机械制造装备设计讲义DOC.docx
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机械制造装备设计讲义DOC
讲义
教研室 机械制造技术
课程名称 机械制造装备设计
主讲教师 焦海坤
职称职务助教
使用教材 金属切削机床
第一章绪论
一、切削金属机床概述
1.什么是金属切削机床
1是指用切削方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，使之获得所要求的几何形状、尺寸加工精度和表面质量（切削方法最易实现三要求）的机器。
附注：
加工工件的方法：
锻造、铸造、冲压、焊接、切削加工、特种加工。
2它是制造机器的机器，制造本身，故又称为“工作母机”或“工具机”（Machine-tool），习惯上简称为“机床”。
附注：
金属切削机床上是主要加工机器零件的设备，承担总制造工作量占40%—60%，影响工业产品的最终质量和劳动生产率。
尤其加工精密零件，它的先进程度直接影响到机器制造工业的产品质量和劳动生产率。
它的品种质量、加工效率直接影响其他机器产品的技术水平和经济效益。
2.金属切削机床的地位和作用
①经济地位：
为工业、农业、交通运输业、高技术产业等部门提供各种机器、仪器、工具、设备。
②战略地位：
满足现代国防装备，如舰艇、飞机、卫星、飞船装置的高技术、高加工制造精度要求。
所以，金属切削机床在国民经济和国防建设中占有极其重要的地位。
附注：
机械制造工业是国民经济各部门和军工生产赖以发展的基础，而机床工业则是机械制造工业的基础。
一个国家生产力质量、科技水平、品种、产量以及机床的拥有量是衡量整个工业生产水平的重要标志。
二、机床发展概况
原始时代：
1.公元前2000多年前，机床雏形，依靠人力的双手反复运动在长木料上钻孔。
人既是机床的操作者也是机床的动力提供者。
2.当加工对象由木材逐渐过渡到金属，采用水力、风力、畜力等驱动的机床以增加动力进行车圆、钻孔加工。
机械时代：
1.十八世纪第一次工业革命，蒸汽机的新动力使技术发生革命变革，产生专业分工，衍生各种机床，有原始的钻和车销衍化出铣削、磨削、齿轮加工等不同工艺机床。
附注：
1774年，英国人威尔金森发明机密的炮筒镗床，生产出汽缸，镗销缸体的内孔精度达1mm，满足瓦特发明蒸汽机的要求。
2.十九世纪末，采用电动机天轴—传动带集中传动，性能很低。
附注：
靠蒸汽机驱动的机床，蒸汽机的体积大，一台蒸汽机不能只带一台机床，蒸汽机带到天轴，天轴通过皮带传动把动力系统分配给各个机床。
图为奔驰汽车最早车间加工模型，世界第一台汽车、飞机、火车在这种机床厂加工出来，经营模式由过去的作坊式单件生产，层次简单转化为工厂组织大规模多类型件生产。
3.二十世纪初，第二次产业革命，发电机和电动机的发明，电气时代，电机做为动力源完全代替人力为机床提供动力，机床采用单独驱动一台机床；齿轮变速箱的出现，是机床的结构和性能发生根本变化。
人只需操纵机床。
生产力不在受人体力限制。
附注：
1779年，英国莫兹力英国机床之父，创造车床由丝杠带动刀架实现机动进给，使机床发生一次重大变革。
图5龙门刨床，图6，美国人发明了卧式铣床，图7磨床，图8齿轮加工机床
由于汽车、轴承大量生产的需要，研制出各种自动机床，图11仿形车床，组合机床。
机电时代：
二十世纪中期
电子技术和计算机技术迅猛发展，机床驱动方式和控制系统、结构等方面反生显著变化。
附注：
1952年，美国研制出第一台数控机床，人不仅不需要提供动力，连操纵都由机器直接控制。
成为机床的发展主流，①程序循环（采用调速电机）加工，适应灵活多变的产品，进行中、小批量生产自动化；②封闭防护罩，阻止铁屑和冷却液飞溅伤人，通过大流量的切削液喷射冷却，实现高速切削（主轴转速达到75000r/min），提高生产率。
③屏幕模拟加工，直至模拟的程序加工的产品合格后，进行生产，大大降低废品生产率。
