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第2章金属切削机床2.1零件表面成形的方法及机床切削成形运动2.1.1零件表面的成形方法各种表面的组合构成了不同的零件形状，所以零件的切削加工归根到底是表面成形问题。组成零件的常见表面有：内、外圆柱面和圆锥面、平面、球面和一些成形表面（如渐开线面、螺纹面和一些特殊的曲面等）。2－1机器零件的组成表面1-渐开线面（左侧），2-渐开线面（右侧），3-外圆柱面（齿顶圆）4-外圆柱面（齿根圆），5-内圆柱面（内孔），6-平面（端面）图2-2由母线相对导线移动形成的几种零件几何表面①轨迹法轨迹法是利用刀具作一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。刀具切削刃与被形成表面可看成是点接触。切削点沿工件宽度方向的运动轨迹即形成母线。机床为用轨迹法形成所需的加工表面提供了一个轨迹运动。②成形法成形法是利用成形刀具对工件进行加工的方法。刀具切削刃本身形成了母线，即发生线的形成不需机床提供运动。③相切法相切法是利用刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工的方法。刀具本身作旋转运动，旋转的切削刃与被成形表面可看作是点接触，当切削刃的旋转中心沿工件宽度方向移动时，切削点运动轨迹与被成形表面间的相切线就形成了母线。刀具同时又沿曲线（导线）横向移动加工出所需的表面。④展成法展成法（又称范成法）是利用刀具和工件作展成切削运动的加工方法。，用展成法形成发生线需要机床提供一个展成运动。图2-3形成发生线的几种方法2.1.2机床切削成形运动机床上形成表面所需的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动，这是机床上最基本的运动。同一种表面，因采用的工艺方法不同，所用的刀具不同，所需机床的成形运动也不同，从而使机床具有不同的结构。表面成形运动（简称成形运动）是保证得到工件要求的表面形状的运动。旋转运动和直线运动是两种最简单的成形运动，因而称为简单成形运动。图2-4车削外圆柱面时的成形运动图2-5加工螺纹时的运动根据切削加工过程所起的作用不同，表面成形运动又可分为主运动和进给运动。(1)主运动主运动是使刀具的切削部分进入工件材料，使被切金属层转变为切屑的运动。在表面成形运动中，必须有而且只能有一个主运动。一般地，主运动消耗的功率较大，速度也较高。（2）进给运动维持切削继续的运动称为进给运动。它配合主运动连续不断地切削工件，同时形成具有所需几何形状的已加工表面。（3）合成切削运动由同时进行的主运动和进给运动合成的向量和称为合成切削运动。合成切削运动的方向即为主运动和进给运动向量和方向，合成切削速度ve即为主运动速度和进给运动速度的向量和。图2-6刀具相对于工件的运动（4）辅助运动除上述的表面成形外，机床上还有在切削加工过程中所必须的其它一些运动，统称为机床的辅助运动。例如车床上的快进、快退运动和插齿机上的让刀运动等。机床的转位、分度、换向以及机床夹具的夹紧与松开等操纵运动也属于辅助运动。维持切削继续的运动称为进给运动。它配合主运动连续不断地切削工件，同时形成具有所需几何形状的已加工表面。成形铣刀铣削螺纹的运动2.2金属切削机床的类型及特点2.2.1机床的分类与型号编制1）机床的技术性能为正确选择和合理使用机床，应了解机床的技术性能。通常机床的技术性能包括：工艺范围、机床的主要技术参数或技术规格、加工精度和表面粗糙度、生产效率和自动化程度、人机关系、成本等。表2-1常用机床的主参数和第二参数序号机床名称主参数第二主参数12345678910111213普通车床立式车床摇臂钻床卧式镗床坐标镗床外圆磨床矩台平面磨床滚齿机龙门铣床升降台铣床龙门刨床牛头刨床卧式拉床床身上工件最大回转直径最大车削直径最大钻孔直径主轴直径工作台工作面宽度最大磨削直径工作台工作面宽度最大工件直径工作台工作面宽度工作台工作面宽度最大刨削宽度最大刨削长度额定拉力工件最大长度最大跨距工作台作面长度最大磨削长度工作台工作面长度最大模数工作台工作面长度工作台工作面长度最大行程2）机床的分类机床的传统分类方法，主要是按机床的加工性质和使用的刀具分类。