机械制造技术基础第13讲(2015)

三、镗孔镗孔是在预制孔上用切削刀具使之扩大的一种加工方法，其加工范围很广，可以对不同直径的孔进行粗加工、半精加工和精加工。镗孔工作既可以在镗床上进行，也可以在车床、铣床、数控加工中心及自动机床上进行。第三节孔加工1．镗孔方式（1）工件旋转，刀具作进给运动这种镗孔方式适于加工与外圆表面有同轴度要求的孔。图3-37工件旋转、刀具进给的镗孔方式刀具进给方向与工件回转轴线平行刀具进给方向与工件回转轴线不平行（2）刀具旋转，工件作进给运动这种镗孔方式镗杆的悬伸长度一定，镗杆变形对孔的轴向形状精度无影响。但工作台进给方向的偏斜会使工件孔中心线产生位置误差。图3-38a）刀具旋转、工件进给的镗孔方式1-镗杆2-镗刀3-工件4-工作台5-主轴6-拖板7-镗模图3-38b为专用镗模镗孔，镗杆与机床主轴浮动联接，镗杆支承在镗模的两个导套中，刚性较图3-38b）刀具旋转、工件进给的镗孔方式1-镗杆2-镗刀3-工件4-工作台5-主轴6-拖板7-镗模好。此时对所加工孔的位置精度由镗模精度直接保证。在专用镗模上用普通镗刀镗孔时，镗杆变形量的大小将随着镗模的移动而发生变化，致使工件孔产生纵向形状误差。可改用双刃浮动镗刀解决此类问题。图3-38b）刀具旋转、工件进给的镗孔方式1-镗杆2-镗刀3-工件4-工作台5-主轴6-拖板7-镗模普通镗刀浮动镗刀（3）刀具即旋转又进给这种镗孔方式因镗杆图3-38刀具既旋转又进给的镗孔方式1-镗杆2-镗刀3-工件4-工作台5-主轴的悬伸长度是变化的，所以镗杆的受力变形也是变化的，镗出来的孔必然会产生形状误差。此外，镗杆的悬伸长度增大，主轴因自重引起的弯曲变形也增大，孔轴线将产生相应的弯曲。这种镗孔方式只适于加工较短的孔。图3-38刀具既旋转又进给的镗孔方式1-镗杆2-镗刀3-工件4-工作台5-主轴2．金刚镗由于金刚镗最初是用金刚石镗刀加工，故称金刚镗。现在普遍采用硬质合金、CBN和人造金刚石刀具材料。金刚镗的特点是背吃刀量和进给量小，切削速度高，它可以获得很高的加工精度（IT7~IT6级）和很光洁的表面（Ra为0.4~0.05µm）。金刚镗最初用于加工有色金属工件，现在也广泛用于加工铸铁件和钢件。但需注意的是，在加工铸铁件和钢件时，只能使用硬质合金或CBN制作的镗刀。金刚镗的加工质量好，生产效率高，在大批大量生产中它被广泛用于精密孔的最终加工。3．镗刀镗刀可分为单刃镗刀和双刃镗刀。图3-40单刃镗刀通孔单刃镗刀盲孔单刃镗刀图3-41所示的浮动的双刃镗刀，可消除因镗刀安图3-41浮动镗刀装误差或镗杆偏摆引起的误差；但它与铰孔相似，只能保证尺寸精度，不能校正铰孔前孔轴线的位置误差。4．镗孔的工艺特点及应用范围镗孔和钻—扩—铰工艺相比，孔径尺寸不受刀具尺寸的限制，且镗孔具有较强的误差修正能力，可通过多次走刀来修正原孔轴线偏斜误差，而且能使所镗孔与定位表面保持较高的位置精度。镗孔时，由于刀杆系统的刚性差、变形大，散热排屑条件不好，工件和刀具的热变形较大。综上分析可知，镗孔工艺范围广，可加工各种不同尺寸和不同精度等级的孔，对于孔径较大、尺寸和位置精度要求较高的孔和孔系，镗孔几乎是唯一的加工方法。镗孔的加工精度为IT9～IT7级，表面粗糙度Ra为3.2~0.8µm。第四节平面及复杂曲面加工一、概述二、铣平面1.铣削方式铣平面有端铣和周铣两种方式。按照铣平面时主运动方向与进给运动方向的相对关系，周铣有顺铣和逆铣之分。工件进给方向与铣刀的旋转方向相反称为逆铣；工件进给方向与铣刀的旋转方向相同称为顺铣。顺铣和逆铣各有特点，应根据加工的具体条件合理选择。图3-50顺铣与逆铣a）b）逆铣顺铣（1）从切屑截面形状分析逆铣时，刀齿的切削厚度由零逐渐增加，由于切削刃钝圆半径的影响，刀齿在已加工表面上滑擦一段距离后才能真正切入工件，因而刀齿磨损快，加工表面质量较差。顺铣时则无此现象。顺铣时铣刀寿命比逆铣高2~3倍，加工表面质量也比较好，但顺铣不宜铣带硬皮的工件。图3-50顺铣与逆铣逆铣顺铣（2）从工件装夹可靠性分析逆铣时，刀齿对工件的垂直作用力Fv向上，容易使工件的装夹松动；顺铣时，刀齿对工件的垂直作用力Fv向下，使工件压紧在工作台上，加工比较平稳。图3-50顺铣与逆铣逆铣顺铣（3）从工作台丝杠、螺母间隙分析逆铣时，工件承受的水平铣削力FH与进给速度vf的方向相反，铣床工作台丝杠始终与螺母接触。vfvFHFvⅠ图3-51铣削时丝杠和螺母的间隙a）逆铣螺母固定丝杠移动顺铣时，工件承受的水平铣削力FH与进给速度vf

