴向尺寸大；•转动惯量小，因此响应时间快。缺点：额定扭矩较小，一般必须与齿轮降速装置相匹配。用途：用于高速轻载的小型数控机床中。西安交通大学先进制造技术研究所第二节金属切削机床部件3)交流伺服电动机优点：•可靠性好、结构简单、体积小、重量轻、动态响应好；•效率高、调速范围广、响应频率高。缺点：带动惯性负载能力差，一般需用齿轮减速装置。用途：多用于中小型数控机床。西安交通大学先进制造技术研究