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机械制造基础第8章机械零件表面加工机械零件尽管种类繁多，其结构复杂程度不一，但其表面形状不外乎是几种基本形状的表面：平面、圆柱面、圆锥面以及各种成形面。当零件精度和表面质量要求较高时，需要在机床上使用切削刀具或磨具切除多余材料，以获取几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件，由于各种机械零件形状、尺寸和表面质量的不同，其切削加工方法和切削加工设备也就各不相同。8.1金属切削机床的基础知识8.1.1机床的分类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一种机器，人们习惯上称为机床。由于切削加工仍是机械制造过程中获取具有一定尺寸、形状和精度的零件的主要加工方法，所以机床是机械制造系统中最重要的组成部分，它为加工过程提供刀具与工件之间的相对位置和相对运动，为改变工件形状、质量提供能量。目前金属切削机床的品种和规格繁多，为便于区别、使用和管理，需对机床进行分类。车床钻床镗床磨床齿轮加工机床螺纹加工机床铣床刨床拉床锯床其它机床•按通用程度分：通用、专门化、专用机床•按加工精度分：普通、精密、高精度机床•按自动化程度：手动、机动、半自动、自动机床•按机床质量分：仪表、中型、大型、重型机床•根据国家标准GB/T15375-2008，按加工性质和所用刀具的不同，机床可分为11大类：此外，机床还可以按主要工作器官的数目进行分类，如：单刀机床、多刀机床、单轴机床、多轴机床等。目前，机床正在向数控化方向发展，而且其功能也在不断增加。8.1.2机床型号的编制方法根据GB/T15375-2008《金属切削机床型号编制方法》规定，我国的机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成，适用于各类通用机床和专用机床（组合机床除外）。•有“（）”的代号或数字，当无内容时，则不表示，有内容时，则不带括号。•有“○”符号者，为大写的汉语拼音字母。•有“△”符号者，为阿拉伯数字。•有“△”符号者，为大写的汉语拼音字母、或阿拉伯数字、或两者兼有之。（1）通用机床型号的编制方法1）机床的类代号用大写的汉语拼音字母表示，并按相应的汉字字意读音。当需要时，每类又可分为若干分类，分类代号用阿拉伯数字表示，放在类代号之前，但第一分类不予表示。机床的类代号、分类代号及其读音见下表。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床拉床锯床其它机床代号CZTM2M3MYSXBLGQ读音车钻镗磨2磨3磨牙丝铣刨拉割其2）机床的通用特性和结构特性代号通用特性代号位于类代号之后，用大写汉语拼音字母表示。通用特性代号通用特性代号高精度G自动换刀H精密M仿形F自动Z万能W半自动B轻型Q数字程序控制K简式J•当某种类型机床除有普通型外，还有某种通用特性时，则在类代号之后加上相应特性代号。如：“CK”表示数控车床；如果同时具有两种通用特性时，则可按重要程度排列，用两个代号表示，如“MBG”表示半自动高精度磨床。•对于主参数相同，而结构、性能不同的机床，在型号种用结构特性区分。结构特性代号在型号无统一含义，它只是在同类型机床中起区分结构、性能不同的作用。当机床具有通用特性代号时，结构特性代号位于通用特性代号之后，用大写汉语拼音字母表示。如：CA6140中的“A”和CY6140中的“Y”，均为结构特性代号，它们分别表示为沈阳第一机床厂和云南机床厂生产的基本型号的卧式车床。3）机床的组别、系别代号组、系代号用两位阿拉伯数字表示，前一位表示组别，后一位表示系别。每类机床按其结构性能及使用范围划分为用数字0～9表示的10个组。在同一组机床中，又按主参数相同、主要结构及布局型式相同划分为用数字0～9表示的10个系（组别、系别划分请查阅其它资料）。4）机床主参数、设计顺序号及第二主参数•机床主参数是表示机床规格大小的一种尺寸参数。在机床型号中，用阿拉伯数字给出主参数的折算值，位于机床组、系代号之后。折算系数一般是1/10或1/100，也有少数是1。