机械制造工程学 第三章 金属切削机床.ppt

第3章金属切削机床,3-1金属切削机床概述,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机器，是制造机器的机器，因此又称为“工作母机”或“工具机”，通常简称机床。,一、机床的分类,机床的传统分类方法主要是按加工性质和所用刀具进行分类。目前我国将机床分为11大类：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、锯床和其他机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局形势和结构等，分为若干组，每一组又分为若干系（系别）。,3-1金属切削机床概述,一、机床的分类,1)按照机床的万能性程度，可分为:普通机床、专门化机床、专用机床2)按照机床的工作精度，可分为:普通精度机床、精密机床、高精度机床3)按照机床具有的数控功能，可分为:普通机床（非数控机床）、一般数控机床、加工中心等此外，还可按重量和尺寸，主要部件数目等进行分类。,3-1金属切削机床概述,二、机床的型号编制,标准JB1838-85：金属切削机床型号编制方法，适用于各类通用机床和专用机床，由汉语拼音字母和数字按一定规律组合而成。,3-1金属切削机床概述,三、机床的技术性能,1）工艺范围2）主要技术参数3）加工精度和表面粗糙度4）生产率和自动化程度5）人机关系6）成本,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,机器零件上常用的各种表面：平面、圆柱面、圆锥面、成形表面等。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,1）零件表面的形成：是一条母线沿一条导线运动而形成。,母线和导线统称为表面发生线。,1-母线，2-导线,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,2）形成发生线的方法,发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的，由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为四种：轨迹法、成形法、相切法和展成法。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,2）形成发生线的方法,（1）轨迹法是利用刀具做一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,2）形成发生线的方法,（1）轨迹法（2）成形法是利用成形刀具对工件进行加工的方法。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,2）形成发生线的方法,（1）轨迹法（2）成形法（3）相切法是利用刀具边旋转边做轨迹运动来对工件进行加工的方法。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,1.工件表面的成形方法,2）形成发生线的方法,（1）轨迹法（2）成形法（3）相切法（4）展成法是利用工件和刀具做展成切削运动的加工方法。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,2.表面成形运动,为获得所需的工件表面形状，机床必须使刀具和工件按上述四种方法之一完成一定的运动。,成形运动：刀具和工件为了形成表面发生线而作的相对运动。直线运动（用A来表示）或旋转运动（用B来表示）。成形运动的种类：简单成形运动、复合成形运动,3-2机床的运动分析,一、成形运动,2.表面成形运动,（1）简单成形运动简单运动之间是相互独立的，没有严格的相对运动关系。,例1:用普通车刀车削外圆母线-圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。导线-直线，由轨迹法形成，需要一个成形运动A2。,例2:用成形车刀车削成形回转表面母线-曲线，由成形法形成，不需要成形运动。导线-圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,2.表面成形运动,（2）复合成形运动：一个复合运动可分解为两个或多个直线运动或旋转运动，与简单运动相似，但有本质的区别。,组成复合运动的各个部分必须保持严格的相对运动关系，是相互依存，而不是独立的。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,2.表面成形运动,（2）复合成形运动,例3:用螺纹车刀车削螺纹母线-车刀的刀刃形状与螺纹轴向剖面轮廓的形状一致，故母线由成形法形成，不需要成形运动。