《车床构造及车削加工工艺》第二章.docx
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《车床构造及车削加工工艺》第二章
第二章机床传动基础
§2.1机床的类型和基本结构
一、金属切削机床的分类
机床的种类繁多，为了便于设计、制造、使用和管理，需要进行适当的分类。
机床主要按照加工性质、所使用的刀具和机床用途分类的，目前我过机床分为12大类，即车床、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、锯床、特种加工机床和其它机床。
除这种基本分类法之外，还可以按其他方法进行分类。
按照机床的通用程度分为通用机床（万能机床）、专门机床和专用机床三种；
按加工精度分为普通、精密和高精密机床三种；
按机床重量分为仪表（小型）机床、中型（一般）机床、大型机床和重型机床；
按自动化程度分：
手动、机动、半自动和自动机床；
按主要工作部件的数目分：
单轴的、多轴的或单刀、多刀的机床；
二、金属切削机床的型号编制
为了简明的表示出机床的名称、主要规格、性能和结构特征，以便对机床有一个清晰的概念，需要对每种机床赋予一定的型号。
我国目前实行的机床型号，按GB/T15375-94《金属切削机床型号编制方法》的规定实施。
1、通用机床型号
1）、机床的类别代号
2）、机床的特性代号
（1）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
仿
轻
重
简
柔
显
速
（2）结构特性代号
区别主参数相同而结构不同的机床，在型号中用汉语拼音区分。
通用特性代号已用的字母及字母“I”、“O”不能用。
（3）机床的组别和系别代号
每类机床分10组（从0～9组），每组又分10系（从0～9型）。
（4）主要参数代号
代表机床规格大小的一种参数，用阿拉伯数字表示，常用主参数的折算值（1/10或1/100或1/1）来表示。
（5）机床重大改进序号
用字母“A、B、C……”表示，附机床型号末尾，以示区别。
2、专用机床型号表示方法：
3、组合机床及自动线分类代号
三、机床的基本构造
以普通车床为例介绍机床的基本组成部分，如图2-1所示。
主传动部件、进给传动部件、工件安装装置、刀具安装装置、支承件、动力源等。
1、主传动部件：
是用来实现机床主运动的。
如：
车床、钻床、铣床的主轴箱；刨床的变速箱和磨床的磨头等。
2、进给传动部件：
主要是实现机床的进给运动的，也用来实现机床的调整、退刀及快速运动等。
如：
车床的进给箱、溜板箱；钻床、刨床的进给机构；磨床的液压传动装置等。
3、工件安装装置：
是用来安装工件的。
如：
普通车床的卡盘和尾架；钻床、刨床、铣床和平面磨床的工作台。
4、刀具安装装置：
是用来安装刀具的。
如：
车床、刨床的刀架；钻床、立式铣床的主轴；卧式铣床的刀轴；磨床的砂轮轴。
5、支承件：
是用来支承和连接机床各部件的，是机床的基础部件。
如：
各类机床的床身、立柱、底座、和横梁。
6、动力源：
即电动机，是为机床运动提供动力的。
（a）卧式车床（b）立式车床
图2-1机床的基本组成部分
§2.2常用机械传动装置
机床的传动一般有机械传动、液压传动、电气传动和气压传动等几种形式。
本节只介绍常用的机械传动装置。
一、机床机械传动的组成
（一）定比传动机构
定比传动机构即具有固定传动比或固定传动关系的传动机构，也称传动副。
机床上的常用的传动副有带传动、齿轮传动、蜗杆传动、齿轮齿条传动和丝杆螺母传动等。
1、带传动
利用张紧在带轮上的传动带与带轮的摩擦或啮合来传递运动和动力的。
