第2章金属切削机床简介 2.1金属切削机床基本知识 2.2机床的分类与型号编号 23机床的基本传动形式 24普通车床传动系统分析 2.5万能外圆磨床传动系统分析 2.6卧式镗床结构与传动系统分析
第2章 金属切削机床简介 2.1 金属切削机床基本知识 2.2机床的分类与型号编号 2.3 机床的基本传动形式 2.4 普通车床传动系统分析 2.5 万能外圆磨床传动系统分析 2.6 卧式镗床结构与传动系统分析
2.1.1金属切削机床的发展概况 机床的发展历史与人类社会的进步密切相关,机床是由使用工具演变而来。人类 近6000年的文明史,在各种工具的发展和应用上,经历了从手用工具到现代机床 的演变过程 石器时代(远古时期) 人类最早发明和使用的工具是经过加工的特殊的石块(石刀、石斧),用来延伸 或加强人的双手或牙齿的功能。这个时期我国开始应用弓钻在石斧、陶器上 钻孔 2.青铜时代(大约公元前3000年开始) 这个时期开始应用金属工具。我国商代(公元前16-11纪)应用青铜钴头 3.铁器时代(公元前770~476年) 这个时期开始使用铸铁,车削工具开始使用——一当时加工对象主要是木料。古埃 及国王墓碑上就出现有最古老的车床图案 4.中古时期(封建社会) ·我国西汉(公元前206年~公元23年)使用杆钻和管钻——在“金缕玉衣”上的 四千多块玉片上钻了18000多个孔(直径φ12m)。我国古代还发明了舞钴 轮的惯性)。这个时期出现了原始的钻床和木工车床,如:弓弦车床、足踏 车床等(人力作为动力源
2.1.1金属切削机床的发展概况 • 机床的发展历史与人类社会的进步密切相关,机床是由使用工具演变而来。人类 近6000年的文明史,在各种工具的发展和应用上,经历了从手用工具到现代机床 的演变过程。 • 1. 石器时代(远古时期) • 人类最早发明和使用的工具是经过加工的特殊的石块(石刀、石斧),用来延伸 或加强人的双手或牙齿的功能。这个时期我国开始应用弓钻——在石斧、陶器上 钻孔。 • 2. 青铜时代(大约公元前3000年开始) • 这个时期开始应用金属工具。我国商代(公元前16~11世纪)应用青铜钻头—— 在卜骨上钻孔。 • 3. 铁器时代(公元前770~476年) • 这个时期开始使用铸铁,车削工具开始使用——当时加工对象主要是木料。古埃 及国王墓碑上就出现有最古老的车床图案。 • 4. 中古时期(封建社会) • 我国西汉(公元前206年~公元23年)使用杆钻和管钻——在“金缕玉衣”上的 四千多块玉片上钻了18000多个孔(直径Ф1~2 mm)。我国古代还发明了舞钻 (利用飞轮的惯性)。这个时期出现了原始的钻床和木工车床,如:弓弦车床、足踏 车床等(人力作为动力源)
5.近代 ·17世纪中叶,用畜力代替人力作为机床动力。1668年加工天文仪器上的大铜环一 -利用(直径2丈约667米)镶片铣刀铣削——一装上磨石可进行磨削。 ·18世纪,工场手工业向资本主义机器大工业过渡时期,欧美国家在英国产业革命 后进入资本主义社会。这一时期发明了刀架——代替了手持刀具,标志着切削加 代替袷的玊賢出跪亨腮曾蘭黠吝种臭羁的机陆续佥替梨('禾觜 蒸汽机为动力源)。各类机床出现的大致年代如下 ·1751年出现刨床——为了加工水泵泵体。 1770年出现卧式镗床——加工蒸汽机汽缸(φ650mm精度1mm)。 1818~1855年出现铣床及万能铣床、仿形车床 19世纪末出现近代磨床——加工硬度、精度较高的工件;专用机床及半自动、自 生产军火、自行车、缝纫机:大型机床 大型发电机、汽轮机 轧钢机等。当时的传动方式多为:天轴一庋蒂塔轮传动,传动效率很低。 ·20世纪初叶出现坐标镗床等高精度机床—一加工精度要求更高的工件。天轴、皮 带、塔轮传动发展到单独电机、齿轮变速箱传动。 20世纪40年代自动生产线开始出现——主要用于汽车轴承工业(美国) 20世纪50年代(1952年)美国研制出世界第一台“NC机床”——三坐标数控铣 这又是一次切加工技术的质的飞跃,机 次 箪命,后莱文经过三年的改进与自动程序编制的研究。于1955年进入实用阶段, 投产 百台类似的产品。这些数控铣床在复杂的曲面零件加工中,发挥了很大 作用。 1958年美国研制出第一台加工中心(自动换刀多工位加工数控机床)。 1970年美国研制出DNC(群控系统)——直接数字控制
