第三章机械加工方法及装备(1)

3.1金属切削机床概述3.1.1机床的分类及型号1.机床的分类

机床的品种规格繁多，为便于区别、使用和管理，必须加以分类。对机床的分类方法有以下几种：钻床按加工性质、所用刀具和机床用途分齿轮加工机床螺纹加工机床铣床刨插床镗床磨床拉床特种加工机床锯床车床其它机床按机床的通用性程度分通用机床专门化机床专用机床按机床工作精度分普通机床精密机床高精度机床2.机床的技术参数与尺寸系列

机床的技术参数是表示机床的尺寸大小和加工能力的各种数据，一般包括：主参数，第二主参数，主要工作部件的结构尺寸，主要工作部件的移动行程范围，各种运动的速度范围和级数，各电机的功率，机床轮廓尺寸等。3.机床的型号编制C

A

6

1

40类别代号（车床类）结构特性代号（结构不同）组别代号（落地及卧式车床组）系别代号（卧式车床系）主参数代号（最大工件回转直径400mm）举例：机床的类别代号:

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CZTM2M3MYSXBLGQ读音车钻镗磨二磨三磨牙丝铣刨拉割其

机床的特性代号:

通用特性高精度精密自动半自动数控加工中心(自动换刀)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GMZBKHFQCJRXS读音高密自半控换彷轻重简柔显速3.1.2机床的组成1）动力源2）传动系统3）支承件4）工作部件5）控制系统6）冷却系统7）润滑系统8）其他装置3.1.3机床的运动1.工件表面的形成方法1）机械零件上常见的表面（图2－48）2）零件表面的形成（图2－49）形成发生线的方法轨迹法（图2－50a）成形法（图2－50b）相切法（图2－50c）展成法（图2－50d）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。图图2－48机械零件上常见的表面图2－49零件表面的形成1-母线2-导线a）轨迹法b）成形法c）相切法d）展成法图2-50零件表面成形方法2.机床的运动

就机床上运动的功能来看，可区分为表面成形运动、切入运动、分度运动、调位运动和其它运动等。(1)表面成形运动

是保证得到工件要求的表面形状的运动。它是机床上最基本的运动，是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。例如图2－50（a）中的A1和A2。

图2－50形成发生线所需的运动1－刀尖或切削刃；2－发生线；3－刀具轴线的运动轨迹

外圆磨无心磨车铣加工滚压加工铣削成形磨（横磨）主运动进给运动表2-2外圆表面加工方法

刀具T/RT主运动进给运动

工件表面成形原理图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨表2-3内圆表面加工方法表面成形原理图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动进给运动刀具主运动进给运动工件RRTRRT/RTRTRTTRTT内圆磨无心磨主运动进给运动表2-4平面加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉T车螺纹板牙主运动进给运动表2-5螺纹加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRRTTR滚压丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR主运动进给运动表2-6齿形加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿（2）切入运动

使刀具切入工件表面一定深度，以使工件获得所需的尺寸。（3）分度运动

工作台或刀架的转位或移位，以顺序加工均匀分布的若干个相同的表面或使用不同的刀具作顺次加工。（1）各种空行程运动

调位运动，根据工件的尺寸大小，在加工之前调整机床上某些部件的位置，以便于加工。(2)辅助运动（4）操纵控制运动

如刀具快速趋近工件或退回原位的空程运动，控制运动的开、停、变速、换向的操纵运动等。三、机床的传动1.机床传动的组成（1）执行件

是执行机床运动的部件，如主轴、刀架、工作台等，其任务是装夹刀具或工件，直接带动它们误差一定形式的运动（旋转或直线运动），并保证运动轨迹的准确性。

为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须有执行件、运动源和传动装置三个基本部分。（2）运动源

是为执行件提供运动和动力的装置，如交流异步电动机、直流或交流调速电动机和伺服电动机等。（3）传动装置（传动件）

是传递运动和动力的装置，通过它将运动和动力从动力源传至执行件，使执行件获得运动速度和方向的运动，并使有关执行件之间保持某种确定的相对运动关系。2.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运动源（如把主轴和电机），获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。（1）外联系传动链