带传动是一种应用广泛的机械传动，通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形带所组成。
根据传动原理不同，带传动可分为摩擦传动型和啮合传动型两大类。
1）摩擦传动型带传动
摩擦传动型是利用传动带与带轮之间的摩擦力传递运动和动力。
2）啮合传动型带传动
图2-2摩擦传动型带传动图2-3啮合传动型带传动
带传动优点传动平稳、噪声低、清洁（无需润滑）具有缓冲减振和过载保护作用，并且维修方便，应用广泛。
与链传动和齿轮传动相比，带传动的强度较低以及疲劳寿命较短。
2、齿轮传动
齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。
见图2-4。
齿轮传动与带传动相比主要有以下优点：
（1）传递动力大、效率高；
（2）寿命长，工作平稳，可靠性高；
（3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。
齿轮传动与带传动相比主要缺点有：
（1）制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；
（2）不宜作远距离传动。
3、齿轮齿条传动
齿轮齿条传动是将齿轮的回转运动变为齿条的往复直线运动，或将齿条的直线往复运动变为齿轮的回转运动。
图2-4齿轮传动图2-5齿轮齿条传动
齿条有如下特点：
（1）齿条可视为齿数趋向于无穷大的圆柱齿轮；
（2）当一个圆柱齿轮的齿数无穷增大时，其分度圆，齿顶圆，齿根圆面为互相平行的直线，分别称为分度线，齿顶线和齿根线；
（3）由于齿条的齿廓是直线，所以齿廓上各点的法线是平行的；
（4）齿条同侧齿廓为平行线，它在与齿定线平行的任一直线上具有相同齿距。
4、蜗杆传动
蜗杆蜗轮传动是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来的。
小齿轮的每个轮齿可在分度圆柱面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。
大齿轮称为蜗轮。
图2-6蜗杆传动
蜗杆传动的特点：
（1）用于两交错轴间的传动。
通常，两轴交错角为90°，蜗杆常为主动件；
（2）传动比大：
结构紧凑，传动比i=8～80；
（3）传动平稳：
连续的螺旋齿；逐渐进入啮合和退出，故冲击小、噪声低；
（4）可自锁：
升角小于当量摩擦角时；
（5）传动效率低：
一般效率在0.7～0.8，滑动速度大，摩擦与磨损严重。
但新型的传动效率可达90%以上；
（6）制造成本高。
5、螺旋传动
螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机械传动，主要用于把旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。
按相对运动关系，螺旋传动常用的运动形式有以下三种：
（1）螺杆原位转动、螺母移动，多用于机床进给机构；如普通车床中的丝杆螺母机构。
（2）螺母固定、螺杆转动和移动，多用于螺旋压力机构中蜗杆传动。
（3）螺母原位转动、螺杆移动，用于升降装置。
（a）图（b）图（c）图
图2-7螺旋传动
螺旋传动的分类
（1）传力螺旋：
传递动力,千斤顶,压力机；
（2）传导螺旋：
传递运动,要求精度高.进给机构；
（3）调整螺旋：
调整相对位置。
6、链传动
链传动是是依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力的一种机械传动。
图2-8链传动
链传动的特点：
（1）与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，传动效率高，径向压轴力小，能在高温及低速情况下工作；