• 5. 近代 • 17世纪中叶,用畜力代替人力作为机床动力。1668年加工天文仪器上的大铜环— —利用(直径2丈约6.67米)镶片铣刀铣削——装上磨石可进行磨削。 • 18世纪,工场手工业向资本主义机器大工业过渡时期,欧美国家在英国产业革命 后进入资本主义社会。这一时期发明了刀架——代替了手持刀具,标志着切削加 工中一次质的飞跃。马克思曾指出:“真正的工具一从人手转到一个机构,机器 便代替简单的工具出现了”。随后各种类型的机床陆续创制出来(18世纪末已用 蒸汽机为动力源)。各类机床出现的大致年代如下: • 1751年出现刨床——为了加工水泵泵体。 • 1770年出现卧式镗床——加工蒸汽机汽缸(φ650mm精度1mm)。 • 1818~1855年出现铣床及万能铣床、仿形车床。 • 19世纪末出现近代磨床——加工硬度、精度较高的工件;专用机床及半自动、自 动机床——生产军火、自行车、缝纫机;大型机床——生产大型发电机、汽轮机、 轧钢机等。当时的传动方式多为:天轴——皮带——塔轮传动,传动效率很低。 • 20世纪初叶出现坐标镗床等高精度机床——加工精度要求更高的工件。天轴、皮 带、塔轮传动发展到单独电机、齿轮变速箱传动。 • 20世纪40年代自动生产线开始出现——主要用于汽车轴承工业(美国)。 • 20世纪50年代(1952年)美国研制出世界第一台“NC机床”——三坐标数控铣 床(使用电子管元件)。这又是一次切削加工技术的质的飞跃,机床工业的一次 革命,后来又经过三年的改进与自动程序编制的研究。于1955年进入实用阶段, 投产了一百台类似的产品。这些数控铣床在复杂的曲面零件加工中,发挥了很大 作用。 • 1958年美国研制出第一台加工中心(自动换刀多工位加工数控机床)。 • 1970年美国研制出DNC(群控系统)——直接数字控制
从这以后,随着微电子技术、计算机技术、信息技术以及激光技术的快速发展 断回前突飞猛进,机床产品不断推陈出新。当今,数控机床的发 ·(1)高精度化 数控加工中心的定位精度可达到±0.0015mm全程;加工中 心的加工精度可达到±0001m,甚至更高。 (2)高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一,而实现这个目 标最主要、最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间 警接经管美诞替术的哭酸及莉味术身基础技术的进步远几年来0主轴速 进一步提高进给速度,缩短换刀时间和工作台交换时间,也是高速度化的 有效措施。 ·(3)高柔性化“柔性”是指机床适应加工对象变化的能力(灵活性、通用性)。 传縴的自动化设和告产线,申正是机槭或刚惜连接和控制的,鹦被加对象变 开创了柔性自动化加工的新纪元、对加工对象的变换有很强的适应能力,非常适 合单件小批量的生产。对零作的变换只需更换ROM中的控制程序,而机床及硬件 不需调整。 为了进一步提髙柔性化程度和规模生产能力,在数控机床软硬件的基础上,增加 砭釜粧尺習島邀擒尕舉盂成辮納錦亍韦牠、葉裡窬蝰革凭台蓋C’踐奚 性制造 系统( FMS) 以及介 于传统自 动 线与FN MS之间 的柔性 自动生 线(F TL)
• 从这以后,随着微电子技术、计算机技术、信息技术以及激光技术的快速发展, 促进机床工业不断向前突飞猛进,机床产品不断推陈出新。当今,数控机床的发 展呈现如下发展趋势: • (1)高精度化 目前数控加工中心的定位精度可达到±0.0015mm/全程;加工中 心的加工精度可达到±0.001㎜,甚至更高。 • (2)高速度化 提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一,而实现这个目 标最主要、最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间。 • 提高主轴转速是提高切削速度最直接、最有效的方法。随着刀具、电机、轴承、 数控系统等关键技术的突破及机床本身基础技术的进步,近十几年来,主轴转速 已经翻了几番。目前加工中心的主轴转速最高可达50000r/min,甚至100000r/min。 另外,进一步提高进给速度,缩短换刀时间和工作台交换时间,也是高速度化的 有效措施。 • (3)高柔性化 “柔性”是指机床适应加工对象变化的能力(灵活性、通用性)。 