④简化机构。
⑤加工精度日本0.01微米，圆度误差0.03微米。
现代加工中心工作台定位精度全程1.5微米，转台精度为万分之一度。
每10年提高一个量级。
1958年，第一台自动化换刀加工中心，工件一次装恰实现铣、镗、钻、绞多工序加工。
节省辅助加工时间。
①C轴功能，在数控机床的基础上转塔刀架装上自动驱动旋转刀具，出现车削中心。
②多工序复合加工技术：
比如车铣复合，加齿轮加工和磨削功能。
磨床多轴化，完成内圆、外圆、端面磨削复合。
欧洲综合螺纹和花键磨削复合。
③机床内加工一体化、工件识别、适应控制等模块。
通过互联网实现智能化、模块化、复合化。
④并联机床，21世纪的机床革命。
三、我国机床发展状况
50年代的“苏联一边倒”
60-70年代的自力更生
80年代以后，全方位引进和研发
附注：
其中数控及其它高新技术产品达1500种，覆盖超重型、高精度、纳米级超精度、特种加工、五轴联动数控机床等前沿高科技领域。
清华大学电机系和机械系十多位老师组成攻关小组，协同设计，平均25岁。
附注：
我国经历这十几年的跌宕起伏由成长期进入成熟期。
图1，我国生产超重型立式工作台，水力，电力，关键部件核电部门，水轮机组工件直径大，立式机床加工零件的直径达16米，三峡水电站，550吨重重型水轮机转轮加工设备。
图2，卧式数控车床，重型机床，加工工件直径4.5m，工件250吨，误差精度7微米，机床需要重载启动技术，导轨利用静压导轨无间隙技术，三峡水电站关键作用。
图3北京机床研究所研制纳米级精度机床，标志我国精密机床一个新的高度为我国航空、航天、天文、电子、激光提高精度，采用当今最先进的技术，数控伺服系统，精度制造技术，成功解决高精度导轨技术，主轴制造技术，气浮制造技术，测量技术，温度振动技术，反馈达到2.5纳米，机械进给量5纳米。
与一般机床比传动系统刚度，动静摩擦系数不同。
图6五轴联动机床，控制系统国家自主研制，2001年举办国际机床博览会，德国企业审批没有通过禁止向中国出售东芝事件。
四、金属切削机床的分类
附注：
机床种类3500种，随着生产发展，工艺不断革新，切削品种不断增加，便于生产管理使用，进行科学分类，按加工性质和使用刀具不同分12种。
1.按机床的加工性能和结构特点分类：
我国机床分为12大类：
车床（C）、钻床（Z）、镗床（T）、铣床（X）、拉床（L）、磨床（M）、刨插床（B）、齿轮加工机床（Y）、螺纹加工机床（S）、特种加工机床（D）、锯床（G）和其他机床（Q）。
这是主要的机床分类方法。
2.按机床的通用程度分类：
1）通用机床（万能机床）：
加工一定尺寸范围的各种不同零件的工序；普车，摇钻。
特点：
加工范围较广，结构比较复杂，主要适用于单件小批生产。
2）专门化机床：
专门化机床阶于通用机床和专用机床之间，加工工艺范围较窄。
用于形状相似，尺寸不同的工件的特定表面，按特定的工序进行加工。
只能用工某一类零件（或少数几类）零件的某一道（或少数几道）特定工序加工；丝杠机床（螺纹），凸轮轴车床，发动机的曲轴车床，螺旋浆铣床
特点：
介于通用机床和专用机床之间，既有加工尺寸的通用性，又有加工工序的专用性，生产率较高，适用于成批生产。
3）专用机床（又称专能机床）：
加工某一种零件的某一道特定工序而设计制造的。
特点：
加工工艺范围最窄，加工对象固定。
生产率较高，结构比通用机床简单，适用于大批量生产。
（组合机床实际上也是专用机床）
附注：
专门化机床和专用机床的区别是专门化机床加工形状相似而尺寸不同工件的特定工序的加工，专用机床用于特定工件的某工序加工的机床。
3.按机床的精度分类：
普通（精度）机床、精密机床和高精度机床（超精密级机床）。
4.按机床重量不同分类：
1）仪表机床；
2）中型机床（一般机床）；
3）大型机床（大约10吨）；
4）重型机床（大于30吨）；
5）超重型机床（大于100吨）。
5.自动化程度分：
手动、机动、半自动及自动机床