相同，由于丝杠螺母间有间隙，铣刀会带动工件和工作台窜动，使铣削进给量不均匀，容易打刀。采用顺铣法加工时必须采取措施消除丝杠与螺母之间的间隙。vfFHFVv图3-51铣削时丝杠和螺母的间隙b）顺铣螺母固定丝杠移动端铣时，铣刀刀齿切入切出工件阶段会受到很大的冲击。由图3-52可知，从减小刀齿切入工件时图3-52对称铣和不对称铣a）对称铣b）不对称铣受到的冲击考虑，图3-52b所示的不对称铣比图3-52a所示的对称铣较为有利。2.铣刀及其几何角度铣刀的种类很多，如图3-53所示。图3-53铣刀的类型圆柱铣刀面铣刀三面刃铣刀图3-53铣刀的类型锯片铣刀立铣刀键槽铣刀图3-53铣刀的类型模具铣刀角度铣刀成形铣刀下面主要介绍圆柱铣刀和面铣刀。（1）圆柱形铣刀的结构刀齿排列在刀体圆周上的铣刀称为圆柱形铣刀。整体圆柱铣刀它的结构形式分为由高速钢制造的整体圆柱形铣刀（图3-53a）和镶焊硬质合金刀片的镶齿圆柱形铣刀（图3-54）。图3-54镶齿圆柱形铣刀圆柱形铣刀一般采用螺旋刀齿，以提高切削工作的平稳性。（2）面铣刀的结构面铣刀的刀齿排列在刀体端面上，硬质合金面铣刀是加工平面的最主要刀具。焊接夹固式面铣刀的结构如图3-55所示。这种铣刀有两种重磨方式：一种是体内刃磨；另一种是体外刃磨。图3-55焊接夹固式面铣刀将刀片用机械夹固方式固定在刀体上的面铣刀叫做机夹可转位面铣刀。图3-56锥柄机夹可转位面铣刀（3）铣刀的几何角度图3-57铣刀的几何角度a）圆柱形铣刀β圆柱铣刀和面铣刀是铣刀的基本形式，图3-57给出了这两种刀具的几何角度。图3-57铣刀的几何角度b）面铣刀3.铣削的工艺特点及应用范围由于铣刀是多刃刀具，刀齿能连续地依次进行切削，且主运动为回转运动，可实现高速切削，故铣平面的生产效率一般都比刨平面高。其加工质量与刨平面相当，经粗铣—精铣后，尺寸精度可达IT9~IT7级，表面粗糙度Ra可达6.3~1.6µm。由于铣平面的生产率高，故在大批大量生产中铣平面已逐渐取代了刨平面。在成批生产中，中小件加工大多采用铣削，大件加工则铣、刨加工兼用，一般都是先粗铣后精刨。而在单件小批生产中，特别是在一些重型机器制造厂中，刨平面仍被广泛采用。另外，因刨平面不能获得足够的切削速度，故有色金属材料的平面加工几乎全部都用铣削。三、复杂曲面加工曲面加工在机械制造中也占一定比例。从表面成形的观点分析，有些曲面在形成原理上与平面相同。但另外还有一类曲面，如螺旋桨的表面，涡轮叶片表面，复杂模具型腔面等，其表面形状比较复杂，不能用基本立体几何要素（例如棱柱、棱锥、球等）描述，通常称之为复杂曲面。复杂曲面的切削加工方法有仿形铣和数控铣两种，使用的刀具一般为头部为圆形的球头铣刀。目前数控铣削已成为复杂曲面切削加工最主要的方法。大型的复杂曲面需要在多轴联动加工中心上加工，加工中心上设有刀库，一般都配备十几把、几十把甚至上百把刀具用来完成不同曲率半径曲面的粗、精加工。第五节数控机床与数控加工一、数控机床的加工原理1.数控机床及其坐标系用数字化信息进行控制的技术称为数字控制技术；装备了数控系统，能应用数字控制技术进行加工的机床称为数控机床。数控机床按用途分为普通数控机床和加工中心两大类。数控机床的加工原理如3-58图所示。输入装置数控装置伺服系统机床本体反馈装置加工程序输入装置、数控装置、伺服系统和机床本体是数控机床的四个基本组成部分。

