机械制造工程学 第三章 金属切削机床

第3章金属切削机床§3-1金属切削机床概述金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，是制造机器的机器，因此又称为“工作母机”或“工具机”，通常简称机床。一、机床的分类机床的传统分类方法主要是按加工性质和所用刀具进行分类。目前我国将机床分为11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、锯床和其他机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局形势和结构等，分为若干组，每一组又分为若干系（系别）。§3-1金属切削机床概述一、机床的分类1)按照机床的万能性程度，可分为:普通机床、专门化机床、专用机床2)按照机床的工作精度，可分为:普通精度机床、精密机床、高精度机床3)按照机床具有的数控功能，可分为:普通机床（非数控机床）、一般数控机床、加工中心等此外，还可按重量和尺寸，主要部件数目等进行分类。§3-1金属切削机床概述二、机床的型号编制标准JB1838-85：金属切削机床型号编制方法，适用于各类通用机床和专用机床，由汉语拼音字母和数字按一定规律组合而成。§3-1金属切削机床概述三、机床的技术性能1）工艺范围2）主要技术参数3）加工精度和表面粗糙度4）生产率和自动化程度5）人机关系6）成本§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法机器零件上常用的各种表面：平面、圆柱面、圆锥面、成形表面等。§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法1）零件表面的形成：是一条母线沿一条导线运动而形成。母线和导线统称为表面发生线。1--母线，2--导线§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法2）形成发生线的方法发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的，由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为四种：轨迹法、成形法、相切法和展成法。§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法2）形成发生线的方法（1）轨迹法是利用刀具做一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法2）形成发生线的方法（1）轨迹法（2）成形法是利用成形刀具对工件进行加工的方法。§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法2）形成发生线的方法（1）轨迹法（2）成形法（3）相切法是利用刀具边旋转边做轨迹运动来对工件进行加工的方法。§3-2机床的运动分析一、成形运动1.工件表面的成形方法2）形成发生线的方法（1）轨迹法（2）成形法（3）相切法（4）展成法是利用工件和刀具做展成切削运动的加工方法。§3-2机床的运动分析一、成形运动2.表面成形运动为获得所需的工件表面形状，机床必须使刀具和工件按上述四种方法之一完成一定的运动。成形运动：刀具和工件为了形成表面发生线而作的相对运动。直线运动（用A来表示）或旋转运动（用B来表示）。成形运动的种类：简单成形运动、复合成形运动§3-2机床的运动分析一、成形运动2.表面成形运动（1）简单成形运动简单运动之间是相互独立的，没有严格的相对运动关系。例1:用普通车刀车削外圆母线--圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。导线--直线，由轨迹法形成，需要一个成形运动A2。例2:用成形车刀车削成形回转表面母线--曲线，由成形法形成，不需要成形运动。导线--圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。§3-2机床的运动分析一、成形运动2.表面成形运动（2）复合成形运动：一个复合运动可分解为两个或多个直线运动或旋转运动，与简单运动相似，但有本质的区别。组成复合运动的各个部分必须保持严格的相对运动关系，是相互依存，而不是独立的。§3-2机床的运动分析一、成形运动2.表面成形运动（2）复合成形运动例3:用螺纹车刀车削螺纹母线--车刀的刀刃形状与螺纹轴向剖面轮廓的形状一致，故母线由成形法形成，不需要成形运动。导线--螺旋线，由轨迹法形成，需要一个成形运动。这是一个复合运动，把它分解为工件旋转B11和刀具直线移动A12。B11和A12之间必须保持严格的相对运动关系。§3-2机床的运动分析一、成形运动2.表面成形运动（2）复合成形运动例4:用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面母线--渐开线，由展成法形成，需要一个成形运动，是复合运动，可分解为滚刀旋转B11和工件旋转B12两部分，B11和B12之间必须保持严格的相对运动关系。导线--直线，由相切法形成，需要两个独立的成形运动，即滚刀的旋转运动和滚刀沿工件的轴向移动A2。其中滚刀的旋转与复合展成运动的一部分B11重合。因此，形成表面所需的成形运动的总数只有两个：一个是复合运动B11B12；另一个是简单的成形运动A2。§3-2机床的运动分析二、机床传动链为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须有执行件、动力源和传动装置三个基本部分。•执行件：执行运动的部件，如主轴、刀架、工作台等。•动力源：提供动力的装置，如电动机。•传动装置：将运动和动力从动力源传至执行件，并使有关执行件之间保持某种确定的相对运动关系。§3-2机床的运动分析二、机床传动链1.传动链机床上为了得到所需的运动，需要通过一系列的传动件把执行件与动力源（如把主轴和电机），或者把执行件和执行件（例如主轴和刀架）之间联系起来，称为传动联系。构成一个传动联系的一系列顺序排列的传动件，称为传动链。§3-2机床的运动分析二、机床传动链1.传动链根据传动链的性质，可分为如下两种类型：1）外联系传动链联系动力源（如电动机）和执行件（如主轴、刀架、工作台等）之间的传动链，使执行件获得运动（速度和方向）。