机械制造技术基础chapter3

金属切削(qiēxiāo)机床是用切削(qiēxiāo)方法将金属毛坯加工成具有一定形状、尺寸和表面质量的机械零件的机器。由于它是制造机器的机器，通常又称为工作母机或工具机，习惯上称为机床。精品资料金属切削(qiēxiāo)机床第一节概述一、机床(jīchuáng)的基本组成动力源传动系统支承件工作部件控制系统冷却系统润滑系统其它装置精品资料金属切削(qiēxiāo)机床二、机床(jīchuáng)的运动机床的运动分为表面形成运动和辅助运动1.表面形成运动机床最基本的运动，亦称工作运动

主运动

进给运动2.辅助运动在加工过程中加工工具与工件除工作运动以外的其他运动。

切入运动

各种空行程运动

其他辅助运动精品资料金属切削(qiēxiāo)机床三、机床(jīchuáng)技术性能指标1.机床的工艺范围

通用机床

专用机床2.机床的技术参数

尺寸参数——具体反映机床的加工范围

运动参数——机床执行件的运动速度

动力参数——机床电动机的功率精品资料金属(jīnshǔ)切削机床四、机床(jīchuáng)精度与刚度

机床精度加工中保证被加工工件达到要求的精度和表面粗糙度，并能在机床长期使用中保持这些要求，机床本身必须具备的精度

几何精度

运动精度

传动精度

定位精度

工作精度

精度保持性机床刚度机床系统抵抗变形的能力精品资料五.机床的分类及型号(xínghào)的编制方法机床(jīchuáng)的分类按加工性质和所用刀具分为12大类，即车床、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、超声波及电加工机床、切断机床、其它机床每一大类中的机床，按结构、性能和工艺特点还可细分为若干组，每一组又细分为若干系（系列）精品资料机床型号(xínghào)的编制方法机床的型号必须(bìxū)简明地反映出机床的类型、通用特性、结构特性及主要技术参数等我国的机床型号现在是按照1994年颁布的标准GB/T15375-94《金属切削机床型号编制方法》编制而成精品资料金属切削(qiēxiāo)机床

完整(wánzhěng)形式类代号特性代号主参数第二主参数重大改进顺序号同一型号机床变型代号○（○）●●（×●）（○）（/●）组、系代号精品资料机床类别代号：大写的汉语拼音字母表示机床的特性代号：包括通用特性和结构特性，用大写的汉语拼音字母表示机床的组别和系列代号：二位数字表示机床主参数(cānshù)、设计序号、第二主参数(cānshù)的代号：都用二位数字表示机床重大改进序号：汉语拼音字母表示精品资料金属切削(qiēxiāo)机床MG1432A类代号(dàihào)：磨床特性代号：通用特性代号（高精度）组、系代号：万能外圆磨床主参数：最大磨削直径320mm重大改进顺序号：第一次重大改进经过一次重大改进，最大磨削直径为320mm的高精度万能外圆磨床精品资料金属切削(qiēxiāo)机床○——●●设计单位(dānwèi)代号设计顺序号组代号2.专用机床型号精品资料金属切削(qiēxiāo)机床一、传动系统1.主传动系统

分类(fēnlèi)第二节金属切削机床部件按驱动主传动的电动机类型:交流电动机驱动、直流电动机驱动按传动装置类型：机械传动、液压传动、电气传动按变速的连续性分级变速传动无级变速传动2.进给传动系统

机械进给传动

液压进给传动

电伺服进给传动精品资料空套连接(liánjiē)普通(pǔtōng)平键连接导向平键连接花键连接常用传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用(chánɡyònɡ)传动件的简图符号精品资料常用传动(chuándòng)副的传动(chuándòng)关系传动比i：Z1/Z2i==n2/n1n2=n1×Z1/Z2主动轮从动轮精品资料K/Zi=传动比i：K－蜗杆的线数Z－蜗轮的齿数常用(chánɡyònɡ)传动副的传动关系涡轮蜗杆传动精品资料齿条(chǐtiáo)移动速度：nv---与齿条啮合(nièhé)的齿轮的转速,r/min;m---齿条、齿轮模数，mm;z---齿轮齿数p---齿条齿距,mm。(mm/s)常用传动副的传动关系精品资料螺母移动(yídòng)速度：nv---丝杠转速(zhuànsù),r/min;p---单头螺杆螺距,mm。(mm/s)常用传动副的传动关系丝杠螺母传动精品资料´i1=Z1/Z1i2i3==Z2/Z2Z3/Z3´´机床常用变速(biànsù)机构精品资料(1)电气伺服进给传动系统的控制(kòngzhì)类型