导线-螺旋线，由轨迹法形成，需要一个成形运动。这是一个复合运动，把它分解为工件旋转B11和刀具直线移动A12。B11和A12之间必须保持严格的相对运动关系。,3-2机床的运动分析,一、成形运动,2.表面成形运动,（2）复合成形运动,例4:用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面母线-渐开线，由展成法形成，需要一个成形运动，是复合运动，可分解为滚刀旋转B11和工件旋转B12两部分，B11和B12之间必须保持严格的相对运动关系。导线-直线，由相切法形成，需要两个独立的成形运动，即滚刀的旋转运动和滚刀沿工件的轴向移动A2。其中滚刀的旋转与复合展成运动的一部分B11重合。因此，形成表面所需的成形运动的总数只有两个：一个是复合运动B11B12；另一个是简单的成形运动A2。,3-2机床的运动分析,二、机床传动链为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须有执行件、动力源和传动装置三个基本部分。执行件：执行运动的部件，如主轴、刀架、工作台等。动力源：提供动力的装置，如电动机。传动装置：将运动和动力从动力源传至执行件，并使有关执行件之间保持某种确定的相对运动关系。,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,1.传动链,机床上为了得到所需的运动，需要通过一系列的传动件把执行件与动力源（如把主轴和电机），或者把执行件和执行件（例如主轴和刀架）之间联系起来，称为传动联系。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。,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,1.传动链,根据传动链的性质，可分为如下两种类型：,1）外联系传动链联系动力源（如电动机）和执行件（如主轴、刀架、工作台等）之间的传动链，使执行件获得运动（速度和方向）。保证执行件实现简单运动；不要求动力源和执行件之间有严格的传动比关系；如：车床上加工外圆电机-主轴；主轴-刀架,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,1.传动链,2）内联系传动链当传动链的两个末端件（执行件）之间的相对运动有严格的比例关系要求，该传动链称为内联系传动链。联系复合运动之内的各个分量，保证执行件实现复合运动；执行件和执行件之间有严格的传动比关系；内联系传动链中不得有瞬时传动比发生变化的传动件，如摩擦传动、带传动、链传动等。,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,1.传动链,2）内联系传动链联系复合运动之内的各个分量，保证执行件实现复合运动；执行件和执行件之间有严格的传动比关系；内联系传动链中不得有瞬时传动比发生变化的传动件，如摩擦传动、带传动、链传动等。如：车床上加工螺纹主轴-刀架，主轴1转-刀架移动1个导程滚切直齿圆柱齿轮滚刀旋转-工件旋转，滚刀每转1/K转（K滚刀头数）-工件转1/Z转（Z齿轮齿数）,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,通常传动链中的各种传动机构可分为两类：传动比不变的“定比机构”，如定比齿轮副、齿轮齿条、蜗轮蜗杆等；可变换传动比的“变比机构”（“换置器官”），如齿轮变速机构、挂轮、数控机床中的数控系统等。为了简单明确地反映机床的传动联系，常用一些简单的符号来表示传动原理和传动路线，这就是传动原理图。,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,在卧式车床传动系统中，由于换置器官位置的不同，有如下图所示的三种传动方案，试写出每种传动方案的内、外联系传动链；从中选出最优方案，并说明理由。,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,3-2机床的运动分析,二、机床传动链,2.传动原理图,3-3机床传动系统及典型结构,一、传动系统传动系统图是表示机床运动传动关系的综合简图，是传动原理图的具体体现。在图中用简单的符号代表各种传动元件(GB4406-84机构运动简图符号），并按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式来表达。图中，通常须注明齿轮及蜗轮的齿数、蜗杆头数、带轮直径、丝杠的螺距和头数、电动机的功率和转速、传动轴的编号等。传动系统图只表示传动关系，不表示各元件的实际尺寸和空间位置。,以CA6140型卧式车床为例，进行讨论。