四、金属切削机床型号的编制方法
机床的型号是机床产品的代号，用以表明机床的类型，通用和结构特性，主要技术参数等。
GB/T15375-94《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
1.通用机床和专门化机床型号
通用机床型号的表示方法为：
（1）机床的类别代号用大写汉语拼音字母表示，位于型号之前。
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
锯床
其他机床
代号
C
Z
T
M
2M
3M
Y
S
X
B
L
G
Q
读音
车
钻
镗
磨
二磨
三磨
牙
丝
铣
刨
拉
割
其
（2）机床的特性代号表示机床所具有的特殊性能
①通用特性CK表示数控车床；MBG表示高精密半自动磨床（多个代号，按重要程度排列）
通用特性
高精度
精密
自动
半自动
数控
加工中心
（自动换刀）
彷型
轻型
加重型
简式或经济型
柔性加工单元
数显
高速
代号
G
M
Z
B
K
H
F
Q
C
J
R
X
S
读音
高
密
自
半
控
换
彷
轻
重
简
柔
显
速
②结构特性代号区分同类机床（主参数相同）结构和性能
例如，CA6140型普通车床型号中的“A”，可理解为：
CA6140型普通车床在结构上区别于C6140型普通车床。
（3）机床的组别，系别代号
用两位数字表示，前者组，后者系。
每类机床划分10组，每组分10系。
组划分原则：
在同一类机床中，主要布局或使用范围基本相同；
系划分原则：
在同一组机床中，主参数相同、并按一定公比排列，工件和刀具相对运动特点相同，基本结构及布局型式相同。
组别
类别
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
车床C
仪表车床
单轴自动、半自动车床
多轴自动、半自动车床
回轮、
转塔车床
曲轴及凸轮轴车床
立式车床
落地及
卧式车床
仿形及
多刀车床
轮、轴、
辊、锭及
铲齿车床
其他车床
钻床Z
－
坐标镗钻床
深孔钻床
摇臂钻床
台式钻床
立式钻床
卧式钻床
铣钻床
中心孔钻床
－
镗床T
－
－
深孔镗床
－
坐标镗床
立式镗床
卧式铣镗床
精镗床
汽车、拖拉机修理用镗床
－
磨床
M
仪表磨床
外圆磨床
内圆磨床
砂轮机
坐标磨床
导轨磨床
刀具
刃磨床
平面及
端面磨床
曲轴、凸轮轴、花键轴及轧辊磨床
工具磨床
2M
－
超精机
内圆
研磨机
外圆及其他研磨机
抛光机
砂带抛光及磨削机床
刀具刃磨及研磨机床
可转位刀片磨削机床
研磨机
其他磨床
3M
－
球轴承套圈沟磨床
滚子轴承套圈滚道磨床
轴承套圈超精机床
－
叶片
磨削机床
滚子
加工机床
钢球
加工机床
气门、活塞及活塞环
磨削机床
汽车、拖拉机修磨机床
齿轮加工
机床Y
仪表齿轮加工机
－
锥齿轮
加工机
滚齿及
铣齿机
剃齿及
研齿机
插齿机
花键轴
铣床
齿轮磨
齿机
其他齿轮
加工机
齿轮倒角及检查机
螺纹加工
机床S
－
－
－
套丝机
攻丝机
－
螺纹铣床
螺纹磨床
螺纹车床
－
铣床X
仪表铣床
悬臂及
滑枕铣床
龙门铣床
平面铣床
彷形铣床
立式升
降台铣床
卧式升
降台铣床
床身铣床
工具铣床
其他铣床
刨插床B
－
悬臂刨床
龙门刨床
－
－
插床
牛头刨床
边缘及
模具刨床
其他刨床
拉床L
－
－
侧拉床
卧式外拉床
连续拉床
立式内拉床
卧式内拉床
立式外拉床
键槽及
螺纹拉床
其他拉床
锯床G
－
－
砂轮片
锯床
－
卧式
带锯床
立式
带锯床
圆锯床
弓锯床
锉锯床
－
其他
机床Q
其他仪
表机床
管子加
工机床
木螺钉
加工机
－
刻线机
切断机
－
－
－
－
（4）机床的主参数，设计顺序号和第二参数
机床主参数：
代表机床规格的大小，在机床型号中，用数字给出主参数的折算数值（1/10或1/150）
设计顺序号：
当无法用一个主参数表示时，则在型号中用设计顺序号表示.