开环系统(xìtǒng)

闭环系统(xìtǒng)

半闭环系统(xìtǒng)2.进给传动系统

开环系统对工作台实际位移量没有检测和反馈，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用的电动机主要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的精度。精品资料开环控制的优点是：结构简单、系统稳定、容易调试、成本低廉等。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置(wèizhi)精度通常为±0.01～±0.02mm。一般适用于经济型数控机床。开环数控系统精品资料2)闭环控制系统闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置，例如光栅、感应同步器和磁栅等位置测量装置，（如图所示。）在加工中，位置测量装置将测量到的工作台实际位置反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终(zuìzhōnɡ)精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中心上。精品资料图1.9闭环控制系统(xìtǒng)精品资料3）半闭环控制系统半闭环控制系统是在伺服系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置(角位移检测装置有圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等）。半闭环控制系统不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台位移量，然后反馈给数控装置，（如图所示。）这种控制系统实际控制的是丝杠的传动，而丝杠的螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单、安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛地采用。目前已逐步将角位移检测装置和伺服电动机设计成一个部件(bùjiàn)，使系统变得更加简单，安装调试更加方便，目前，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统。精品资料图1.10半闭环控制系统(xìtǒng)精品资料

步进电动机

直流伺服电动机

交流(jiāoliú)伺服电动机

直线伺服电动机(3)电气伺服进给系统中的机械传动部件(bùjiàn):运动部件(bùjiàn)的移动是靠脉冲信号来控制的，要求运动部件(bùjiàn)动作灵敏、低惯量、定位精度好、具有适宜的阻尼比，传动机构不能有反向间隙。滚珠丝杠

(2)电气伺服进给系统驱动部件精品资料

电机(diànjī)支承(zhīchénɡ)丝杠螺母伺服进给系统精品资料

伺服电机精品资料

滚珠(gǔnzhū)丝杠螺母副精品资料滚珠丝杠螺母副的结构原理：在丝杠和螺母上都装有半圆弧形的螺旋(luóxuán)槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋(luóxuán)滚道。螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺旋(luóxuán)滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动。滚珠(gǔnzhū)丝杠副结构原理图精品资料滚珠丝杠螺母(luómǔ)副的特点:与传统的滑动丝杠螺母副比较，滚珠丝杠螺母副具有(jùyǒu)以下优点：（1）传动效率高，摩擦损失小。（2）运动平稳无爬行。（3）传动精度高，反向时无空程。（4）磨损小，精度保持性好，使用寿命长。（5）具有(jùyǒu)运动的可逆性。滚珠丝杠副的缺点是：（1）制造成本高。（2）由于不能自锁，因此必须增加制动装置。精品资料金属(jīnshǔ)切削机床二、主轴部件主轴部件是机床重要部件之一,是机床的执行件。作用：支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。组成：主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位(dìngwèi)元件