（2）与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本低廉，可远距离传动；
链传动也是应用较广的一种机械传动。
（二）变速机构
变速机构有无级变速和分级变速：
由于机械传动的无级变速装置的变速范围小，结构又较复杂，故很少使用，而代之以液压或电气控制的无级变速。
这里只介绍几种典型的分级变速传动机构。
1、滑移齿轮变速机构
见图2-9，齿轮
牢固固定在轴
上，三联滑移齿轮（
）通过花键链接在轴
上，并可以在轴
上滑动，达到三种不同的传动比（
）。
2、离合器变速机构
见图2-10，齿轮
牢固固定在轴
上，与空套在轴
上齿轮
保持啮合，端面齿离合器
通过花键和轴
连接，并可以在轴
上左右滑动。
左右滑动时可与
的端面齿啮合，从而得到两种不同的速度（
）。
图2-9滑移齿轮变速机构2-10离合器变速机构
3、配换挂轮变速机构
该机构所有的齿轮固定在轴上，但是齿轮都可以拆卸，通过更换两轴间的齿轮副的齿轮，改变齿数比，达到传动的目的。
如图2-11（a）一对挂轮的变速机构所示：
由于轴Ⅰ与轴Ⅱ之间的中心距固定，故在齿轮模数不变的情况下，齿轮A、B的齿数和要保持一定。
（a）一对挂轮的变速机构（b）两对配换挂轮组成的变速机构
图2-11配换挂轮变速机构图2-12带轮变速机构
如图（b）为两对配换挂轮组成的变速机构。
齿轮a和d固定在轴Ⅰ、Ⅱ上，齿轮b和c安装在可通过挂轮架调整位置的中间轴上，两对啮合齿轮可以通过调整中间轴的位置而得到正确的啮合。
4、带轮变速机构
见图，在传动轴Ⅰ、Ⅱ上，分别装有塔形带轮1和3，当轴Ⅰ转数一定的情况下，只要改变传动带的位置就可以得到三种不同的转速比，从而使得轴Ⅱ得到三种不同的转数。
（三）换向机构
换向机构有滑移齿轮换向机构、圆锥齿轮换向机构、圆柱齿轮和摩擦离合器组成的变向机构
1、滑移齿轮换向机构
图2-14是滑移齿轮变向机构。
当滑移齿轮Z2在图示位置时，运动由Z3经中间轮Z0传至Z2，轴П与轴Ι的转向相同；当Z2左移至虚线位置时，与轴Ι上的Z1直接啮合，轴П与轴Ι的转向相反。
2、圆锥齿轮换向机构
主动轴Ι的固定圆锥齿轮Z1与空套的从动轴П上的圆锥齿轮Z2、Z3保持啮合。
利用花键与轴П相连接的离合器M两端都有齿爪，离合器向左或向右移动，就可分别与Z3或Z2、的端面齿啮合，从而使轴П的转向改变。
这种换向机构的刚性较差，多用于进给运动或其他辅助运动。
图2-13圆锥齿轮换向机构
3、圆柱齿轮和摩擦离合器组成的变向机构
图2-15是圆柱齿轮和摩擦离合器组成的变向机构，当离合器M向左结合时，轴П与轴Ι的转向相反；离合器M向右结合时，轴П与轴Ι的转向相同。
图2-14滑移齿轮换向机构图2-15圆柱齿轮和摩擦离合器组成的变向机构
二、离合器
1、离合器的作用
离合器是安装在同轴线的两轴或者轴与空套其上的齿轮、带轮等传动件保持结合或断开，以传递或断开运动，从而实现机床运动的起动、停止、变速和变向等。
2、离合器的分类
离合器有
啮合式离合器：
分牙嵌式和齿轮式两种；
摩擦离合器：
通过相互压紧的两摩擦片的摩擦力传递运动和扭矩；
超越离合器：
用于两个运动源传递给同一轴的场合，避免运动干涉，实现快、慢速自动转换；
安全离合器：
一种过载保护装置。
当机床传动部件过载时自动断开传动。
1）啮合式离合器（见图2-16）
a）、牙嵌式
牙嵌式离合器由两个端面带牙的半离合器1、3组成。
从动半离合器3用导向平键或花键与轴联接，另一半离合器1用平键与轴联接，对中环2用来使两轴对中，滑环4可操纵离合器的分离或接合
图2-16牙嵌式离合器