•某些通用机床,当无法用一个主参数表示时，则用设计顺序号来表示。•第二主参数是对主参数的补充,如最大工件长度、最大跨距、工作台工作面长度等，第二主参数一般不予给出。例如，CA6140型卧式机床中主参数的折算值为40（折算系数是1/10），其主参数表示在床身导轨面上能车削工件的最大回转直径为400mm。各类主要机床的主参数和折算系数机床主参数名称折算系数卧式车床床身上最大回转直径1/10立式车床最大车削直径1/100摇臂钻床最大钻孔直径1/1卧式镗床镗轴直径1/10坐标镗床工作台面宽度1/10外圆磨床最大磨削直径1/10内圆磨床最大磨削孔径1/10矩台平面磨床工作台面宽度1/10齿轮加工机床最大工件直径1/10龙门铣床工作台面宽度1/100升降台铣床工作台面宽度1/10龙门刨床最大刨削宽度1/100插床及牛头刨床最大插削及刨削长度1/10拉床额定拉力(吨)1/15）机床的最大改进顺序号当机床的性能及结构有重大改进，并按新产品重新设计、试制和鉴定时，在原机床型号尾部加重大改进顺序号，即汉语拼音字母A、B、C……。6）其它特性代号与企业代号其它特性代号用以反映各类机床的特性，如对数控机床，可用来反映不同的数控系统；对于一般机床可用以反映同一型号机床的变型等。其它特性代号可用汉语拼音字母或阿拉伯数字或二者的组合来表示。企业代号与其它特性代号表示方法相同，位于机床型号尾部，用“—”与其它特性代号分开，读作“至”。若机床型号中无其它特性代号，仅有企业代号时，则不加“—”，企业代号直接写在“/”后面。根据通用机床型号编制方法，举例如下：—高精度万能外圆磨床M——类别代号（磨床类）G——通用特性（高精度）1——组别代号（外圆磨床组）4——系别代号（万能外圆磨床系）32——主参数（最大磨削直径320mm）A——重大改进顺序号（第一次重大改进）MG1432A（2）专用机床型号的编制方法设计单位代号设计顺序号设计单位代号同通用机床型号中的企业代号。设计顺序号按各单位设计制造专用机床的先后顺序排列。•例如，B1-015：表示北京第一机床厂设计制造的第15种专用机床。8.1.3零件表面的切削加工成形方法和机床的运动（1）零件表面的切削加工成形方法在切削加工过程中，机床上的刀具和工件按一定的规律作相对运动，通过刀具对工件毛坯的切削作用，切除毛坯上多余金属，从而得到所要求的零件表面形状。机械零件的任何表面都可以看作是一条线（称为母线）沿另一条线（称为导线）运动的轨迹。•母线和导线统称为发生线。切削加工中发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的。•一般情况下，由切削刃本身或与工件相对运动配合形成一条发生线（一般是母线），而另一条发生线则完全是由刀具和工件之间的相对运动得到的。刀具和工件之间的相对运动都是由机床来提供。（2）机床的运动机床在加工过程中，必须形成一定形状的发生线（母线和导线），才能获取所需的工件表面形状。因此，机床必须完成一定的运动，这种运动称为表面成形运动。此外，还有多种辅助运动。1）表面成形运动按其组成情况不同，可分为简单成形运动和复合成形运动二种。•如果一个独立的成形运动是单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。例如，用车刀车削外圆柱时属于简单成形运动。•如果一个独立的成形运动，是由两个以上的旋转运动或（和）直线运动，按某种确定的运动关系组合而成，则此成形运动称为复合成形运动。例如，用螺纹车刀车削螺纹表面；用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮。•成形运动中各单元运动根据其在切削中所起的作用不同，又可为主运动和进给运动2）辅助运动机床在加工过程中还需一系列辅助运动，其功能是实现机床的各种辅助动作，为表面成形运动创造条件。•如进给运动前后的快进和快退；•调整刀具和工件之间正确相对位置的调位运动；•切入运动；•分度运动；•工件夹紧、松开等操纵控制运动。8.1.4机床传动的基本组成和传动原理图（1）机床传动的基本组成部分机床的传动必须具备以下的三个基本部分：•运动源：为执行件提供动力和运动的装置。