1.主轴部件应满足的基本要求

旋转精度：安装工件或刀具的主轴部位的径向和轴向跳动

刚度：在外加载荷作用下抵抗变形的能力

抗振性：抵抗受迫振动和自激振动的能力

温升和热变形：各相对运动处的摩擦生热，切削热等使主轴部件温度升高，造成主轴热变形。耐摩性精品资料（1）旋转(xuánzhuǎn)精度主轴组件(zǔjiàn)的旋转精度是指专机在空载低速转动时，在主轴前端定位面上测得的径向圆跳动、端面圆跳动和轴向窜动值的大小。主轴组件(zǔjiàn)的旋转精度是在静态无载条件下测出的。如果在工作条件下，则旋转精度就会有所不同，这种精度称为运动精度，是动态的旋转精度。精品资料轴向窜动径向(jìnɡxiànɡ)圆跳动角度(jiǎodù)摆角精品资料主轴旋转误差(wùchā)综合精品资料主轴(zhǔzhóu)组件的旋转精度影响因素轴承精度和间隙与轴承相配合零件（箱体、主轴本身）的精度轴承安装、调整(tiáozhěng)主轴转速轴承组合设计轴承的性能精品资料（2）.静刚度(ɡānɡdù)静刚度简称为刚度。主轴组件的刚度是指在外加载荷(zàihè)作用下抵抗变形的能力。指在主轴工作端部作用一个静态力F（或扭矩M）时，F与主轴在F作用方向上所产生的变形y之比径向刚度、轴向刚度、扭转刚度对于大多数专机来说，主轴的径向刚度是主要的。精品资料精品资料影响主轴组件(zǔjiàn)刚度的主要因素主轴(zhǔzhóu)的结构型式及尺寸轴承的类型、配置及预紧传动件的布置方式主轴(zhǔzhóu)组件的制造与装配质量精品资料（3）．抗振性主轴组件的抗振性是指机器工作时主轴组件抵抗振动、保持主轴平稳运转(yùnzhuǎn)的能力。主轴组件的振动会影响工件的表面质量、刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声而影响工作环境。精品资料（4）．热变形(biànxíng)主轴组件的热变形是指机器工作时，因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损(hàosǔn)而发热造成的温差，使主轴组件在形状和位置上产生的畸变。热变形可在主轴组件运转一段时间后因发热而造成的各部分位置变化来度量，也可以用温升近似地表示。主轴组件的热变形会使主轴伸长，使轴承的间隙发生变化，轴心位置偏移等；润滑油温度升高后，使黏度下降，从而降低轴承的承载能力。精品资料影响主轴组件温升和热变形(biànxíng)的主要因素轴承(zhóuchéng)的类型、配置方式和预紧力的大小润滑方式散热条件精品资料一般规定，使用滑动轴承时，主轴轴承温度不得超过60℃，对于高精度机床不得超过室温10℃。滚动轴承的允许温度可参阅(cānyuè)表3．1(在室温为20℃的条件下）。精品资料（5）．耐磨性

主轴组件的耐磨性是指长期地保持其原始制造精度的能力，即精度的保持性。主轴组件的各滑动表面（包括主轴端部定位面、锥孔与滑动轴承配合的轴颈表面，轴向移动的主轴组件的导向表面等）都必须具有很高的硬度，以保持其耐磨性。滑动和滚动轴承的磨损不仅使主轴组件丧失了原有的运转精度，而且将降低刚度和抗振性，因此必须保证这些部分(bùfen)的耐磨性和具有调整的可能性。精品资料影响耐磨性的主要(zhǔyào)因素主轴、轴承(zhóuchéng)的材料与热处理轴承(zhóuchéng)（或衬套）类型润滑方式精品资料精品资料卧式车床(chēchuáng)传动系统精品资料主运动(yùndòng)传动系统精品资料2.主轴部件(bùjiàn)的传动方式

齿轮传动：结构简单、紧凑，能传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广，但不如带传动平稳。

带传动：靠摩擦力传动，适用于中心距较大的两轴之间传动。传动带有弹性，可吸振，传动平稳，过载(guòzài)会打滑。

电动机直接驱动方式

主轴传动方式的选择，主要决定于主轴的转速、所传递的转矩、对运动平稳性的要求以及结构紧凑、装卸维修方便等要求。精品资料多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单，制造装配方便，容易保证精度。为提高(tígāo)主轴部件的刚度，前后支承应消除间隙或预紧。为提高(tígāo)刚度和抗振性，有的机床主轴采用三个支承。三个支承中可以前、后支承为主要支承，中间支承为辅助支承；也可以前、中支承为主要支承，后支承为辅助支承。(1)主轴(zhǔzhóu)的支承形式3.主轴部件结构精品资料主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。主轴一般为空心阶梯(jiētī)轴，前端径向尺寸大，中间径向尺寸逐渐减小，尾部径向尺寸最小。