,一、传动系统,传动路线是分析和认识机床的基础，常用的方法是“抓两端，连中间”。1.主运动传动链,两末端件：主电机主轴,1)传动路线传动路线表达式如下：,主电动机三角皮带轴I摩擦离合器M1轴II轴III主轴VI。高速传动路线：轴III-滑移齿轮Z50左位主轴VI。中低速传动路线轴III滑移齿轮Z50右位、M2接合轴III、IV、V间的背轮机构和齿轮副主轴VI。,1)传动路线传动路线表达式如下：,2）主轴的转速级数与转速根据传动系统图和传动路线表达式，主轴正转可获得23(22-1)+23=24级不同转速。同理，主轴反转12级。主轴的转速可按下列运动平衡式计算：n=1450(130/230)uI-IIuII-IIIuIII-V,2.进给运动传动链（公制螺纹进给传动），两末端件：主轴-刀架,2.进给运动传动链（公制螺纹进给传动），两末端件：主轴-刀架,传动路线表达式如下。,二、典型结构1.主轴箱,CA6140车床的主轴箱包括：箱体、主轴部件、传动机构、操纵机构、换向装置、制动装置和润滑装置等。,1.主轴箱1)卸荷带轮,1.主轴箱2)摩擦离合器、制动器及其操纵机构,1.主轴箱2)摩擦离合器、制动器及其操纵机构,1.主轴箱2)摩擦离合器、制动器及其操纵机构,1.主轴箱3)主轴组件,1.主轴箱4)变速操纵机构,二、典型结构2.溜板箱溜板箱的功用是：将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给；控制刀架运动的接通、断开和换向；机床过载时控制刀架停止进给；手动操纵刀架移动和实现快速移动。,二、典型结构2.溜板箱1)开合螺母,二、典型结构2.溜板箱2)纵、横向进给的操纵机构,二、典型结构2.溜板箱3)互锁机构,二、典型结构2.溜板箱4)超越离合器和安全离合器,二、典型结构2.溜板箱4)超越离合器和安全离合器,3-4机床传动设计,主传动设计外联系传动链，保证输出转速、输出功率的要求。进给传动设计内联系传动链，传动精度的要求。,本节主要介绍主传动系统的设计方法。,机床的主要参数,机床的主要参数包括：尺寸参数影响机床加工性能的尺寸，如主参数、第二主参数、结构尺寸等；运动参数主运动参数（如主轴转速）、进给运动参数（进给量及其数列）；动力参数主运动、进给运动、辅助运动的传动功率,一、机床主运动参数的确定,1.主轴最高转速和最低转速,nmax=1000Vmax/(dmin)，r/minnmin=1000Vmin/(dmax)，r/min,Vmax、Vmin典型工序的最大、最小切削速度；dmax、dmin经济加工的最大和最小直径，不是机床可能加工的最大和最小直径。,普通车床：dmax(0.50.6)Dmax（床身最大回转直径），dmin(0.50.6)dmax；摇臂钻床：dmaxDmax，dmin(0.50.6)dmax。,1.主轴最高转速和最低转速,nmax=1000Vmax/(dmin)，r/minnmin=1000Vmin/(dmax)，r/min,变速范围：Rn=nmax/nmin,2.主轴的转速数列,如某变速机构有z级转速，分别是：n1，n2，n3，nz。若某一工件的最佳切削速度为v，对应的转速为n，而n又处于两极转速nj、nj+1之间，即：njn1，为使最大相对转速损失不超过50%，即：(-1）/100%50%，则2。,10，表示加工点位于直线上方；若Fi=0，规定向+X方向走一步Xi+1=Xi+1Fi+1=XeYiYe(Xi+1)=Fi-Ye若Fi0，表示加工点位于圆外；若Fi0，表示加工点位于圆内,（2）偏差函数的递推计算逆圆插补若F0，规定向-X方向走一步若Fi0，规定向+Y方向走一步顺圆插补若Fi0，规定向-Y方向走一步若Fi0，规定向+y方向走一步（3）终点判别1）判断插补或进给的总步数：2）分别判断各坐标轴的进给步数；,举例对于第一象限圆弧AB，起点A（4，0），终点B（0，4）,3）逐点比较法的速度分析式中：L直线长度；V刀具进给速度；N插补循环数；f插补脉冲的频率。所以：刀具进给速度与插补时钟频率f和与X轴夹角有关,4）逐点比较法的象限处理（1）分别处理法四个象限的直线插补，会有4组计算公式，对于4个象限的逆时针圆弧插补和4个象限的顺时针圆弧插补，会有8组计算公式（2）坐标变换法用第一象限逆圆插补的偏差函数进行第三象限逆圆和第二、四象限顺圆插补的偏差计算，用第一象限顺圆插补的偏差函数进行第三象限顺圆和第二、四象限逆圆插补的偏差计算。,五、数控加工程序编制,1.数控编程的基本概念根据被加工零件的图纸及其技术要求、工艺要求等切削加工的必要信息，按数控系统所规定的指令和格式编制数控加工指令序列。,3-5数控机床,2.数控编程方法1)手工编程2)自动编程零件造型；确定走刀路线、工艺参数；翻译、计算；后置处理；自动输出特定数控机床的数控指令。