b）齿轮式
齿轮式离合器由具有直齿圆柱齿轮形状的两个零件组成，两者的齿数和模数完全相同，但一个为外齿轮，一个为内齿轮。
通过操纵机构使两个齿轮完全啮合时，便可将空套齿轮与轴或同轴线的两轴连接而一起旋转。
齿轮脱开啮合，则运动联系断开。
（a）（b）
图2-17齿轮式离合器
2）摩擦离合器
摩擦离合器利用主、从动半离合器摩擦片接触面间的摩擦力传递扭矩。
为提高传递转矩的能力，多采用多片摩擦片。
其特点是：
（a）能在不停车或两轴具有任何大小转差的情况下进行接合；（b）过载时，摩擦面间将发生打滑，可以避免其他零件的损坏。
摩擦离合器分为单片式摩擦离合器和多片式摩擦离合器两类。
其中单片式摩擦离合器结构简单，散热性好，但传递的转矩较小。
多片式摩擦离合器有两组摩擦片，但传递较大的转矩。
见图2-18和图2-19。
图2-18单片式摩擦离合器图2-19多片式摩擦离合器
3）超越离合器
超越离合器只能按一个转向传递转矩，反向时能自动分离。
其中应用较为广泛的是滚柱超越离合器，也称定向离合器。
它主要由星轮1、外圈2、弹簧顶杆4和滚柱3组成。
弹簧的作用是将滚柱压向星轮的楔形槽内，使滚柱与星轮、外圈相接触。
星轮和外圈均可作为主动轮。
当星轮为主动件并按图示方向旋转时，滚柱受摩擦力的作用被楔紧在槽内，因而带动外圈一起转动，这时离合器处于接合状态。
当星轮反转时，滚柱受摩擦力的作用，被推到槽中较宽的部分，不再楔紧在槽内，这时离合器处于分离状态。
图2-20超越离合器图2-21安全离合器
4）安全离合器
安全离合器是具有过载保护作用的离合器。
当传递转矩超过一定数值后，主、从动轴能自动分离，从而保护机器中的重要零件不致损坏。
它的工作原理如图2-21所示。
半离合器25和24的相对端面为相吻合的螺旋齿面。
25空套在轴上，24与轴用花键连接。
正常工作时，在弹簧的压力下，25和24的齿面紧密啮合成为一体而同步转动，传递运动。
当机床过载或出现故障时，通过安全离合器传递的扭矩以及产生的轴向分力都随之增大。
一旦轴向分力超过弹簧23的压力，右半离合器便压缩弹簧向右移动而与左半离合器25脱开，安全离合器打滑机动进给传动链断开，刀架停止进给。
当过载或故障排除后，弹簧使安全离合器重新自动接合，恢复正常工作。
三、机械传动的优缺点
机械传动与液压、电气传动相比较，具有以下优点：
（1）传动比较精确，适用于定比机构；
（2）实现回转运动的结构简单，并能传递大的转矩；（3）故障容易发现，便于维修。
但机械传动也具有以下缺点：
（1）一般情况传动不平稳；
（2）制造精度不够高；（3）振动和噪声大；（4）实现无级变速难度大。
§2.3机床传动系统及调整计算
传动链是使执行件与运动源或使两个有关执行件保持确定运动联系的一系列按一定规律排列的传动元件就构成了传动链。
一条传动链由该链的两端件及两端件之间的一系列传动机构所构成。
传动链两端的元件，可以是动力源或执行件，如主轴、刀架和工作台等。
传动链中的传动机构可分为定比传动机构和换置机构两种。
传动链按传动联系的性质不同，传动链可分为：
内联系传动链 和外联系传动链
1、内联系传动链
传动链两个末端件之间要求有严格的传动比关系，如削螺纹主轴与刀架间的传动链；滚切齿轮工件与滚刀间的传动链；内联系传动链中不能用带传动、摩擦轮传动和链传动。
2、外联系传动链
传动链两个末端件之间不要求有严格的传动比关系，如车削时电机与主轴间的传动链；
传动原理图是用一些简单的符号来表明机床在实现某种表面成形运动时传动联系的示意图。
一、传动原理图
传动原理图中，虚线表示定比传动机构，菱形符号表示换置机构。
图2-22传动原理图
图2-23卧式车床的传动原理图
二、传动系统图
图2-24卧式车床传动系统图