第二参数：
一般是主轴数，最大跨距，最大工作长度，工作台工作面长度等，它也用折算值表示.
（5）机床的重大改进顺序号
当机床性能和结构布局有重大改进时，在原机床型号尾部，加重大改进顺序号A，B，C....等.
（6）其他特性代号：
主要用以反映各类机床的特性，如对数控机床，可反映不同的数控系统；对于一般机床可反映同一型号机床的变型等。
用汉语拼音字母或阿拉伯数字或二者的组合来表示。
（7）企业代号：
生产单位为机床厂时，由机床厂所在城市名称的大写汉语拼音字母及该厂在该城市建立的先后顺序号，或机床厂名称的大写汉语拼音字母表示。
通用机床的型号编制举例
2.专用机床的型号编制
专用机床的型号一般由设计单位代号和设计顺序号组成，其表示方法为：
1）设计单位代号
通常，机床厂代号是由所在城市和该厂名称的大写汉语拼音字母或该厂在市内建立顺序号，排在型号之首。
2）组代号
用一位阿拉伯数字表示，位于设计单位号之后，并用：
“－”分开。
读作：
“至”。
3）设计顺序号
由001起始，位于组代号之后。
例如，沈阳第一机床厂设计制造的第十八种机为专用机床，属于2组，顺序号为018，故其型号为S1-2018。
题：
解释下列机床型号的含义。
Z3040×16：
最大钻削直径40毫米乘最大跨距1600mm的摇臂钻床
MM7132A：
工作台最大宽度320mm的第一次改造的精密平面磨床
M1432A：
最大磨削直径为320毫米的第一次改进的万能外圆磨床。
MBG1463：
最大磨削直径为630毫米的半自动高精度万能外圆磨床。
Y3150E：
最大工件直径为500毫米的第五次改进的滚齿机。
THM5650：
最大工作台面宽度为500毫米的精密立式加工中心。
CM6163：
床身上最大回转直径为630毫米的精密卧式车床。
CK6140：
最大车削直径为400毫米的落地卧式数控车床。
第二章机床运动分析
金属切削机床的分析工程基本方法：
表面——运动——传动——机构——调整。
①表面（零件）：
零件是由若干表面组成：
即平面、回转体表面、螺纹面、圆锥面、渐开线等表面），但这些表面一步一步加工（即工序）获得。
②运动：
为了获得所需要零件表面，需要工件和刀具一定规律的相对运动。
表面是由两条发生线组成的，每条发生线由四种方法（轨迹法、成形法、相切法、展成法）之一加工获得。
即刀具和工件按照四种方法之一完成的成形运动。
③传动（工件表面成形有几种运动，即有几条传动链，注意传动链重合情况。
复合运动由两个简单运动或两个以上简单运动组成；）
简单运动传动联系是外联系传动链；一个简单运动对应一条外联传动链
复合运动传动联系是内联系传动链。
有两条传动链，一个内联系和一个外联系
④机构（实现）：
机构具体完成相对运动，其中机构分为定比传动和置换器官两大类。
（为简明表述机床传动原理和传动路线，采用传动原理图）
⑤调整（5个参数，运动的起点、运动的方向、运动轨迹、运动的路程、运动速度调整为重要参数）：
即通过置换器官记性调速，满足不同加工对象的需要。
第一节工件表面形成方法
一、工件的表面形状
加工机械零件===形成零件上各个表面
零件表面组成：
平面
圆柱面
圆锥面
各种成形面
附注：
工件表面形成：
机床加工工件过程（刀具和工件按一定规律相对运动）即为形成零件各个表面的过程，零件上的工件表面不外乎是平面、圆柱面、圆锥面、及多种成形表面。
二、表面的形成原理
从几何角度看，任何一个表面，都可以看作是一条曲线沿着另一条曲线运动的轨迹。
这两条曲线叫做该表面的发生线，而前一条发生线，称为母线；
后一条发生线，称为导线。
有些表面的两条发生线是可互换的
例如：
圆柱面由圆母线沿着直线导线移动形成；