根据我国制定的机床型号编制方法，目前将机床分为12大类：车床、钻床、镗床、铣床、刨（插）床、拉床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、切断机床、超声波及电加工机床、其它机床。每一大类机床中，按结构、性能、工艺范围、布局形式和结构的不同，还可细分为若干组，每一组又细分为若干系（系列）。3）机床型号的编制方法按1985年国家机械工业部颁布的《金属切削机床型号编制方法》部颁标准（JB1838-85）和1994年国家标准局颁布的《金属切削机床型号编制方法》国家推荐标准（GB/T15375-94），普通机床型号用下列方式表示。（◎）○（○）◎◎（×◎）（○）（/◎）分类代号类别代号通用特性和结构特性代号组别、系别代号主参数或设计序号第二主参数（用×分开）重大改进顺序号同一型号机床的变型代号（用/分开）其中：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“（）”的代号或数字，当无内容时，则不表示。若有内容，则不带括号。类别车床钻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他机床代号CZM2M3MYSXBLDGQ读音车钻磨2磨3磨牙丝铣刨拉电割其表2-2普通机床类别代号表2-3机床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2.2.2机床的传动联系和传动原理图1）机床的传动链机床的基本使命就是：牢固地装夹工件和刀具，并把二者组合在一个统一体中；提供一定的运动和足够的动力；使二者作表面成形运动，并通过切削过程形成所要求的加工表面。为了得到所需要的运动，机床需要通过一系列的传动件把安装刀具和工件的执行件和动源，或者把执行件和执行件连接起来，构成一个传动联系。构成这样一个传动联系的一系列传动件称为传动链。外联系传动链联系动力源和执行件，使执行件得到预定速度的运动，并传递一定的动力。此外，外联系传动链还包括变速机构和换向机构等。外联系传动链的变化只影响生产率或表面粗糙度，不影响发生线的性质。内联系传动链联系复合成形之间的各个运动分量，所联系的执行件之间的相对速度（及相对位移量）有严格的要求，即有严格的传动比要求，以确保运动轨迹正确性。传动链包括各种传动机构，如带传动、定比齿轮副、齿轮齿条副、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副、滑移齿轮变速机构、离合器变速机构、交换齿轮或挂轮架以及各种电的、液压的和机械的无级变速机构、数控机床的数控系统等。上述各种机构又可以分为具有固定传动比的“定比机构”（例如定比齿轮副、齿轮齿条副、丝杠螺母副等）和可变换传动比的“换置机构”（例如齿轮变速箱、挂轮架、各类无级变速机构等）两类。2）传动原理图为便于研究机床的传动联系，常用一些简明的符号把机床的传动原理和传动路线表示出来，这就是传动原理图。图2-8为传动原理图常用的一些符号，其中表示执行件的符号因未统一规定，一般多采用较直观的示意图表示。图2-8绘制机床传动原理图常用的一些示意符号（a）电动机；（b）主轴；（c）车刀；（d）滚刀；（e）直线运动机构（f）换置机构；（g）定比机构；（h）电的联系；（i）脉冲发生器；（j）快速换置机构—数控系统图2-9车削外圆柱面时传动原理图的几种设计方案2.3车床及其传动原理分析2.3.1车床概述车床主要用于加工回转表面及其端面等。主运动是主轴的回转运动，进给运动是刀架的直线移动。车床上使用的刀具主要是车刀，也使用钻头、铰刀、扩孔钻、中心钻等刀具。由于具有回转表面的零件较多，车床的性能又比较广泛，因而车床的应用最为普遍，往往可占机床总台数的20-35%。图2-10是卧式车床所能加工的典型表面。图2-10卧式车床所能加工的典型表面车床按其用途和结构的不同可分为：普通车床、六角车床、立式车床、塔式车床、自动和半自动车床、数控车床等等。