尽量做到设计、工艺、检测基准相统一：两主支承轴径圆心连线A－B。(2)主轴(zhǔzhóu)的构造精品资料(3)主轴(zhǔzhóu)的材料和热处理主轴的材料应根据载荷特点、耐磨性要求、热处理方法和热处理后变形情况选择。普通机床主轴可选用中碳钢(如45钢)，调质处理后，在主轴端部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬，以提高其耐磨性。只有载荷大和有冲击时、或精密(jīngmì)机床需要减小热处理后的变形时、或有其它特殊要求时，才考虑选用合金钢。当支承为滑动轴承，则轴颈也需淬硬，以提高耐磨性。精品资料(4)主轴(zhǔzhóu)轴承主轴部件中最重要的组件是轴承。轴承的类型、精度、结构、配置方式、安装调整、润滑和冷却等状况，都直接影响(yǐngxiǎng)主轴部件的工作性能。图3-13典型的主轴轴承a)、b)双列短圆柱滚子轴承c)双列空心圆锥滚子轴承d)单列空心圆锥滚子轴承e)圆锥轴承f)双列圆锥轴承g)双向推力角接触球轴承h)角接触球轴承1、4—内圈2—外圈3—隔套精品资料滚动轴承(gǔndòngzhóuchéng)轴承铬钢(ɡèɡānɡ)GCr15，硬度60～65HRC低碳钢；铜、铝、工程塑料保持架滚动体内圈外圈精品资料精品资料精品资料圆锥(yuánzhuī)滚子轴承3000

精品资料推力球轴承5000

精品资料角接触(jiēchù)球轴承7000

精品资料圆柱(yuánzhù)滚子轴承

精品资料主轴滚动轴承的配置(pèizhì)型式载荷(zàihè)较大转速较高时，采用双列圆柱滚子轴承和接触角为60°的双向推力角接触球轴承组合转速为中、低速时，采用双列圆柱滚子轴承和推力球轴承或圆锥滚子轴承的组合精品资料主轴滚动轴承的配置(pèizhì)型式载荷(zàihè)中等转速较高时，采用双列圆柱滚子轴承和角接触球轴承的组合或采用前后支承都是角接触球轴承的组合转速为中、低速时，可采用两个圆锥滚子轴承做前后支承轴承精品资料主轴滚动轴承的配置(pèizhì)型式载荷(zàihè)较小转速较高时，可采用前后支承都是单列角接触球轴承的组合，如果要提高轴向刚度可每个支承并列两个轴承转速为中、低速时，可采用深沟球轴承和推力球轴承的组合精品资料滚动轴承间隙(jiànxì)的调整和预紧滚动轴承具有合适的间隙或过盈量，不仅能提高(tígāo)主轴组件的工作性能，而且还可以保证轴承有较长的寿命。因此，主轴组件中应设有间隙调整机构，以保证主轴轴承保持合理的间隙或过盈量。主轴轴承在装配时要进行预紧、调整间隙，在使用时会出现间隙或过盈量的变化，还应该进行重新调整。因此，采用间隙调整的方法来保持各类轴承合理的间隙或过盈是十分必要的，并必须力求调整方便、可靠。精品资料常见的滚动轴承间隙(jiànxì)调整的结构：1.对于带锥孔的双列圆柱滚子轴承(zhóuchéng)（NN3000K)它是移动轴承(zhóuchéng)内圈使其锥孔与轴颈外锥面作相对移动，从而使内圈产生径向弹性变形来调整轴承(zhóuchéng)的间隙或过盈量。2.对于角接触轴承(zhóuchéng)它是通过使其内、外圈产生相对位移来实现间隙调整的。精品资料金属(jīnshǔ)切削机床三、机床支承件机床的支承件是指床身、立柱、横梁、底座等大件，相互固定联接成机床的基础和框架(kuànɡjià)。