传统的自动化设备和生产线,由于是机械或刚性连接和控制的,当被加工对象变 换时,调整很困难,甚至是不可能的,有时只得全部更换更新。数控机床的出现, 开创了柔性自动化加工的新纪元。对加工对象的变换有很强的适应能力,非常适 合单件小批量的生产。对零件的变换只需更换ROM中的控制程序,而机床及硬件 不需调整。 • 为了进一步提高柔性化程度和规模生产能力,在数控机床软硬件的基础上,增加 不同容量的刀库和自动换刀机械手,增加第二主轴,增加交换工作台装置,或配 以工业机器人和自动运输小车以组成新的加工中心、柔性制造单元(FMC)或柔 性制造系统(FMS)以及介于传统自动线与FMS之间的柔性自动生产线(FTL)
·(4)高自动化是指包括加工,物料流和信息流的柔性自动化。自80年代中期以 来,堅数控机床为主体的加工自动化已从“点”单命数控机床)发展到线 的自动化(FMs、FTL)和 的自动化<柔性制 息管理系 统的自动化,逐步形成整个工厂“体”的自动化 ·在国外已出现FA(自动化工厂)和CM(计算机集成制造)工厂的雏形实体。尽 管这种高自动化的技术还不够完备,投资过大,回收期较长。但数控机床的高自 动化以及向FMC、FMS的系统集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主 ·1)复合化复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗精 把 序的概念。加中心(包捂车前中心n摩削中心、电加工中心等)的出现。 等类的工序集 和分开加工的工艺规程。例如一台具有自动换刀装置,自动变换个作台和自动转 换立卧主轴头的镗、铣加工中心,不仅一次装夹便可完成镗、铣、钴、铰、攻丝 和检验等工序,而且还可以完成箱体五个面粗、精加工的全部工序等。 2)髙可靠性数控杋床的可靠性是薮控机床产品质量的一项关键性指标。数控机 床能否发挥其髙性能,高精度,髙效率,并获得良好的效益,关键取决于可靠性。 F明显養进晨∷衢簟膝衽的蚕要的量痣招躉早均規鼒豆术M段得 3)宜人化宜人化是一种新的设计思想和观点。是将功能设计与美学设计有机结 合,一台机床就是一件艺术品,是技术与经济、文化、艺术的协调统一,核心是 使产品变为更具魅力,更适销对路的商品,引导人们进入一种新的生活方式和 作方式。使用户在操作安 使用方便,性能可靠的同时,还能体会到一种享受 感、舒服感、欣赏感,令人在赏心悦自之中,心情愉快的完成工作
• (4)高自动化 是指包括加工,物料流和信息流的柔性自动化。自80年代中期以 来,以数控机床为主体的加工自动化已从“点”(单台数控机床)发展到“线” 的自动化(FMS、FTL)和“面”的自动化(柔性制造车间)。结合信息管理系 统的自动化,逐步形成整个工厂“体”的自动化。 • 在国外已出现FA(自动化工厂)和CIM(计算机集成制造)工厂的雏形实体。尽 管这种高自动化的技术还不够完备,投资过大,回收期较长。但数控机床的高自 动化以及向FMC、FMS的系统集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主 流。 • 1)复合化 复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗精 加工工序的概念。加工中心(包括车削中心、磨削中心、电加工中心等)的出现。 又把车、铣、镗、钻等类的工序集中到一台机床来完成。打破了传统的工序界限 和分开加工的工艺规程。例如一台具有自动换刀装置,自动变换工作台和自动转 换立卧主轴头的镗、铣加工中心,不仅一次装夹便可完成镗、铣、钻、铰、攻丝 和检验等工序,而且还可以完成箱体五个面粗、精加工的全部工序等。 • 2)高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机 床能否发挥其高性能,高精度,高效率,并获得良好的效益,关键取决于可靠性。 因而,美、日、德等机床工业大国,已在机床产品中应用了可靠性技术,并取得 了明显得进展。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间(MTBF)。 • 3)宜人化 宜人化是一种新的设计思想和观点。是将功能设计与美学设计有机结 合,一台机床就是一件艺术品,是技术与经济、文化、艺术的协调统一,核心是 使产品变为更具魅力,更适销对路的商品,引导人们进入一种新的生活方式和工 作方式。使用户在操作安全,使用方便,性能可靠的同时,还能体会到一种享受 感、舒服感、欣赏感,令人在赏心悦目之中,心情愉快的完成工作