传动系统图是用以了解和分析机床运动源与执行件或执行件与执行件之间的传动联系及传动结构的一种示意图。
传动系统图用规定的简单符号表示传动系统中各传动元件，并按照运动传递顺序，以展开图形式绘制在一个能反映机床外形及主要部件相互位置的投影面上。
图2-24所示为卧式车床传动系统图。
传动原理图仅表示机床形成某一表面所需的运动及传动联系；传动系统图则表示了一台机床所有的运动及其传动联系。
另外，传动系统图中具体表示了各传动链的传动元件的结构类型以及作调整计算所需的主要运动参数。
在阅读传动系统图时，首先要了解该机床所具有的执行件及其运动方式，以及执行件之间是否要保持传动联系；然后，分析从运动源至执行件或者执行件至执行件之间的传动顺序、传动结构及传动关系。
下面以图2-25所示的CA6140车床传动系统图进行分析。
该机床具有两个执行件，即主轴和刀架。
机床工作时，主轴旋转作主运动，刀架直线移动作进给运动。
整个机床传动系统由主运动传动链、车螺纹传动链、纵向进给运动传动链、横向进给运动传动链及快速移动传动链组成。
图2-25机床的主运动传动链
主运动由主电动机驱动，经带轮使I轴旋转，再经过轴I、II、III、和VI轴，使主轴得到高转速；I、II、III、IV、V和VI，使主轴得到低转速。
CA6140的主运动传动链的传动路线表达式为：
由主运动传动路线图中可见，当主轴正转时似乎可得
种传动主轴的路线，但实际上轴Ⅲ—Ⅳ间只有三种不同的传动比，故主轴实际上只能得
级不同的正转转速。
其中，中、低速传动时得到
级转速，高速传动时获得6级转速。
同理，主轴反转时有
级转速。
主轴的反转运动通常不用于切削，因此，车外圆和端面往往不要求主轴作反转运动。
车螺纹时，为实现在不断开主轴和刀架间内联系传动链的情况下将刀架退回到起始位置，要求主轴作反转运动。
三、转速图简介
1、转速图的概念
转速图是用简单直线段来表示机床分级变速系统传动规律的线图，是分析机床传动的重要工具。
下图为CA6140车床的转速图。
图2-26CA6140车床转速图
2、转速图的基本内容（以CA6140的转速图为例）
（1）转速图中一组等距的垂直平行线代表变速系统中从电动机到主轴的各根轴，各轴的排列顺序应符合传动顺序。
竖线上端以“电动机”标明电机轴，以罗马数字表示其他各轴。
（2）距离相等的横向平行线表示变速系统由低至高依次排列的各级转速，在每根横线的右端标明该级转速的数值。
（3）代表各传动轴的平行竖线上的小圆点表示各轴所能获得的转速。
圆点数表示该轴具有的转速级数，圆点的位置代表了各级转速的数值。
（4）两轴间转速点之间的连线，表示该两轴间的传动副，互相平行的连线表示同一传动副。
因此，两轴间互不平行的连线数表示了两轴间的传动副数。
连线的倾斜度表示传动副的传动比大小，自左往右向上倾斜，表明传动比大于1，为升速传动；自左往右向下倾斜，表明传动比小于1，为降速运动；水平连线表示传动比为1：
1。
（5）转速图上还表明了运动传递路线。
综上所述，转速图清楚表示了变速系统中传动轴数量，各轴及轴上传动元件的转速级数、转速大小及其传动路线。
四、机床运动的调整计算
1、机床运动调整计算的分类
机床运动的调整计算一般可以分成两类：
一种是根据机床传动系统内传动件的运动参数计算某一执行机构的运动速度和位移量；
另外一种是根据执行部件间的运动关系，确定相应的传动链内置机构（一般指挂轮机构）的传动比，以便进行调整。
2、机床调整计算的步骤
机床的调整计算，一般可以通过分析运动链，按以下步骤进行：
1）确定传动链的两端件及其运动关系如：
车床主运动链：
两端件：
电动机——主轴
运动关系：
电动机转速n电机（r/min）——主轴转速n主轴（r/min）