数控编程系统：APTCATIAPro/EMasterCAMUGI-DEASCimatronCAXA制造工程师,3.数控程序编制的内容与步骤,4.数控编程的基础1）数控机床坐标系的规定机床上固有的坐标系数控机床坐标轴和运动方向的命名JB3051-82假定工件是静止的，而刀具是运动的。直线运动坐标轴采用右手笛卡尔直角坐标系旋转运动坐标轴用右手螺旋定则确定“数控机床的主轴与机床坐标系的Z轴重合或平行”,2）机床原点（机床零点）与参考点机床原点：机床坐标系的原点。（基准点）参考点：由挡铁和限位开关预先确定好的点。通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。,3）工件坐标系（编程坐标系）与工件原点工件坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。工件坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。,4)加工坐标系加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。加工原点也称为程序原点，是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。加工坐标系原点可由程序指令来设置和改变,5)“刀位点”与“对刀点”,在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。“刀位点”是指刀具的定位基准点。,6）换刀点,换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。,7）程序结构与程序段格式加工程序的结构加工程序主程序和子程序程序段(block)字(word)地址和数据程序段格式,NGX.Y.FSTMLF,程序段序号,准备机能字,坐标字,进给功能字,主轴转速功能字,刀具功能字,辅助功能字,结束符,ISO6938-I-1982GB8870-88,常用地址字符地址字意义N程序段序号G准备机能M辅助机能X、Y、Z主坐标轴X、Y、Z移动坐标尺寸字U、V、W与X、Y、Z轴平行的第2移动坐标尺寸字A、B、C围绕X、Y、Z轴旋转的旋转轴角度尺寸字F、S、T进给速度指定机能、主轴速度机能、刀具机能I、J、K圆弧圆心相对起点坐标R圆弧半径,5.数控系统的指令代码JB3203-831)准备功能G代码G00G99模态代码：一经在一个程序段中指定，其功能一直保持到被取消或被同组其它G代码所代替非模态代码：功能仅在所出现的程序段内有效同组的两个代码不能出现在一个程序段中(如G00,G01)不同组的G代码根据需要可以在一个程序段中出现2)辅助功能M代码M00M99,6.常用G代码功能1）绝对坐标与增量坐标编程指令（G90，G91）G90G01X40.0Y70.0；G91G01X60.0Y40.0；,6.常用G代码功能2)插补功能G代码快速点定位指令（G00）直线插补指令（G01）例：直线轴插补：（G91）G01X200.0Y100.0F200.0；旋转轴插补：G91G01C90.0F300.0；,6.常用G代码功能2)插补功能G代码圆弧插补指令顺时针圆弧插补指令（G02）逆时针圆弧插补指令（G03）方向：从XY平面（ZX平面，YZ平面）的Z轴（Y轴，X轴）的正向往负向观察,Y,格式：G03XxYyIiJjFf或G03XxYyRrFfx,y-终点坐标(与G90和G91有关)I,j-圆心坐标(增量值，与G90和G91无关)r-圆弧半径(负值表示大于180度圆弧)f-切向速度例：G03X100Y100I50J50F100或G03X100Y100R50F100.,圆弧插补示例，加工轨迹如图绝对编程方式：G92X200.0Y40.0Z0；G90G03X140.0Y100.0I-60.0F300；G02X120.0Y60.0I-50.0；或G92X200.0Y40.0Z0；G90G03X140.0Y100.0R60.0F300；G02X120.0Y60.0R50.0；增量编程方式：G91G03X-60.0Y60.0I-60.0F300；G02X-20.0Y-40.0I-50.0；或G91G03X-60.0Y60.0R60.0F300；G02X-20.0Y-40.0R50.0；,6.常用G代码功能3)与坐标系有关的G代码坐标平面设定指令（G17，G18，G19）G17-xy平面;G18-zx平面;G19-yz平面.,工件坐标系设定指令G92X400Z250,6.常用G代码功能3)与坐标系有关的G代码,G92X180.Y150.选择工件坐标系指令（G54G59）,（1）返回参考点指令（G28）（2）从参考点返回指令（G29）,6.常用G代码功能4).关于参考点的G代码,G28X1000.0Y700.0；返回参考点（ABR）T1111；在参考点换刀G29X1500.0Y200.0；从参考点返回（RBC）,6.