2.1.2机床的基本组成和构造 1.机床的基本组成 由于机床运动形式、刀具及工件类型的不同,机床的构造和外形有很大区别。但 归纳起来,各种类型的机床都应有以下几个主要部分组成。 (1)主传动部件用来实现机床主运动的部件,它形成切削速度并消耗大部分动 力。例如带动工件旋转的车床主铀箱:带动刀具旋转的钻或铣床的主轴箱;带 动砂轮旋转的磨床砂轮架:刨床的变速箱等。 (2)进给传动部件用来实现机床进给运动的部件,它维持切削加工连续不断的 进 例如车床的进绘箱x留板箱;钻床和铣床的进给箱:刨床的进给机构;磨 床上作台的液压传动装置等 (3)工件安装装置用来安装工件。例如车床的卡盘和尾座;钻床、刨床、铣床、 平面磨床的工作台;外圆磨床的头架和尾座等。 (4)刀具安装装置用来安装刀具。例如车床、刨床的刀架;钻床、立式铣床的 主轴,卧式铣床的刀杆轴,磨床的砂轮架主轴等 (5)支承件机床的基础部件,用于支承机床的其它零部件并保证它们的相互位置 精度。例如各类机床的床身、立柱、底座、横梁等 (6)动力源提供运动和动力的装置,是机床的运动来源。普通机床通常采用三 相异步电机作动力源(不需对电机调整,连续工作);数控机床的动力源采用的 是直流或交流调速电机、伺服电机和步进电机等(可直接对电机调速,频繁启
2.1.2机床的基本组成和构造 • 1. 机床的基本组成 • 由于机床运动形式、刀具及工件类型的不同,机床的构造和外形有很大区别。但 归纳起来,各种类型的机床都应有以下几个主要部分组成。 • (1)主传动部件 用来实现机床主运动的部件,它形成切削速度并消耗大部分动 力。例如带动工件旋转的车床主轴箱;带动刀具旋转的钻床或铣床的主轴箱;带 动砂轮旋转的磨床砂轮架;刨床的变速箱等。 • (2)进给传动部件 用来实现机床进给运动的部件,它维持切削加工连续不断的 进行。例如车床的进给箱、留板箱;钻床和铣床的进给箱;刨床的进给机构;磨 床工作台的液压传动装置等。 • (3)工件安装装置 用来安装工件。例如车床的卡盘和尾座;钻床、刨床、铣床、 平面磨床的工作台;外圆磨床的头架和尾座等。 • (4)刀具安装装置 用来安装刀具。例如车床、刨床的刀架;钻床、立式铣床的 主轴,卧式铣床的刀杆轴,磨床的砂轮架主轴等。 • (5)支承件 机床的基础部件,用于支承机床的其它零部件并保证它们的相互位置 精度。例如各类机床的床身、立柱、底座、横梁等。 • (6)动力源 提供运动和动力的装置,是机床的运动来源。普通机床通常采用三 相异步电机作动力源(不需对电机调整,连续工作);数控机床的动力源采用的 是直流或交流调速电机、伺服电机和步进电机等(可直接对电机调速,频繁启 动)
2.机床的基本构造 ·机床的种类繁多,按其加工性质可分为十二大类(下一节介绍),其中最基本的 类型有五种,即 (1)车床 ·(2)钻床 (3)铣床 (4)刨床 (5)磨床
• 2. 机床的基本构造 • 机床的种类繁多,按其加工性质可分为十二大类(下一节介绍),其中最基本的 类型有五种,即 • (1)车床 • (2)钻床 • (3)铣床 • (4)刨床 • (5)磨床
(1)车床 图2-1为卧式车床的构造示意图,图中序号及引线所指部位表示机床及其工艺系统 的组成构件。依次表示:1丝杠、2光杠、3溜板箱、4拖板、5进给箱、6主轴箱、 7卡盘、8工件、9刀架、10车刀、11顶尖、1尾座、13床身。 图2-2为立式车床的构造示意图,图中序号依次表示:1底座及主轴箱、2圆形工作 台、3工件、4车刀、5刀架、6横粱及进给箱、7立柱。 图2-1 图2-2
• (1)车床 • 图2-1为卧式车床的构造示意图,图中序号及引线所指部位表示机床及其工艺系统 的组成构件。依次表示:1丝杠、2光杠、3溜板箱、4拖板、5进给箱、 6主轴箱、 7卡盘、8工件、9刀架、10车刀、11顶尖、l2尾座、13床身。 • 图2-2为立式车床的构造示意图,图中序号依次表示:1底座及主轴箱、2圆形工作 台、3工件、4车刀、5刀架、6横粱及进给箱、7立柱。 图2-1 图2-2