平面导线和母线均为直线；←←←←可逆表面
螺纹面母线是圆，导线是螺旋线，不可逆。
圆锥面母线为斜直线，导线是圆。
←←←←不可逆表面
三、发生线的形成方法
1.切削刃和发生线的关系发生线是由刀具的切削刃和工件相对运动形成。
①切削刃为点，要想形成发生线，切削刃运动轨迹必须为发生线的形状曲线。
②切削刃为线，与发生线吻合，切削刃无需任何运动便可得到发生线形状。
与发生线不吻合，切削刃与加工表面相切形成点接触，切削刃相对工件加工表面作滚动，形成的包络线为为发生线。
2.形成发生线方法及所需运动
1）描迹法（轨迹法）：
比如车刀刀头、刨刀。
看作切削刃为点接触，需要一个刀具和工件独立相对运动，刀具运动规律按照发生线所要求的轨迹运动。
2）成型法（仿型法）：
比如成形车刀
看作切削刃与发生线吻合的线接触，用各种成形刀具切削，形成这个母线，刀具工件之间不需要有相对运动。
3）旋切法（相切法）：
比如磨削，铣削
看作切削刃为点接触，发生线是旋转的刀刃的运动轨迹的切线，切削时刀具的旋转中心按一定规律作轨迹运动，刀刃运动轨迹为一系列圆，它们的切线形成了发生线。
刀具和工件之间要有两个相对运动，一个是刀刃的转动，另一个是刀刃相对于工件的移动。
4）范成法（展成法）：
比如滚齿机花键滚刀
看作切削刃与发生线不吻合的线接触，发生线是由刀刃在刀具与工件作对滚运动（又称范成运动）时所形成的一些列轨迹线的包络线。
刀具与工件之间只需要一个相对运动，称为范成运动，由刀具运动和工件转动复合而成。
第二节机床的运动
机床的运动的表示：
直线运动——A
旋转运动——B
机床的运动的目的：
①获得加工零件所需表面——形成一定形状的母线和导线
②形成母线和导线——需要刀具和工件作相对运动（四种方法）
③形成某种形状表面时所需机床提供的成形运动的形式和数目，决定于采用的加工方法和刀具结构。
形成母线和导线所需运动数之和，即为成形运动的数目。
一、运动的种类
1.按运动的功用分类，分为表面成形运动和非表面成形运动两大类。
1）表面成形运动
成形运动：
机床上的刀具和工件，为了形成表面发生线而作的相对运动，称为表面成形运动，
成形运动运动的性质分类：
简单的运动
复合运动
①简单运动
只包含一个单元的运动称为简单运动，简单运动一般为转动或直线移动。
②复合运动
由两个或两个以上单元运动组成独立的运动，各个单元运动之间必须保持严格的速比关系，这种运动称为复合运动。
例如：
车削、磨削回转体表面为例，工件回转和刀具直线移动是速度各自独立的运动，即为两个简单的表面成形运动。
车削螺纹则是2个单元运动所组成的一个复合成形运动。
工件旋转和移动必须保持严格的相对运动关系才能加工出螺纹线。
课本例1-1、1-2、1-3、1-4
2）非成形运动（辅助运动）
机床在加工过程中除完成成形运动外，还需完成其它一系列运动，这些与表面成形过程没有直接关系的运动，统称为辅助运动；为表面成形创造条件。
1切入运动：
例：
使刀具切入工件，以获得进行成形运动所需工件和刀具位置运动，比如车削和插齿
2分度运动：
当整个工件表面是由若干相同且均匀分布局部表面所组成时，为使表面成形运动以周期地连续进行的运动。
例：
车削K头螺纹，车完一条螺纹，工件相对于刀具要回转1/K转。
③各种空行程：
指进给前后的快速运动和各种调位运动。
例：
装卸工件，为避免碰伤操作者及工件，刀具与工件距离较远；摇臂钻床钻头为对准被加工孔中心，主轴箱与工作台之间相对调位运动；龙门刨床、龙门铣的横梁为适应工件不同厚度的升降运动
④控制运动：
操纵控制
例启动、停止、变速、换向、工件的夹紧和松开、自动换刀、自动测量、补偿
⑤校正运动：
在精密机床上为了消除传动误差的运动。