通常为电动机，如交流异步电动机、直流电动机、直流和交流伺服电动机、步进电动机、交流变频调速电动机等。•传动件：传递动力和运动的零件。如齿轮、链轮、带轮、丝杠、螺母等，除机械传动外，还有液压传动和电气传动元件等。•执行件：夹持刀具或工件执行运动的部件。常用执行件有主轴、刀架、工作台等，是传递运动的末端件。（2）机床的传动链为了在机床上得到所需要的运动，必须通过一系列的传动件把运动源和执行件，或把执行件与执行件联系起来，以构成传动联系。构成一个传动联系的一系列传动件，称之传动链。根据传动链的性质，传动链可分为两类：•外联系传动链；联系运动源与执行件的传动链，称为外联系传动链。它的作用是使执行件得到予定速度的运动，并传递一定的动力。此外，还起执行件变速、换向等作用。如卧式车床中，从主电动机到主轴之间的传动链，就是典型的外联系传动链。•内联系传动链：联系两个执行件，以形成复合成形运动的传动链，称为内联系传动链。它的作用是保证两个末端件之间的相对速度或相对位移保持严格的比例关系，以保证被加工表面的性质。如滚齿机的范成运动传动链也属于内联系传动链。（3）机床传动原理图在机床的运动分析中，为了便于分析机床运动和传动联系，常用一些简明的符号来表示运动源与执行件、执行件与执行件之间的传动联系，这就是传动原理图传动原理常使用的部分符号传动原理图表示了机床传动的最基本特征。因此，用它来分析、研究机床运动时，最容易找出两种不同类型机床的最根本区别，对于同一类型机床来说，不管它们具体结构有何明显的差异，它们的传动原理图却是完全相同的。卧式车床传动原理图8.1.5机床传动系统图和运动计算（1）机床传动系统图机床的传动系统图是表示机床全部运动传动关系的示意图。•它比传动原理图更准确、更清楚、更全面地反映了机床的传动关系。在图中用简单的规定符号代表各种传动元件；•机床的传动系统画在一个能反映机床外形和各主要部件相互位置的投影面上，并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内。图中的各传动元件是按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式画出来的。该图只表示传动关系，并不代表各传动元件的实际尺寸和空间位置。（2）运动计算机床运动计算通常有两种情况：•根据传动路线表达式提供的有关数据，确定某些执行件的运动速度或位移量；•根据执行件所需的运动速度、位移量，或有关执行件之间需要保持的运动关系，确定相应传动链中换置机构的传动比，以便进行调整。8.2外圆表面加工8.2.1外圆表面的加工方法轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件。外圆表面常用的机械加工方法有车削、磨削和各种光整加工方法。•车削加工是外圆表面最经济有效的加工方法，但就其经济精度来说，一般适于作为外圆表面粗加工和半进精加工方法；•磨削加工是外圆表面主要精加工方法，特别适用于各种高硬度和淬火后零件的精加工；•光整加工是精加工之后进行的超精密加工方法（如滚压、抛光、研磨等），适用于某些精度和表面质量要求很高的零件。由于各种加工方法所能达到的经济加工精度、表面粗糙度、生产率和生产成本各不相同，因此必须根据具体情况，选用合理的加工方法，从而加工出满足零件图纸上要求的合格零件。下表为外圆表面各种加工方案和经济加工精度。序号加工方法经济精度(公差等级)经济粗糙度Ra值/μm使用范围1粗车IT13～IT1150～12.5适用于淬火钢以2粗车-半精车IT10～IT86.3～3.2外的其它金属3粗车-半精车-精车IT8～IT71.6～0.84粗车-半精车-精车-滚压IT8～IT70.2～0.02555粗车-半精车-磨削IT8～IT70.8～0.4主要用于淬火钢,6粗车-半精车-粗磨-精磨IT7～IT60.4～0.1也可用于未淬火钢,7粗车-半精车-粗磨-精磨-超精加工(或轮式超精磨)IT50.1～0.012(或Rz0.1)但不适用于有色金属。8粗车-半精车-精车-精细车(金刚车)T7～IT60.4～0.025用于有色金属9粗车-半精车-粗磨-精磨-超精磨(或镜面磨)IT5以上0.025～0.006(或Rz0.1)极高精度的外圆加10粗车-半精车-粗磨