图3-58数控机床的加工原理框图在数控机床中，机床直线运动的坐标轴按照ISO841和我国的JB/T3051-1999标准，规定为右手直角笛卡尔坐标系。

图3-59数控机床的坐标系机床数控系统能够控制的运动数目通常称为坐标（轴）数。数控机床在加工过程中不同坐标轴之间可以联动，所谓联动是指机床可在各坐标轴方向按一定的速度和轨迹同时独立运动，它们的合成运动速度及轨迹符合预先规定的加工要求。

2.数控机床的数控装置数控机床早期的数控装置使用专用计算机，称为（普通）数控（NC）。而目前数控装置采用的是通用计算机，称为计算机数控（CNC）。CNC装置是数控机床的控制中心，由它接收和处理输入信息，并将处理结果通过接口输出，对机床进行控制。数控机床数控系统的组成如图3-60所示，图中点划线框内的部分构成CNC装置。图3-60数控机床数控系统的组成CNC装置的主要功能为：（1）功能控制控制机床冷却液供给、主轴电机开停、调速以及换刀等功能。（2）位置控制控制刀具与工件的相对运动位置或轨迹。（3）信号处理对系统运行过程中得到的机床状态信号进行分析处理，使系统作出相应的反应。3.数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置，机械传动机构及执行部件组成。其作用是接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作数模转换和功率放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床的执行机构，以某一确定的速度、方向和位移量，沿机床坐标轴移动，实现加工过程的自动循环。数控机床的进给伺服系统按位置检测和反馈方式的不同分为以下两类：（1）开环伺服系统（图3-61）图3-61开环伺服系统（2）闭环伺服系统（图3-62）图3-62闭环伺服系统数控机床的检测反馈信号不是取自机床终端运动部件的闭环系统称为半闭环系统（图3-62中虚线部分）。图3-62闭环伺服系统二、数控铣床及加工中心的主运动及进给运动系统1.主运动系统数控铣床的主运动系统应比普通铣床有更宽的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削速度，充分发挥机床性能。而加工中心为适应各种不同类型刀具和各种材料的切削要求，对主轴的调速范围要求更高。为保证数控机床总是能在最有利的切削速度下进行加工，数控机床的主轴转速在其调速范围内通常都是无级调速的。

在数控机床中，由于机床主轴的变速功能主要是通过主轴电动机的无级调速来实现的，故其主运动传动系统的结构相对比较简单。数控机床和加工中心的主传动系统有以下三种不同形式：（1）电动机直接带动主轴旋转其优点是结构紧凑，缺点是主轴的转速—转矩输出特性和电动机输出特性相同，使用上受到一定限制。图3-63数控机床主传动系统的三种形式（2）电动机经V带或同步齿形带传动主轴其优点是结构简单，安装调试方便，机床主轴的图3-63数控机床主传动系统的三种形式转速—转矩输出特性可得到改善。这种传动方式主要用于转速较高、变速范围不大、扭矩特性要求低的主轴传动。（3）电动机经1~4对变速齿轮传动主轴其优点是机床主轴的转速—转矩输出特性好，缺图3-63数控机床主传动系统的三种形式点是结构复杂。图3-63c所示带有变速齿轮的主传动是大中型数控机床经常采用的传动形式。在带有变速齿轮的主轴箱中，齿轮变速大多采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。图3-64是三位液压拨叉的原理图。