1.支撑件应满足的基本要求

足够的刚度和较高的刚度—质量比

较好的动态特性

热稳定性好，热变形性对机床加工精度的影响较小

排屑畅通、吊运安全，并具有良好的结构工艺性精品资料2.支承件的结构(jiégòu)(1)箱形类支承件在三个方向的尺寸都相差不多，如各类箱体、底座、升降台等。(2)板块类支承件在两个方向的尺寸比第三个方向大得多，如工作台、刀架等。(3)梁类支承件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多，如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。精品资料3.支承件的材料支承件常用的材料有铸铁、钢板和型钢、天然(tiānrán)花岗岩、预应力钢筋混凝土等。精品资料导轨的功用是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，运动部件可以沿导轨运动。运动的导轨称为(chēnɡwéi)动导轨，不动的导轨称为(chēnɡwéi)静导轨或支承导轨。动导轨相对于静导轨可以作直线运动或者回转运动。四、机床(jīchuáng)导轨精品资料1.导轨应满足的主要技术要求(1)导向精度导向精度是导轨副在空载荷(zàihè)或切削条件下运动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的偏差。(2)承载能力大，刚度好根据导轨承受载荷(zàihè)的性质、方向和大小，合理地选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨具有足够的刚度，保证机床的加工精度。(3)精度保持性好精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的，常见的磨损形式有磨料(或磨粒)磨损、粘着磨损或咬焊、接触疲劳磨损等。(4)低速运动平稳当动导轨作低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳，不出现爬行现象。精品资料2.导轨的截面形状(xíngzhuàn)和组合形式图3-16导轨的截面(jiémiàn)形状a)矩形导轨b)三角形导轨c)燕尾形导轨d)圆柱形导轨精品资料直线导轨的组合(zǔhé)形式直线导轨常见(chánɡjiàn)的组合形式精品资料3.导轨的结构类型(lèixíng)及特点(1)滑动导轨

(2)静压导轨

(3)卸荷导轨(4)滚动导轨精品资料(1).滑动导轨滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用(cǎiyòng)镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。(a)镶钢导轨(b)塑料(sùliào)导轨精品资料(2)卸荷导轨

卸荷导轨是利用机械或液压的方式减小导轨面间的压力,但不使运动部件浮起,因而既能保持(bǎochí)滑动导轨的优点，又能减小摩擦力和磨损。“大型超精密机床导轨卸荷系统结构设计与测试”精品资料精品资料(3).滚动导轨与滑动导轨相比，具有如下优点：摩擦因数小，运动(yùndòng)灵敏，不易爬行；磨损小，精度保持性好，寿命长；润滑系统简单。缺点有：抗振性差，结构复杂，成本较高。

直线(zhíxiàn)滚动导轨的结构

精品资料(4).静压导轨静压导轨主要是液体静压导轨，在静压导轨两个相对运动的导轨面间通入压力油，可使运动件浮起。在工作过程(guòchéng)中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。目前，静压导轨较多应用在大型、重型数控机床上。静压滚动(gǔndòng)精品资料1.机床刀架自动换刀装置应满足的要求1)满足工艺过程所提出的要求。2)在刀架、刀库上要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具时还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。3)刀架、刀库、换刀机械手部应具有(jùyǒu)足够的刚度。4)可靠性高。5)刀架和自动换刀装置是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。6)操作方便和安全。五、机床(jīchuáng)刀架和自动换刀装置精品资料2.机床(jīchuáng)刀架和自动换刀装置的类型按照安装刀具的数目可分为单刀架和多刀架，例如自动车床上的前、后刀架和天平刀架。按结构形式可分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等；按驱动刀架转位的动力不同可分为手动转位刀架和自动(电动和液动)转位刀架。精品资料

车床类机床的运动特征是：主运动为主轴作回转运动，进给运动通常由刀具来完成。车床加工所使用的刀具主要是车刀，还可用钻头(zuàntóu)、扩孔钻、铰刀等孔加工刀具。车床的种类很多，按用途和结构的不同有卧式车床、立式车床、转塔车床、自动和半自动车床以及各种专门化车床等。其中卧式车床是应用最广泛的一种。第三节常见的金属切削机床一、车床精品资料立式(lìshì)车床精品资料立式(lìshì)车床精品资料转塔(zhuǎntǎ)车床其他车床精品资料其他车床精品资料

磨床是用磨料磨具(如砂轮、砂带、油石、研磨料)为工具进行切削加工的机床。它们是由于精加工和硬表面加工的需要而发展起来的，目前也有少数应用于粗加工的高效磨床。为了适应磨削各种加工表面、工件形状及生产批量的要求