它是联系运动源（如电动机）和机床执行件（如主轴、刀架、工作台等）之间的传动链，使执行件得到运动，而且能改变运动的速度和方向，但不要求运动源和执行件之间有严格的传动比关系。（图）图2－51车床的传动原理图（2）内联系传动链

当传动链的两个末端件的转角或移动量之间有严格的比例关系要求时，该传动链称为内联系传动链。（图）3.传动原理图

用一些简单的符合表示各执行件、运动源之间传动联系的图形，称为传动原理图。（图）4.转速图

用来表达传动系统中各轴转速的变化规律和传动副速比的图形，称为转速图。它可以用来拟定新的传动系统，也可以用来对现有的机床传动系统进行分析和比较。（图2－52）图2－52主运动传动链的传动路线表达式（传动结构式）图2－52某车床主运动转速图5.传动系统图图2－536.运动平衡式

为了表达传动链两个末端件计算位移之间的数值关系，常将传动链内各传动副的传动比相连乘组成一个等式，称为运动平衡式。图2－53主运动传动系统图一、CA6140卧式车床1.CA6140卧式车床的组成和主要技术参数

车床(图)主要用于加工各种回转表面，如内外圆柱面、圆锥面、成形回转面、端平面和各种内外螺纹面等。（图2－54）表2-92.传动系统图2－563.2车床与车削图2－54卧式车床的典型加工工序图2-35卧式车床的基本结构及运动1—主轴箱2—夹盘3—刀架4—后顶尖5—尾座6—床身7—光杠8—丝杠9—溜板箱10—底座11—进给箱XZn图2－56CA6140型卧式车床传动系统图(1)机床的主运动传动链

1）高速传动路线2）低速传动路线

传动链图摩擦式离合器

主轴的反转运动通常不用于切削，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。主轴的各级转速，可根据各有关滑动齿轮的啮合关系求得。机床主轴转速为传动链图（2）进给运动传动链

传动链图1）车螺纹进给运动传动链主轴每转一转，刀架应均匀地移动一个导程P

CA6140型普通车床可以车削米制、英制、模数和径节四种螺纹

车削公制螺纹的传动路线

传动链图车削公制螺纹的运动平衡式由传动系统图和传动路线表达式，可以列出车削米制螺纹的运动平衡式：

传动链图车削英制螺纹的运动平衡式其中（3）机动进给运动传动链

将上式化简可得：

1）纵向机动进给传动链

2）横向机动进给传动链

当横向机动进给与纵向进给的传动路线一致时，所得到的横向进给量是纵向进给量的一半传动链图3）刀架快速机动移动

传动链图3.2.3CA6140车床主要部件结构主轴组件CA6140车床主轴组件摩擦离合器变速操纵机构3.2.4车刀1.硬质合金焊接式车刀

结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便使用灵活。但刀片易产生应力和裂纹。

车刀是金属切削加工中使用最广泛的刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。（图2－13）a)直头外圆车刀b)弯头外圆车刀c)弯头外圆车刀

d)端面车刀e)内孔车刀f)切断刀g)宽刃光刀

2.硬质合金机夹重磨式车刀

避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。

3.机夹可转位式车刀（图）1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。

2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。

3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。图2－16可转位式车刀的组成二、立式车床和单轴自动车床1.立式车床图2－572.单轴自动车床图2－58

图2－57立式车床1－底座；2－工作台；3－侧刀架；4－立柱；5－垂直刀架；6－横梁；7－顶梁3.3.1钻床与钻削3.3其他类型机床与加工方法1.立式钻床2.摇臂钻床

孔加工刀具一般可分为两大类:一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等;另一类是对工件上己有孔进行再加工用的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。

3.孔加工刀具1.麻花钻

主要用于孔的粗加工，IT11级以下；表面粗糙度Ra25μm~6.3μm

。1）麻花钻的构造图2－182）麻花钻的主要几何参数（1）螺旋角β

指钻头最外缘处螺旋线的切线与钻头轴线的夹角。工作部分(刀体)的前端为切削部分，承担主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。工作部分有两个对称的刃瓣、两条对称的螺旋槽;导向部分磨有两条棱边。