常用G代码功能5)进给功能G代码（1）每分进给量指令（G94）G94；每分进给G代码F_；进给速度指令（mm/min或inch/min）（2）每转进给量指令（G95）G95；每转进给G代码F_；进给速度指令（mm/rev或inch/ren）,6)暂停指令G代码G04P_;（0.00199,999.999ms）G04P3000;暂停3秒,7.辅助功能指令M代码M代码指令主要用于数控机床开、关量的控制。如程序结束，主轴的正、反转，冷却液的开、停等。M00程序停止。M02程序结束，系统复位。M30程序结束，程序返回到开始状态。M03、M04和M05主轴正转、反转和停止。M06换刀M08和M09冷却液开、关指令。M98、M99子程序调用和返回指令。,主程序与子程序子程序调出的形式：M98P；子程序号重复调用次数（最大999）,例:如图所示零件，进行打中心孔、钻孔、攻螺纹等加工。主程序为O0003；钻中心孔、钻孔、倒角、攻螺纹和钻孔位置子程序分别为O0100、O0200、O0300、O0400和O0500号。工件坐标系的原点为W，固定循环的初始平面为Z=250，R点平面为Z=2，钻通孔钻头伸出量为2，中心孔的孔深为1.5，倒角深度为1，其它尺寸如图。刀具:T01（中心钻）T02（8.5钻头）T03（倒角钻头）T04（M10丝锥）。,O0003；主程序N10G54G90G00X0Y0Z250.0；选择工件坐标系，快进到换刀点N15T01M06；换上01号刀具中心钻N20S1500M03M08；启动主轴，开冷却液N25M98P0100；在四个孔中心孔位置打中心孔N30T02M06；换02号刀具8.5钻头N35S1000M03M08；启动主轴，开冷却液N40M98P0200；钻四个孔N45T03M06；换03号刀具倒角N50S1500M03M08；启动主轴，开冷却液N55M98P0300；给每个孔倒角N60T04M06；换04号刀具M10丝锥N65S200M03M08；启动主轴，开冷却液N70M98P0400；对四个孔攻丝N75G28；返回参考点主程序结束N80M30；主程序结束,O0100；钻中心孔子程序N85G99G81X-40.0Y0R2.0Z-1.5F10.0；钻中心孔循环，钻第1个孔的中心孔N90M98P0500；调用孔位置子程序（二级调用），钻2、3、4孔的中心孔N95M99；O0200；钻孔子程序N100G99G81X-40.0Y0R2.0Z-17.0F10.0；钻第1个孔N105M98P0500；调用孔位置子程序，钻2、3、4孔N110M99；O0300；倒角子程序N115G99G81X-40.0Y0.R2.0Z-1.0F20.0；第1个孔倒角N120M98P0500；调用孔位置子程序，对2、3、4孔倒角N125M99；O0400；攻丝子程序N130G99G84X-40.0Y0R2.0Z-17.0F10.0；攻第1个孔N135M98P0500；调用孔位置子程序，对2、3、4孔攻丝N140M99；O0500；位置子程序N150X0Y40.0；第2个孔的位置N155X40.0Y0；第3个孔的位置N160X0.0Y-40.0；第4个孔的位置N165M99；,六、数控加工工艺特点,3-5数控机床,在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：数控加工工艺内容的选择；数控加工工艺性分析；数控加工工艺路线的设计。1.数控加工工艺内容的选择对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。,六、数控加工工艺特点,3-5数控机床,适于数控加工的内容在选择时，一般可按下列顺序考虑：（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；（3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。,1.数控加工工艺内容的选择,六、数控加工工艺特点,3-5数控机床,不适于数控加工的内容（1）调整时间长。如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床加工；（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。,1.数控加工工艺内容的选择,六、数控加工工艺特点,结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。1)尺寸标注应符合数控加工的特点在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。2)几何要素的条件应完整、准确在自动编程时