车床车螺纹链：
两端件：
主轴——刀架
运动关系：
主轴1转——刀架移动被加工螺纹一个导程L（mm）
2）列运动平衡式
根据传动链中各传动元件的运动参数，如齿轮齿数、带轮直径、丝杠导程等，以及传动关系列出。
图2-27转速与传动比的关系
在图2-27中，若已知轴I转速为，则轴III的转速为：
式中Z1/Z1——轴I与轴II之间的传动比，表示为
Z2/Z2——轴II与轴III之间的传动比，表示为
；
——轴I与轴III之间的传动比，表示为
3）确定变速机构的传动比或挂轮变速机构中挂轮的齿数
由运动平衡式计算出执行件的转速、进给量或位移量，或者整理出换置机构的换置公式，然后根据加工情况，确定变速机构的传动比或挂轮变速机构中挂轮的齿数。
课后习题
1、举例说明车床型号的组成及其含义。
2、机床的传动一般有哪几种形式？
3、齿轮传动有什么特点？
4、什么是蜗轮蜗杆传动。
5、螺旋传动的运动形式有几种？
6、什么是变速机构？
7、离合器有什么作用？
8、什么是传动链，传动链如何分类？
9、熟悉车床的传动系统，进行主轴由低速向高速逐渐变速练习。
拓展知识
机床的组、系代号，机床的组、用一位阿拉伯数字表示，位于类代号或特征代号之后。
机床的系，用一位阿拉伯数字表示，位于组代号之后。
表2-28车床类的组、系的划分表
组
系
组
系
代号
名称
代号
名称
代号
名称
代号
名称
0
仪
表
车
床
0
仪表台式精整车床
1
单
轴
自
动
车
床
0
主轴箱固定型车床
1
1
单轴纵切自动车床
2
2
单轴横切自动车床
3
仪表转塔车床
3
单轴转塔自动车床
4
仪表卡盘车床
4
单轴卡盘自动车床
5
仪表精整车床
5
仪表卧式车床
6
正面操作自动车床
仪表棒料车床
7
仪表轴车床
8
仪表卡盘精整车床
9
组
系
组
系
代号
名称
代号
名称
代号
名称
代号
名称
2
多
轴
自动
半
自
动
车
床
0
多轴平行作业棒料自动车床
3
回
轮、
转
塔
车
床
0
回轮车床
1
多轴棒料自动车床
1
滑鞍转塔车床
2
多轴卡盘自动车床
2
棒料滑枕转塔车床
3
3
滑枕转塔车床
4
多轴可调棒料自动车床
4
组合式转塔车床
5
多轴可调卡盘自动车床
5
横移转塔车床
6
立式多轴半自动车床
6
立式双轴转塔车床
7
立式多轴平行作业半自动车床
7
立式转塔车床
8
8
立式卡盘车床
9
9
4
0
旋风切削曲轴车床
5
0
1
万能曲轴车床
1
单柱立式车床
2
曲轴主轴颈车床
2
双柱立式车床
3
曲轴连杆轴颈车床
3
单柱移动立式车床
4
4
双柱移动立式车床
5
多刀凸轮轴车床
5
工作台移动单柱立式车床
6
万能凸轮轴车床
6
7
凸轮轴中轴颈车床
7
定梁单柱立式车床
8
凸轮轴端轴颈车床
8
定梁双柱立式车床
9
凸轮轴凸轮车床
9
6
落
地
及
卧
式
车
床
0
落地车床
7
仿
形
及
多
刀
车
床
0
转塔仿形车床
1
卧式车床
1
仿形车床
2
马鞍车床
2
卡盘仿形车床
3
无丝杠车床
3
立式仿形车床
4
卡盘车床
4
转塔卡盘多刀车床
5
球面车床
5
多刀车床
6
6
卡盘多刀车床
7
7
立式多刀车床
8
8
异形仿形车床
9
9
8
轮、
轴
辊
锭
及
铲
齿
车
床
0
车轮车床
9
0
落地镗车床
1
车轴车床
1
2
动轮曲拐销车床
2
单轴半自动车床
3
轴颈车床
3
气缸套镗车床
4
轧辊车床
4
5
钢锭车床
5
活塞车床
6
6
轴承车床
7
车轮立式车床
7
活塞环车床
8
8
钢锭模车床
9
铲齿车床
9
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