第二章机械制造技术基础

第二章机械制造技术基础机械产品的制造环境主要靠制造装备构成，制造装备在产品零件的制造中起着不同的作用，从不同的角度支撑和促进机械制造技术的发展，因此，制造装备对制造过程的作用、特点及其应用也成为机械制造技术的基础组成。第一节机床运动与传动机床为制造过程提供必要的静态环境和动态环境，动态环境由机床运动提供，它直接决定了刀具与工件的瞬时位置关系，从而保证工件表面形状的获得，因此，零件表面形状不同，机床所提供的运动应不同。一、机床运动与切削用量1、机床运动为获得所需的工件表面形状，机床需完成表面成型运动，为提高加工效率和控制工件尺寸等，机床还需提供相应的辅助运动。（1）表面成形运动当加工方法和刀具结构不同时，形成某种加工表面所需的机床成形运动的形式和数目便不同，运动组合形式及表面成形运动对加工的作用亦不同。按运动的性质或运动组合形式分，机床运动有简单成形运动（简称简单运动）和复合成形运动（简称复合运动）。①简单运动指独立的成形运动（不可分解的单元运动），如单独的旋转运动或直线运动，车床主轴带动工件的旋转运动，刨床上刀具的直线运动均为简单运动。②复合运动指由两个或两个以上简单运动按一定的运动关系合成的成形运动，车螺纹时的螺旋运动由旋转、直线运动合成而得，齿轮加工中，工件的旋转由分齿运动（旋转）和展成运动（旋转）合成而得，它们均为复合运动。复合运动中分解的单元运动彼此不可独立并必须保持严格运动关系（定传动比）。成形运动根据其在加工中所起的作用的不同，又可分为主运动和进给运动。①主运动指切除工件上切削层，使之转变为切屑最基本的运动。一般主运动的速度最高，消耗功率最大。各常规加工方法中，机床的主运动只有一个。如铣床主轴带动铣刀的旋转，磨床主轴带动砂轮的旋转等。②进给运动不断将切削层金属投入切削，形成完整加工表面的运动。不同加工方法中进给运动可以有一个或几个，也可以没有。根据运动方向的不同，进给运动有纵向进给、横向进给、径向进给、切向进给等多种。如车床上刀架的移动，铣床上工作台的移动，均为进给运动。孔的珩磨加工中，没有进给运动。2、辅助运动为完成机床工作循环，一般有如下辅助运动。①空行程运动刀架、工作台的快速接近和退出工件等，可缩短辅助时间。②切入运动为使加工表面获得所需尺寸，刀具相对于工件表面的切入运动。③分度运动使刀具或工件回转所需角度（或移动所需距离）的运动。一般在加工若干个完全相同沿圆周分布的表面使用。④操纵与控制运动包括机床的启动、停止、变速、换向，以及部件与工件的夹紧、松开、转位等。3.切削用量（1）切削中工件的表面加工中，随刀具与工件的相对运动，工件上切削层金属被切下而形成切削，同时原工件上表面不断被形成的新表面所取代，运动中不断变化着的工件表面形成为已加工表面、待加工表面、过渡表面，如图2-1所示。图2-1加工中的工件表面①已加工表面切削后形成的新工件表面。②待加工表面工件上将要被切除的表面。③过渡表面加工中，刀刃正在切削的工件表面，亦是在不断变化的表面。（2）切削用量加工的结果为形成合格的已加工表面，已加工表面是否合格，取决于切削运动的适量。切削用量则是表达切削运动大小的量。加工中，随着工件材料、工件结构、加工精度、刀具材料及其它技术、经济要求的不同，围绕形成合格加工表面这一核心，所需的切削运动的大小即切削用量不同。因此，切削用量设置的合理与否将直接影响加工结果。①切削速度Vc指主运动的线速度，单位m/min（磨削为m/s）。当主运动为回转运动时，切削速度为回转体（刀具或工件）上某一点的线速度。计算时取刀具（或工件）最外缘点的线速度，即最大切削速度。车外圆时，计算待加工表面速度，钻孔时计算钻头外径速度。当主运动为直线运动时，切削速度为刀具相对于工件的直线运动速度。②进给量f指刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，mm/r或mm/行程。