•保证执行件实现简单运动；•不要求动力源和执行件之间有严格的传动比关系；如：车床上加工外圆电机--主轴；主轴--刀架§3-2机床的运动分析二、机床传动链1.传动链2）内联系传动链当传动链的两个末端件（执行件）之间的相对运动有严格的比例关系要求，该传动链称为内联系传动链。•联系复合运动之内的各个分量，保证执行件实现复合运动；•执行件和执行件之间有严格的传动比关系；•内联系传动链中不得有瞬时传动比发生变化的传动件，如摩擦传动、带传动、链传动等。§3-2机床的运动分析二、机床传动链1.传动链2）内联系传动链•联系复合运动之内的各个分量，保证执行件实现复合运动；•执行件和执行件之间有严格的传动比关系；•内联系传动链中不得有瞬时传动比发生变化的传动件，如摩擦传动、带传动、链传动等。如：车床上加工螺纹主轴--刀架，主轴1转--刀架移动1个导程滚切直齿圆柱齿轮滚刀旋转--工件旋转，滚刀每转1/K转（K滚刀头数）--工件转1/Z转（Z齿轮齿数）§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图通常传动链中的各种传动机构可分为两类：•传动比不变的“定比机构”，如定比齿轮副、齿轮齿条、蜗轮蜗杆等；•可变换传动比的“变比机构”（“换置器官”），如齿轮变速机构、挂轮、数控机床中的数控系统等。为了简单明确地反映机床的传动联系，常用一些简单的符号来表示传动原理和传动路线，这就是传动原理图。§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图在卧式车床传动系统中，由于换置器官位置的不同，有如下图所示的三种传动方案，试写出每种传动方案的内、外联系传动链；从中选出最优方案，并说明理由。§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图§3-2机床的运动分析二、机床传动链2.传动原理图§3-3机床传动系统及典型结构一、传动系统传动系统图是表示机床运动传动关系的综合简图，是传动原理图的具体体现。在图中用简单的符号代表各种传动元件(GB4406-84《机构运动简图符号》），并按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式来表达。图中，通常须注明齿轮及蜗轮的齿数、蜗杆头数、带轮直径、丝杠的螺距和头数、电动机的功率和转速、传动轴的编号等。传动系统图只表示传动关系，不表示各元件的实际尺寸和空间位置。以CA6140型卧式车床为例，进行讨论。一、传动系统传动路线是分析和认识机床的基础，常用的方法是“抓两端，连中间”。1.主运动传动链两末端件：•主电机—主轴1)传动路线传动路线表达式如下：主电动机——三角皮带——轴I——摩擦离合器M1——轴II——轴III——主轴VI。•高速传动路线：轴III--滑移齿轮Z50左位——主轴VI。•中低速传动路线轴III——滑移齿轮Z50右位、M2接合——轴III、IV、V间的背轮机构和齿轮副——主轴VI。1)传动路线传动路线表达式如下：2）主轴的转速级数与转速根据传动系统图和传动路线表达式，主轴正转可获得2×3×(2×2-1)+2×3=24级不同转速。同理，主轴反转12级。主轴的转速可按下列运动平衡式计算：n=1450×(130/230)×uI-II×uII-III×uIII-V2.进给运动传动链（公制螺纹进给传动），两末端件：主轴--刀架2.进给运动传动链（公制螺纹进给传动），两末端件：主轴--刀架传动路线表达式如下。二、典型结构1.主轴箱CA6140车床的主轴箱包括：箱体、主轴部件、传动机构、操纵机构、换向装置、制动装置和润滑装置等。1.主轴箱1)卸荷带轮1.主轴箱2)摩擦离合器、制动器及其操纵机构1.主轴箱2)摩擦离合器、制动器及其操纵机构1.主轴箱2)摩擦离合器、制动器及其操纵机构1.主轴箱3)主轴组件1.主轴箱4)变速操纵机构二、典型结构2.溜板箱溜板箱的功用是：将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给；控制刀架运动的接通、断开和换向；机床过载时控制刀架停止进给；手动操纵刀架移动和实现快速移动。二、典型结构2.溜板箱1)开合螺母二、典型结构2.溜板箱2)纵、横向进给的操纵机构二、典型结构2.溜板箱3)互锁机构二、典型结构2.溜板箱4)超越离合器和安全离合器二、典型结构2.溜板箱4)超越离合器和安全离合器§3-4机床传动设计•主传动设计——外联系传动链，保证输出转速、输出功率的要求。•进给传动设计——内联系传动链，传动精度的要求。本节主要介绍主传动系统的设计方法。机床的主要参数机床的主要参数包括：•尺寸参数——影响机床加工性能的尺寸，如主参数、第二主参数、结构尺寸等；•运动参数——主运动参数（如主轴转速）、进给运动参数（进给量及其数列）；•动力参数——主运动、进给运动、辅助运动的传动功率一、机床主运动参数的确定1.主轴最高转速和最低转速nmax=1000·Vmax/(π·dmin)，r/minnmin=1000·Vmin/(π·dmax)，r/min•Vmax、Vmin典型工序的最大、最小切削速度；•dmax、dmin经济加工的最大和最小直径，不是机床可能加工的最大和最小直径。•普通车床：dmax＝(0.5～0.6)Dmax（床身最大回转直径），dmin＝(0.5～0.6)dmax；•摇臂钻床：dmax＝Dmax，dmin＝(0.5～0.6)dmax。1.主轴最高转速和最低转速nmax=1000·Vmax/(π·dmin)，r/minnmin=1000·Vmin/(π·dmax)，r/min•变速范围：Rn=nmax/nmin2.主轴的转速数列如某变速机构有z级转速，分别是：n1，n2，n3，……，nz。若某一工件的最佳切削速度为v，对应的转速为n，而n又处于两极转速nj、nj+1之间，即：njnnj+1•用高转速nj+1切削，将提高v，降低刀具耐用度；•宜用低转速nj切削，则造成转速损失：n－nj。2.主轴的转速数列相对转速损失：A=(n－nj)/n•通常，每个转速的使用机会相等，则应使Amax为一定值,即：Amax=1-(nj/nj+1)＝常数，或nj/nj+1＝常数＝1/φ。nj+1＝φ·nj•机床转速应按等比数列分级，其公比为φ。当n趋近于nj+1时，最大相对转速损失：Amax=1-(nj/nj+1)2.主轴的转速数列机床转速应按等比数列分级，其公比为φ。nj+1＝φ·nj•变速范围：Rn=nm