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金属切削机床基本知 2.1.1金属切削机床的发展概沉 2.1.2机床的基水组成和构造
2.1 金属切削机床基本知识 2.1.1金属切削机床的发展概况 2.1.2机床的基本组成和构造
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
·(2)钻床 图23为立式钻床的构造示意图,图中序号依次表示:1工作台、2钻头、3主轴、 4进给箱、5主轴箱、6立柱、7工件、8底座。 图2-4为摇臂钻床的构造示意图,图中序号依次表示:1工件、2立柱、3摇臂、4 电动机、5主轴箱和进给箱、6钻头、7工作台。 图2-3 图2-4
• （2）钻床 • 图2-3为立式钻床的构造示意图，图中序号依次表示：1工作台、2钻头、3主轴、 4进给箱、5主轴箱、6立柱、7工件、8底座。 • 图2-4为摇臂钻床的构造示意图，图中序号依次表示：1工件、2立柱、3摇臂、4 电动机、5主轴箱和进给箱、6钻头、7工作台。 图2－3 图2－4