对于车外圆，f为工件转一圈，刀具沿工件轴向移动的距离，mm/r；对于刨平面，f为刀具每行程沿工件横向移动的距离，mm/行程；对于铰削、铣削，f为刀具每转一转沿工件进给方向的移动量，mm/r，由于它们为多齿刀具，因此，还应有每齿进给量fz，即刀具在一转或一次行程中，每个刀齿相对工件在进给方向上的位移量，mm/齿。有时进给运动的大小还用进给速度Vf来表示。进给速度Vf指刀具上选定点相对于工件的瞬时进给速度，mm/min。③背吃刀量ap指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，mm。二、机床传动1、机床传动的基本概念为实现加工中所需的运动，机床必须具备三个基本部分：执行件、动力源和传动装置。（1）执行件指执行件运动的部件，其作用是带动工件或刀具完成旋转或直线运动，并具备一定的运动速度与精度。如主轴、刀架、工作台等。（2）动力源指为执行件提供运动和动力的装置，如直流电动机，步进电机、交流电动机、交流异步电动机等。（3）传动装置指传递运动和动力的装置，其作用是将动力源的运动传递给执行件或完成执行件间的运动传递，并使之保持确定的运动关系。通过运动传递，传动装置还可实现运动性质、方向和速度的变换，一般又以变速为主。传动装置需要由一系列的传动件组成，传动件之间的连接也就构成传动联系，最终实现所需运动。这种由传动件构成的传动联系称为传动链。（4）传动链围绕一个机床运动，构成传动联系的一系列传动件。传动链中常有两类传动机构：传动比与传动方向均不变的定比传动机构，如定比齿轮副、蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副等；传动比与传动方向随加工要求变换的换置机构，如滑移齿轮变速机构、离合器变速机构及挂轮机构等。传动链可分为内、外联系传动链两种。（5）外联系传动链指联系动力源和执行件的传动链，一般实现简单运动。它只使得执行件获得一定的速度和动力，且不要求与动力源间保持严格运动关系。因此，其传动精度不影响表面形状的成型。（6）内联系传动链指联系执行件间的传动链（一般实现复合运动）。执行件之间需保持严格的运动关系，传动比不变，其传动精度将直接影响零件表面形成的精度。因此，内联系传动链中不允许有传动比不定或由摩擦传动的传动件（如带传动等）。卧式车床的车螺纹传动链便是内联系传动链，它联系主轴与刀架间运动关系，若传动比不准，将直接导致所加工螺纹的螺距误差。机床上所有的传动关系构成机床的传动部分，称为传动系统。（7）传动系统指机床内所有传动链和它们之间的相互联系。它是机床的重要组成之一，也是选择机床时需要认识、了解的内容之一。2、机床变速传动机构机床变速传动机构是构成机床传动系统使其实现变速的主要组成，普通机床传动系统中有多种基本变速传动机构。（1）塔轮变速传动机构（塔轮变速传动机构动画）图2-2为三对不同直径的皮带轮构成的塔轮变速传动机构。当皮带在塔轮上移换三个不同位置时，可获得三种不同的传动比。该机构结构简单，传动平稳，可过载保护，但尺寸大，变速时操作不便。它的变速级数一般为2～3级，目前主要用于高速机床、小型机床等。图2-2塔轮变速传动机构1，3－带轮；2－皮带（2）滑移齿轮变速传动机构（滑移齿轮变速传动机构动画）通过变换与轴为键连接的齿轮位置，与不同齿数的齿轮啮合，便可得到不同传动比，达到变速目的。图2-3中，a为双联滑移齿轮变速机构，两轴间得到两个不同的传动比；b为三联滑移齿轮变速机构，获得三个传动比。滑移齿轮块有整体式结构（数个齿轮构成一体）和拼装式结构（单独的齿轮拼装成块）两种。一般滑移齿轮变速机构实现2～3级变速，若想获得四个传动比，为方便于滑移齿轮的制造，往往将齿轮块分为两组实现，如图2-3c所示。但要注意保证两组齿轮块不能同时进入啮合状态，故同时还应有相应的互锁机构。图2—3滑移齿轮变速机构（3）离合器变速传动机构（离合器动画1）（离合器动画2）（离合器动画3）离合器是使同轴线的两轴或轴与该轴上空套传动件（如齿轮、皮带轮等）按工作需要随时接通或分离，实现机床启动、变速、换向及过载保护的构件。离合器有很多种，机床传动中常用的有啮合式、摩擦式、超越式离合器和安全离合器。