螺旋角对切削过程的影响β

γf轴向力和扭矩切削轻快切削刃强度和散热条件刀具寿命

螺旋角的大小不仅影响排屑情况，而且它就是钻头的轴向前角。

标准麻花钻的螺旋角β=18°~

30°。

黄铜、软青铜：

β=10°~17°

轻合金、紫铜：

β=35°~40°

高强度钢、铸铁:β=10°~15°（2）顶角2φ

指两主切削刃在与它们平行的平面上投影的夹角。（图）

螺旋角对切削过程的影响2φ

主切削刃长度单位切削刃上的负荷及轴向力钻尖强度有利于散热，提高钻头耐用度而扭矩（3）前角γo

是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角。（图）

由于钻头的前刀面是螺旋面，且各点处的基面和正交平面位置亦不相同，故主切削刃上各处的前角也是不相同的，由外缘向中心逐渐减小。在图样上，钻头的前角不予标注，而用螺旋角表示。麻花钻的几何角度（4）后角αf

是在假定工作平面内测量的切削平面与主后刀面之间的夹角。（图）

为改善切削条件，并能与切削刃上变化的前角相适应，而使各点的楔角大致相等，麻花钻的后角刃磨时应由外缘向中心逐渐增大。（5）横刃角度

横刃角度包括横刃斜角ψ、横刃前角γoψ、和横刃后角α

oψ。（图）

由于横刃前角为负值，因此横刃的切削条件很差，切削时因产生强烈的挤压而产生很大的轴向力。对于直径较大的麻花钻，一般都需要修磨横刃。图2－20横刃切削角度

中心钻用于加工轴类工件的中心孔。钻孔时，先打中心孔，也有利于钻头的导向，可防止孔的偏斜。

深孔钻是专门用于钻削深孔的钻头。为解决深孔加工中的断屑、排屑、冷却润滑和导向等问题，人们先后开发了外排屑深孔钻、内排屑深孔钻、喷吸钻和套料钻等多种深孔钻。

扩孔钻常用作铰或磨前的预加工以及毛坯孔的扩大，扩孔效率和精度均比麻花钻高。用于对已钻孔的进一步加工，IT10~IT11级；表面粗糙度6.3~3.2μm。

2.扩孔钻（1）扩孔钻的类型

（2）扩孔钻与麻花钻的比较

图2－21

1）刀齿数多（3～4个），故导向性好，切削平稳；

2）刀体强度和刚性较好；

3）没有横刃，改善了切削条件。因此，大大提高了切削效率和加工质量。

铰刀是精加工刀具，加工精度可达IT6～IT7。用于中、小尺寸孔的半精加工和精加工；表面粗糙度1.6～

0.4μm。3.铰刀（1）铰刀的类型

（2）铰刀与扩孔钻的比较

图2－22

1）刀齿数多（6～12个），故导向性好，切削平稳；

2）刀体强度和刚性较好（容屑槽浅，芯部直径大）；因此，铰孔的加工质量更好。

图2－22铰刀的类型（a）直柄机用铰刀（b）锥柄机用铰刀c）硬质合金锥柄机用铰刀（d）手用铰刀（e）可调节手用铰刀（f）套式机用铰刀（g）直柄莫式圆锥铰刀（h）手用1:50锥度铰刀图2－23铰刀的结构3.3.2铣床与铣削1、