普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床总数的60%，其中CA6140卧式车床为目前最为常见的型号之一。为正确选择和合理使用机床，应了解机床的技术性能。通常机床的技术性能包括：工艺范围、机床的主要技术参数或技术规格、加工精度和表面粗糙度、生产效率和自动化程度、人机关系、成本等。图2-11CA6140型普通卧式车床外形1-主轴箱；2-刀架；3-尾座；4-床身；5-右床腿；6-光杠；7-丝杠；8-溜板箱；9-左床腿；10-进给箱；11挂轮变速机构CA6140型普通卧式车床的主要技术性能和参数如下几何参数床身上最大工件回转直径400mm最大工件长度750；1000；1500；2000mm最大车削长度650；900；1400；1900mm刀架上最大工件回转直径210mm主轴内孔直径48mm运动参数主轴转速正转24级10-1400r/min反转12级14-1580r/min进给量纵向进给量64级0.028-6.33mm/r横向进给量64级0.014-3.16mm/r溜板箱及刀架纵向快移速度4m/min车削螺纹范围公制螺纹44种S=1-192mm英制螺纹20种a=2-24扣/in模数螺纹39种m=0.25-48mm径节螺纹37种DP=1-96牙in动力参数主电机功率和转速7.5Kw，1450r/min加工精度精车外圆的圆度0.01mm精车外圆的圆柱度0.01mm/100mm精车端面的平面度0.02mm/300mm精车螺纹的螺距精度0.04m/100mm，0.06mm/300mm精车表面粗糙度可达Ra=1.25-2.5μm（▽6）2.3.2CA6140型车床的传动系统分析CA6140型普通卧式车床在卧式车床中具有典型的代表意义。作为示例，下面以CA6140普通卧式车床为例，分析其传动系统及其换置机构传动比的计算方法。图2-9所示的机床传动原理图仅仅给出了机床主运动和进给运动间最基本的原理和逻辑关系，机床全部运动的传动关系最后要通过机床的传动系统图体现出来。机床的传动系统图通常用简单的规定符号代表各种传动元件，按照运动的先后顺序，以展开图的形式画出来，并尽可能反映各部件的相对位置和机床外形。传动系统图只表示传动关系，并不代表各元件的实际尺寸和空间位置。图2-12为CA6140型普通车床的传动系统图。1）主运动传动链主运动的动源是电动机，执行件是主轴。运动由电动机经三角带轮传动副传至主轴箱中的轴I。轴I上装有一个双向多片摩擦离合器M1，离合器左半部接合时，主轴正转；右半部接合时，主轴反转；左右都不接合时，轴I空转，主轴停止转动。轴Ⅰ运动经M1→轴Ⅱ→轴Ⅲ，然后分成两条路线传给主轴：当主轴Ⅵ上的滑移齿轮Z50移至左边位置时，运动从轴Ⅲ经齿轮副直接传给主轴，使主轴得到高转速；当滑移齿轮Z50向右移，使齿轮式离合器M1接合时，则运动经轴Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ传给主轴Ⅵ，使主轴获得中、低转速。主运动传动路线表达如下：（主轴）（右，反转）（左，正转）电动机VIMVIVIIIIIVIIMMI211505180205050802050635822503041393034345043513856230130正转时，Ⅱ轴上的双联滑移齿轮可有两种啮合位置，分别经56/38或51/43使轴Ⅱ获得两种速度。其中的每种转速经轴Ⅱ的三联滑移齿轮39/41或22/58或30/50的齿轮啮合，使轴Ⅲ获得三种转速，因此轴Ⅱ的两种转速可使轴Ⅲ获得2×3=6种转速。经高速分支传动路线时，由齿轮副63/50使主轴获得6种高转速。经低速分支传动路线时，轴Ⅲ的6种转速经轴Ⅳ上的两对双联滑移齿轮，使主轴得到6×2×2=24种转速。图2-12CA6140型普通车床传动系统图2）进给运动传动链车床进给运动传动链是实现刀具纵向或横向移动的传动链。卧式车床在切削螺纹时，进给传动链是内联系传动链。主轴每转1转，刀架的位移量应等于螺纹的导程。在切削外圆柱面和端面时，进给传动链是外联系传动链，进给量也以工件每转刀架的位移量