图3-64三位液压拨叉的工作原理1、5-液压缸2-活塞杆3-拨叉4-套筒2.刀具自动夹紧装置和主轴周向定向装置加工中心为了实现刀具在主轴上的自动装卸，要求配置刀具自动夹紧装置，其作用是自动地将刀具夹紧或松开，以便机械手能在主轴上安放或取走刀具。图3-71为JCS—018型立式加工中心的主轴结构图，刀具自动夹紧装置装在主轴内孔中。图3-71主轴结构1-刀柄2-主轴3-拉钉4-钢球5-蝶形弹簧6-拉杆7-螺旋弹簧8-活塞9、10-行程开关图3-72是一种使用弹性卡爪的刀具自动夹紧机构图3-72使用弹性卡爪的刀具自动夹紧机构1-主轴2-刀柄3-拉钉4-弹性卡爪

5-蝶形弹簧6-拉杆在刀具切削时，通常在主轴前端设置两个端面键来传递切削转矩。换刀时，刀柄上的键槽必须对准端面键。为此，主轴在停止转动时，要求主轴必须准确地停在某一指定的周向位置上，主轴定向装置就是为保证换刀时主轴能准确停止在换刀位置而设置的。图3-73主轴周向定向装置示意图1-塔轮2-磁感应器3-发磁体4-垫片3.进给运动系统数控机床进给运动系统与普通机床不同。伺服电动机在接收到控制系统发出的指令信号后产生相应的角位移运动，再通过减速齿轮传动或直接带动丝杠螺母副运动转换成纵向、横向或垂直向的直线运动。因此，数控机床进给系统的机械传动机构变得十分很简单。在数控机床的进给系统中普遍采用滚珠丝杠副。图3-65为滚珠丝杠的结构示意图。图3-65滚珠丝杠的结构示意图1-丝杠2-螺母3-滚珠4-插管为了提高滚珠丝杠的轴向刚度，滚珠丝杠常用推力轴承来支承。滚珠丝杠常用的支承方式见图3-66。

图3-66滚珠丝杠常用的支承方式为了提高传动精度的稳定性及进给系统的刚度，应消除丝杠螺母间隙和对丝杠螺母预加载荷。图3-67丝杠螺母的预紧三、JCS-018型立式加工中心1.机床布局JCS-018型立式加工中心是一种具有自动换刀装置的数控立式镗铣床。在工件的一次装夹中，机床可连续自动地对其上平面进行铣削和对垂直孔进行钻、扩、铰、镗、锪、攻丝等多种加工。JCS-018型立式加工中心外形及布局见图3-68。图3-68JCS-018型立式加工中心1-床身2-滑座3-工作台4-立柱5-数控柜6-刀库

7-机械手8-主轴箱9-操作面板10-驱动电柜2.传动系统如图3-68所示为JCS-018型立式加工中心的传动系统简图。图3-69JCS-018型立式加工中心传动系统简图3.伺服进给系统JCS-018型立式加工中心工作台纵向（X轴）伺服进给装置如图3-70所示。图3-70工作台纵向（X轴）伺服进给装置1-电动机2-锥环无键联轴器3-十字滑块联轴器4-丝杠5、8-螺母6-垫圈7-联接键9-螺母座4.主要部件结构（1）主轴部件（2）自动换刀装置JCS-018型立式加工中心设有刀库式自动换刀装置，它安装在立柱左侧上部，由刀库和机械手两部分组成，刀库可容纳16把刀具。图3-74给出了刀库及刀座的主要结构。图3-74刀库及刀座1-拨叉2-刀座顶部滚子3-支承板4-刀座5-滚子6-固定导盘

7-刀库圆盘8-蜗轮9-蜗杆10-弹簧球头销11-弹簧12-销JCS-018机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。在换刀过程中（参见图3-75），机械手要完成抓