升降台式铣床铣刀

主要用于平面、台阶、沟槽和各种成形面的加工。（图）图铣刀种类1.铣刀的几何角度1）圆柱铣刀的几何角度

图2－24

前角

为了便于制造，规定圆柱铣刀的前角用法平面前角γn表示。铣削钢件：γo=10°～20°铣削铸铁件：γo=5°～15°图2－24圆柱铣刀的几何角度

后角

圆柱铣刀的后角是用正交平面后角αo表示。（图）粗加工：αo＝12°精加工：αo＝16°

螺旋角

圆柱铣刀的螺旋角β就是其刃倾角λ它能使切削刃逐渐切入和切离工件，而且同时工作齿数较多，故能提高铣削过程的平稳性。粗齿铣刀：β＝40°～60°细齿铣刀：β＝

30°～35°2）端铣刀的几何角度

端铣刀的每个刀齿类似车刀，有主、副切削刃和过渡刃。在正交平面系内端铣刀的标注角度有：γo、αo、kr、k’r和λs。图2－25端铣刀的几何角度

2.硬质合金端铣刀(1)硬质合金机夹重磨式端铣刀

刚性好,目前应用较多(2)硬质合金可转位端铣刀

可直接更换刀片,

铣削效率高加工质量好成本低

3.铣削方式及合理选用

铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系。不同的铣削方式对刀具的耐用度、工件的加工表面粗糙度、铣削过程的平稳性及切削加工的生产率等都有很大的影响。（1）圆周铣削法（周铣法）

周铣法有两种铣削方式：逆铣法和顺铣法。图2－28逆铣与顺铣（a）逆铣（b）顺铣逆铣切削动画顺铣切削动画1）逆铣

逆铣时，刀齿的切削厚度从ac=0至acmax。当ac=0时，刀齿在工件表面上挤压和摩擦，刀齿较易磨损。同时，工件表面受到较大的挤压应力，冷硬现象严重，更加剧刀齿磨损，并影响已加工表面质量。此外，逆铣时刀齿作用于工件上的垂直进给力FfN朝上有挑起工件的趋势，这就要求工件装夹紧固。但是逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响；同时作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相反，使铣床工作台进给机构中的丝杠螺母始终保持良好的右侧面接触，因此进给速度比较平稳。（图）铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反。图2－282）顺铣

顺铣时，刀齿的切削厚度从acmax

到ac=0。容易切下切削层，刀齿磨损较少，已加工表面质量较高。顺铣法可提高刀具耐用度2～3倍。但在顺铣过程中，作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相同，此时如果铣床工作台下面的传动丝杠与螺母之间的间隙较大，则力Ff有可能使工作台连同丝杠一起沿进给方向移动，导致丝杠与螺母之间的间隙转移到另一侧面上去，引起进给速度时快时慢，影响工件表面粗糙度，有时甚至会因进给量突然增加很多而损坏铣刀刀齿。因此，采用顺铣法加工时，要求铣床的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置。此外，用顺铣法加工时，要求工件表面没有硬皮，否则铣刀很易磨损。（图）铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相同。（图）

一般情况下，尤其是粗加工或是加工有硬皮的毛坯时，多采用逆铣。

精加工时，加工余量小，铣削力小，不易引起工作台窜动，可采用顺铣。（2）端面铣削法（端铣法）

1）对称铣削

刀齿切入工件与切出工件的切削厚度ac相同者称为对称铣削。（图2－29a）

对称铣削方式具有最大的平均切削厚度，可避免铣刀切入时对工件表面的挤压、滑行，铣刀耐用度高。在精铣机床导轨面时，可保证刀齿在加工表面冷硬层下铣削，能获得较高的表面质量。2）不对称铣削

刀齿切入时的切削厚度小于或大于切出时的切削厚度者称为不对称铣削。（图2－29bc）不对称逆铣切削平稳，切入时切削厚度小，减小了冲击，从而可使刀具耐用度和加工表面质量得到提高，适合于加工碳钢及低碳合金钢。不对称顺铣时，刀齿切出工件时，切削厚度较小，适于切削强度低，塑性大的材料（如不锈钢、耐热钢等）。图2－29端面铣削方式3.3.3拉床与拉削1、拉削2、

拉床

拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛应用于大批量生产中，可加工各种内、外表面。3、拉刀拉削特点:

1.拉刀的类型（图）

拉削加工质量好，生产率高。拉刀寿命长，并且拉床结构简单。但拉刀结构复杂，制造比较麻烦，价格较高，因而多用于大量和批量生产的精加工。2.拉刀的结构头部——与机床连接，传递运动和拉力。颈部——头部和过渡锥连接部分。过渡锥部——使拉刀容易进入工件孔中，起对准中心的作用。图2－30图拉刀的类型前导部——起导向和定心作用，防止拉刀歪斜，并可检查拉削前孔径是否太小，以免拉刀第一刀齿负荷太大而损坏。切削部——切除全部的加工余量，由粗切齿、过渡齿和精切齿组成。校准部——起校准和修光作用，并作为精切齿的后备齿。后导部——保持拉刀最后几个刀齿的正确位置，防止拉刀即将离开工件时，工件下垂而损坏已加工表面。尾部——防止长而重的拉刀自重下垂，影响加工质量和损坏刀齿。

图2－30圆孔拉刀的结构1－头部；2－颈部；3－过渡圆锥；4－前导部5－切削部；6－校准部；7－后导部；8－尾部3.刀齿几何参数1）齿升量af

前、后两刀齿半径或高度之差。af影响拉刀强度及拉床负荷；难以切下很薄的金属层，容易磨损刀齿，加工表面也不光洁af

粗切齿：

af=0.02~

0.20mm

精切齿：

af=0.005~0.015mm图2－312）齿距p

相邻两刀齿之间的轴向距离。确定齿距的大小时，应考虑拉削的平稳性及足够的容屑空间。

粗切齿的齿距按经验公式计算：过渡齿的齿距：精切齿的齿距：当p>10mm时，当p≤10mm时,（便于制造）图2－31L为拉削长度

图2－31拉刀切削部分的主要几何参数3）前角γo

根据工件材料选择。4）后角αo

为使刀齿前刀面重磨之后，直径变小较慢，以及延长拉刀的使用寿命，拉刀的后角应取较小值。5）刃带宽度ba1

其作用是制造时便于控制刀齿直径、保持切削过程的稳定性和重磨后保持直径不变。图2－314.拉削方式1）分层式拉削2）分块式拉削

可获得较高的表面质量，但拉刀长度较长，生产率较低。（图）

拉刀长度短，生产率高，但拉刀结构复杂，制造困难，拉削后的工件表面比较粗糙。（图）3）综合式拉削

综合了上述两种拉削方式的优点，拉刀短，生产率高，加工表面也较光洁。（图）分层式拉削分块式拉削综合式拉削3.3.4齿轮加工机床和齿轮加工刀具1、滚齿原理

依照交错轴螺旋齿轮啮合原理。滚齿时的成形运动是滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合运动，这个复合运动称为展成运动。再加上滚刀沿工件轴线垂直方向的进给运动，就可切出整个齿长。（图3－35）图3－35滚齿原理

1－滚刀；2－工件

齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具,按刀具的工作原理，齿轮刀具分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。齿轮刀具2、齿轮滚刀（1）齿轮滚刀的工作原理

（2）齿轮滚刀的基本蜗杆

图2－35图2－36阿基米德滚刀用于精加工和小模数齿轮法向直廓滚刀用于粗加工和大模数齿轮图2－35齿轮滚刀的工作原理图2－36齿轮滚刀的基本蜗杆与刀刃位置（3）齿轮滚刀的选用

1）基本参数与齿轮相同2）精度等级应与加工齿轮一致3）旋向相同直齿用右旋滚刀,

左旋齿轮用左旋滚刀3、滚齿机图2－60滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图

滚切直齿圆柱齿轮

滚切斜齿圆柱齿轮(3)工件附加转动的方向Y3150型滚齿机2.插齿加工（1）插齿的基本工作原理

图2－33（2）插齿刀的结构特点

（3）插齿刀的选用

图图2－64插齿原理及所需运动图2－33插齿刀的基本工作原理插齿刀后刀面的形成插齿机

磨齿机多用于对淬硬的齿轮进行齿廓的精加工。磨齿机有两大类即用成形砂轮磨齿和用展成法磨齿。

1、成