二、主运动和进给运动
成形运动按其在切削加工所起的作用，分为主运动和进给运动。
1.主运动：
是产生切削的运动，在切削运动中，消耗功率最大，贡献最大，促使刀具和工件之间产生相对运动，切除工件上的切削层，形成铁屑。
例如：
车床的主轴旋转；钻床钻头旋转；磨床主轴带动砂轮旋转；牛头刨床和插床的滑枕带动刨刀直线往复运动；
2.进给运动：
是维持切削得以继续的运动，维持连续不断或依次切除铁屑；
例如：
车床的纵向进给运动，滚齿机工件的竖直运动；刨床工作台的横向移动
注：
主运动和进给运动即可是简单运动也可是复合运动
第三节机床的传动联系和传动原理图
一、传动的基本组成部分
机床的三个基本组成部分：
运动源：
为执行件提供动力。
普车三相异步电动机，数控车伺服电机
传动装置：
传递运动和动力的装置，变速、换向、改变运动形式
执行件：
执行机床运动部件，如主轴，刀架，工作台
二、机床的传动联系
传动联系
为了在机床上得到所需的运动，必须通过一系列的传动件把运动源和执行件或执行件和执行件联系起来，称为传动联系。
传动链
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。
传动链中的两类传动机构
①定比传动机构
传动比和传动方向固定不变的传动机构，如定比齿轮副、蜗杆蜗轮副、丝杠螺母副等
②换置机构
根据加工要求可以变换传动比和传动方向的传动机构，如挂轮变速机构、滑移齿轮变速机构、离合器换向机构等。
传动链按运动性质分为：
外联系传动链
内联系传动链
外联系传动链
运动源与执行件之间的传动联系，称为外联系。
机床上运动源和执行件之间为了实现外联系而顺次串联的传动副，称为外联系传动链（对简单运动而言）。
例：
车外圆时，电机——主轴（外联系传动链），如图所示。
注：
机床上有几个简单运动，就需要有几条外联系传动链。
可以有各自独立的运动源，也可以几条传动链共用一个运动源。
内联系传动链
机床上为了将两个或两个以上单元运动组成复合的成形运动。
执行件与执行件之间的传递联系称为内联系。
机床上两个执行件之间为了实现内联系而顺次串联的传动副，称为内联系传动链。
注：
机床工作时，内联系传动链所联系的两个执行件，将按照规定的运动关系作相对运动
由于内联系传动链本身不能提供运动，为使执行件得到运动，还需有外联系传动链将运动源的运动传到内联系传动链上来。
内联系传动链的要求
内部必须保持严格运动关系
①决定着复合运动的轨迹（即发生线的形状）
②传动比是否准确以及由其确定的两单元运动的相对运动方向是否正确，会直接影响被加工表面的形状精度
③不能有传动比不确定或瞬时传动比变化的传动机构，如带传动、链传动。
调整内联系传动链的换置机构时，其传动比也必须有足够精度。
三、传动原理图
用一些简单的符号表示运动源与执行件及执行件与执行件之间的联系——传动原理图
传动原理图常用符号
机床传动原理图的画法
1）画出工件、刀具示意图及其运动；
2）画出主轴、刀架、丝杆螺母；
3）画出运动源（电动机）；
4）画出该机床上的特殊机构符号，如Uv、Uf等；
5）再用虚线代表传动比不变的传动链，把它们之间关联的部分联接起来。
其它的中间传动件则一概不画，这样就可以得到了一幅简洁明了的图形，这种图形表示了机床传动最基本的特征。
第四节机床运动的调整
三、运动的主要要素
每一个独立的运动都有五个要素：
即轨迹、速度、方向、行程和位置，在分析运动时，必须逐一加以研究。
一、运动参数及其换置器官
运动参数：
轨迹、速度、方向、行程和位置
换置器官
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