图2-4为啮合式离合器，它由两个半离合器组成，利用两个半离合器的齿爪啮合传递运动和扭矩。其中a图为牙嵌式离合器，与齿轮一体的左半离合器空套于轴上，右端的齿爪（结构如图b）与和轴用花键（或滑键）连接着的右半离合器左端的齿爪相啮合，接通运动。图c、d为内齿式离合器，当和轴用键连接着的外齿轮移入右边空套于轴上的内齿轮与之啮合时，运动接通。啮合式离合器结构简单、紧凑、结合可靠、传动比准确；但不易在运动时啮合。图2-4啮合式离合器1－左半离合器；2－右半离合器；3－滑链；4，5－轴图2-5为多片式摩擦离合器。它利用相互压紧的摩擦片所产生的摩擦力传递运动和扭矩。摩擦片分外片（图c）和内片（图d），外片上凸齿插入空套于轴上传动件的槽中，与之相连；内片以花键孔与轴向花键配合，与轴相连。内、外片被压紧，轴向传动件运动接通。离合器中的摩擦件还可采用锥式或单片式。图2—5多片摩檫式离合器1—轴；2—齿轮套筒；3—垫片；4—外摩檫片；5—内摩檫片；6—螺母套；7—压套套；8—钢球；9—滑套；10—楔块；11—弹簧销离合器变速传动机构由离合器和齿轮组成，利用离合器的离、合而获得不同的传动比，如图2-6所示。a图可获得两个传动比；b图获得四个传动比；c图获得两个传动比。离合器变速机构可在运动中实现变速，变速方便；但齿轮始终处于啮合状态、易磨损、传动效率不高、结构也较复杂、尺寸大。图2—6离合器变速传动机构（4）配换齿轮变速机构通过传动齿轮对的更换获得不同传动比，达到变速目的（亦称挂轮机构）。图2-7为配换齿轮（挂轮）变速机构。其中a图为一对配换齿轮变速机构，更换齿A和B，便有不同的A/B；b图采用了两对配换齿轮，又称复式挂轮机构，通过更换a、b、c、d（比更换一对齿轮更易获得较多且较准确的传动比）达到变速目的。配换齿轮变速机构结构简单、紧凑，采用较少齿轮可获得较多的传动比（主从齿轮位置还可对调）。但变速麻烦，调整费时。图2—7配换齿轮变速机构1—螺钉；2—垫片；3、4—衬套；5—轴；6—螺钉；7—挂轮架3、机床换向机构机床的运动部件工作时，经常需要改变运动方向（如主轴正、反转，刀架和工作台的进与退等）。因此，在机床传动系统中应有换向机构。机床的换向机构有机械、液压、电气三种。图2-8为常用的机械式换向机构，其实现换向的方式一般有如下三种：（1）皮带式换向机构通过皮带的交叉安装获得相应的运动方向，如图a所示。（2）圆柱齿轮换向机构通过改变齿轮啮合次数或对数改变运动方向，如图b、c、d所示。（3）锥齿轮换向机构通过锥齿轮相对安装，使两侧获得不同的运动方向，如图e、f所示。图2—8机械式换向机构1—转臂；2—手柄液压换向一般利用换向阀切换油缸或油马达的油路来实现换向；电气换向则是利用电气线路直接改变电动机的运动方向来实现换向。4、机床传动系统机床传动系统的主要任务是负责机床所需运动、动力的传递，并在传递中实现运动速度、方向及性质的变换，且以变速为主。机床变速有有级变速和无级变速两种，对精密机床及数控机床则会采用无级变速（即一定范围内速度变化连续并可调至所需任意速度），而生产中大多数的通用机床则采用有级变速（只获得有限级数运动，且速度变换不连续方式）。因此，通用机床的传动系统内有较多的变速机构、换向机构及可变换运动性质的传动机构（常用的有齿轮、齿条传动机构和丝杆螺母传动机构）。为清楚表达这些机构间的传动关系，了解机床运动的传递，生产中一般用机床传动系统图加以描述。机床传动系统图是由规定的图形符号代表真实机床传动系统中各传动件而绘成的机床各传动链的综合简图。它是一张展开于机床对应轮廓内的平面图，并按传动先后排序。对因展开而失去联系的传动用大括号、点划线或虚线连接以表达传动联系。图中各传动件不代表实际尺寸和空间位置，只代表传动关系。读懂机床传动系统图，对了解机床性能、适应范围、进行各种调整计算非常有利，是用好机床的关键。读图时可注意下列问题：（1）实现机床运动共有几条传动链；（2）对传动链逐条认识；（3）每条传动链均采用“抓两头、连中间”的方法进行分析。“抓两头”是指确认传动链的首末件；